CN102084016A - 用于制造具有陶瓷纤维内增强部的金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造金属部件的方法，所述金属部件具有通过陶瓷纤维形成的内增强部，其中：在具有上面(10B)的金属主体(10)中加工出用于插件的至少一个凹腔(10A)；将通过金属基体中的陶瓷纤维形成的至少一个插件(11)置于所述凹腔中；以盖(12)覆盖所述插件；在所述插件周围的间隙空间中形成真空，所述空间紧密密封；组件，即具有盖的金属主体，通过热等静压进行处理；加工经过处理的组件，以获得部件。插件(11)是直的，金属主体中的用于插件的凹腔形成对应的直缝(10A)，盖(12)被设计为允许被装配到插件(11)上而使得在冷却收缩后在凹腔中存在间隙并使得所述缝中的膨胀实现紧密装配以封闭所述空间。

Description

用于制造具有陶瓷纤维内增强部的金属部件的方法
技术领域
本发明涉及制造金属部件，其具有由陶瓷纤维形成的并通过将纤维插件并入金属基体中而获得的内增强部。
背景技术
为了减轻金属部件的重量并同时给予金属部件更大的强度，特别是拉伸强度或压缩强度，已知将陶瓷纤维并入其中。例如，这些纤维是碳化硅纤维(SiC)，其具有显著大于例如钛这样的金属的拉伸强度和压缩强度。
制造这些部件涉及预先通过金属涂覆陶瓷细丝形成插件。这些细丝也被称为CMM纤维或涂覆细丝。金属尤其给予其进行处理所必需的弹性和柔性。
已知的制造这种增强部件的方法包括围绕一心轴的涂覆丝线的缠绕。然后，绕线被引入一主金属体或容器中，在主金属主体或容器中预先加工出缝以形成用于插件的凹腔。缝的深度大于绕线的高度。盖设置在容器上并焊接到其周边。盖具有形状与缝互补的凸榫，且其高度适应于被置于缝中以填充缝的绕线的高度。下一步，执行热等静压步骤，在此过程中，盖变形且绕线被凸榫压紧。沿缝边缘的容器表面倾斜，以形成角面，用于确保盖在压缩阶段中盖逐渐变形。
热等静压技术包括：将部件置于一封闭体中承受1000巴量级的高压以及1000℃量级的高温持续几个小时。
在此处理过程中，涂覆细丝的金属套通过扩散焊接被焊接在一起并焊接到缝壁上，以形成由金属合金(陶瓷纤维在其中延伸)构成的致密组件。然后，所获得的部件被加工至所希望的形状。
所述方法用于制造轴对称航空部件，例如转子盘或叶片盘(整体叶片盘)，不过也可用于制造非轴对称部件，例如连接杆、轴、致动器主体、和壳体。
难以在主体中加工出缝，特别是因为在缝的底表面与侧壁之间的底部的接合半径较小。这种小的接合半径对于以尽可能小的间隙装容插件而言是必要的，插件具有方形截面并通过小半径细丝形成。对盖中的对应凸榫进行加工也不容易，因为存在非开放端的角部且有必要具有完美匹配于缝的形状。
申请人已经开发出一种制造细长形状部件的方法，所述部件包括插件，插件具有对传递单向拉伸力和/或压缩力有益的平直部分。此方法在2007年7月26日提交的专利申请FR 07/05453中进行了描述。申请人还开发出一种制造平直插件的方法。此方法包括：制作绕线形式的插件坯体，如果热等静压将所述坯体压实在容器中，然后加工处于压实容器中的平直插件。这种方法在2007年7月26日提交的专利申请FR 07/05454中进行了描述。
然而，当将被制作的部件是非轴对称的但具有长形形状、椭圆形形状或具有平直部分的其他形状时，对较长长度的精确调节难以实现。对于通过极硬的涂覆纤维形成的插件而言，甚至更加困难，因为陶瓷纤维需要形成与其完美相配的凹腔。盖必须在缝中完美组装以不使纤维散出。
针对单独地制造插件并之后将其传送到主体的缝处，可替代地，在SNECMA名下的专利FR 2 886 290根据一个实施例提出直接在主体上制作绕线。在主体中提供两个台肩，而非缝。第一台肩具有支承表面，用于涂覆细丝的直接绕线。此表面平行于绕线方向。当绕线完成时，缝通过以下方式重构：将一部件置于主体上，该部件的形状与第二台肩的形状互补，从而相对于第一台肩形成台阶。然后，具有凸榫的盖定位在刚经过绕线的插件上，所述组件经历一压实操作。制造问题通过这种解决方案仅被部分地解决，这是因为组装操作仍然复杂。
在申请人名下的专利申请FR 07/09171提出，金属主体中的用于插件的凹腔具有L形截面凹口的形式，盖具有内凹口，内凹口具有L形截面且其形状与具有所述插件的金属主体的形状互补。而且，盖在外侧成形，从而使压缩力垂直于凹口的面施加。
这样，现有的制造技术可形成的金属部件包括通过涂覆纤维绕线的金属基体复合物制成的一个或多个增强物和容器-主体和盖。这些结构很有效，但制造成本较高。特别是加工带盖容器主体占部件总成本的较大部分。
发明内容
申请人所设定的目标在于，改进用于制造细长形状部件的方法，以实现简化生产操作步骤和降低成本的目的。
这一目标通过根据本发明的方法实现，所述方法用于制造陶瓷纤维增强金属部件，其中：
-在具有上面的金属主体中加工出用于插件的至少一个凹腔；
-将由金属涂覆陶瓷纤维形成的至少一个插件置于所述凹腔中；
-用一盖覆盖所述插件；
-在所述插件周围的间隙空间中形成真空，所述空间在真空下紧密密封；
-该组件，即具有所述盖的所述金属主体，通过热等静压进行处理；和
-加工经过处理的所述组件，以获得所述部件。
所述方法的特征在于，所述插件平直，金属主体中的用于插件的凹腔形成对应形状的平直缝，所述盖被设计为允许其被装配到该插件上而使得在冷却收缩之后在所述凹腔中存在间隙并使得所述缝中的膨胀实现紧密装配以紧密封闭所述空间。
例如，所述盖利用液化气体冷却，例如利用液氮冷却，以减小其尺寸。
通过确保在盖与缝壁之间的紧密接触而实现密封，由此简化缝的形状。
根据一个实施例，所述缝包括用于所述插件的凹腔第一部分和延伸自所述第一部分的至少一个第二部分，所述盖为块形状并且包括：覆盖所述插件的中心分部和形状与所述缝的第二部分对应的延伸部。这样，盖形成简单几何形状的可容易制作的金属块。
优选地，所述盖包括：在所述中心分部与所述延伸部之间的逐渐变形区域。此逐渐变形区域防止盖在压处理过程中破裂。
所述插件具有多边形，特别是矩形、椭圆形或圆形的截面。
优选地，所述插件通过组装成束的金属涂覆纤维形成，由此减少准备性操作。
本发明的解决方案在装配如下两个插件时具有特别的优点，其中这两个插件为细长形状并沿两个平行或不平行的平直分部设置。根据现有技术，为了获得两个纵向内增强部，预先制作环形形状的插件，其具有以两个圆弧部分连接在一起的两个平直分部。然后，根据插件的精确形状加工出凹腔。将凹腔形状调节至插件形状已经被证实是非常复杂和昂贵的操作。因而消除圆角同时简化了加工和装配，而不会牺牲最终部件的强度，这是因为纤维在部件的中心部分中基本沿它们的纵向起作用。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本发明的一个非限制性实施例，其中：
图1显示出根据本申请人的现有技术制造细长部件的各步骤1a、1b、1c、1d；
图2显示出在加工出包含插件的容器之后获得的部件的示例；
图3显示出根据本发明的具有加工出的缝的金属主体的透视图，其中显示出插件和块形盖的装配；
图4显示出在金属块中就位的插件和块形盖的透明透视图，其中，组件准备进行热等静压处理；和
图5显示出本发明的实施例变例的截面。
具体实施方式
图1取自专利申请FR 07/05453，其中，显示出具有细长形状主体4的容器1，用于形成用于例如起落架的连接杆。在主体4的两个面中均加工出缝41。此缝用于装容插件3，插件3包括两个平直部分，这两个平直部分可相互平行或不平行，在端部通过圆弧部分接合。这种类型的插件具有以例如钛的金属涂覆的陶瓷纤维。缝和插件具有互补的形状，使得插件无间隙地或以最小间隙装配到缝中。两个盖5设置有形成凸榫51的突出部分，并覆盖主体4的面。凸榫压在被装容于缝中的插件上，并填充缝。盖5通过例如电子束焊接而焊接到主体4上，在容器内形成真空。此组件的功能是防止纤维(其具有极小直径，约0.25mm)在热等静压过程中移动或散出。图1b中所示容器被部分地移除以显示出插件。容器然后被置于一封闭体中以经历热等静压处理。图1c中的容器的截面显示出，缝41的边缘42被斜切以留出间隙，其中盖5的一部分与凸榫51相邻。
在热等静压操作过程中，沿垂直于盖表面的方向施加压力，使得盖挤扁。热和压力(约为1000℃和1000巴)使基体金属可占据构成插件的涂覆细丝之间的空隙。插件的体积减小约23％。凸榫因而向下移动且凸榫两侧上的间隙被占用。在所述过程结束时，金属已熔化且容器被压实。部件因而通过嵌入金属物质中的细丝而增强。图1d显示出所获得的部件坯体，其中可见两个插件，如同部件透明那样。
然后，坯体被加工以获得图2中所示的部件8。此部件8具有在分部82之间的孔81。陶瓷纤维被并入分部82中，这确保传递拉伸力和压缩力。所用插件具有环形形状，但其可通过平直元件(采用条形式)形成，如专利申请FR 07/05454中所述的那样。在后一种情况下，平直元件在其预先被压实之后被并入容器中。
本发明的解决方案使这种部件能够更经济地获得。
图3显示出细长形状的金属主体10，其在此图中具有上面10B。平直的缝10A被加工而成，其具有平坦底部和垂直于底部的壁。在底部与壁之间的接合表面具有小的曲率半径，以允许插件以尽可能小的间隙装配。缝具有中心部分10A1，以及沿其纵向延伸方向的两个端部分10A2和10A3。端部分圆滑。缝作为用于平直插件11的凹腔，插件11由涂覆陶瓷纤维组件形成，插件的长度L小于或等于缝的中心部分10A1的长度。插件形成装配到缝中心部分10A1中的束。
盖12覆盖被置于其凹腔中的插件11。当从上方观看时，盖12具有与缝10A相同的形状和相同的尺寸，并具有间隙，使其能够装配到缝中。盖12形成块，块具有覆盖插件的中心部分12A1和沿中心部分纵向延伸方向并在中心部分两侧上的两个端部分12A2和12A3。两个端部分的厚度对应于中心部分的厚度加上置于缝中的插件的厚度，且略大于缝的深度。盖12通过两个端部分12A2和12A3支承在缝底部上。可见，端部分均具有角面12A2’和12A3’以留出缝底部在插件侧的空间。
根据本发明通过插件制造示例性部件因而包括以下步骤：
-制备金属主体10，由例如钛合金制成，其具有至少一个上平面；
-在上面或下面10B上加工出至少一个开放的平直缝10A。这一操作相对简单，因为仅需要考虑缝的深度和宽度；
-将由平直涂覆纤维组装束形成的插件11置于缝中；和
-块形盖12在其温度足够低而收缩之后被安置就位。一种简单方式是，使其与液氮接触。块形盖和缝的尺寸被确定而使得：盖在冷却之后可容易地置于缝中。在膨胀时，盖因而支承抵靠侧壁而消除任何间隙。
在块形盖已经安置就位之后，组件承受真空。形成真空且升高盖温度而使得：当插件周围的空间处于真空下时，盖膨胀并形成沿盖周边的密封。
盖12的顶部从金属主体表面突出。
由此制备的容器被引入到一用于执行热等静压的封闭体中。
施加热与压力，以压实容器。当插件通过涂覆纤维束形成时，所述处理使插件体积减小且密化。盖的中心部分作为活塞沉入缝中。由角面12A2’和12A3’形成的过渡区域使盖可变形而不带有导致盖破裂的剪切力。
所获得的坯体准备进行加工。
在加工之后，获得例如图2中所示的部件，其中包括对应数量插件的定位。
根据一个变例(见图5)，另外地，片14被置于块形盖12上，其通过焊料15焊接到金属主体周边以改进密封。如图中可见，片包括凹腔14’，用于使其装配到盖上的部件突出之处，大致对应于插件在压实过程中的预计体积减小。
本发明的实施例已经显示出，加工出缝以装容插件，缝沿纵向封闭。然而，应在本发明范围内的是，可制作一个或多个沿纵向开放的缝。
而且，插件可具有任意适合形状以用于内增强金属部件的应用。该形状可为长形，采用环形式，其中环具有以圆滑部分接合的两个平直部分。覆盖缝中插件的元件必须装配在插件上并塞住缝，因而具有与插件相同的形状。
本发明的方法因而可制作任何细长形状的部件，其中特别是包括一个或多个平直插件。

Claims (9)

1.一种用于制造金属部件的方法，该金属部件具有由陶瓷纤维形成的内增强部，其中：
-在具有上面(10B)的金属主体(10)中加工出用于插件的至少一个凹腔(10A)；
-将由金属涂覆陶瓷纤维形成的至少一个插件(11)设置于所述凹腔中；
-用盖(12)覆盖所述插件；
-在所述插件周围的间隙空间中形成真空，所述空间紧密密封；
-组件，即所述具有盖的金属主体，通过热等静压进行处理；和
-加工经过处理的所述组件，以获得所述部件，
其特征在于，所述插件(11)是直的，所述金属主体中的用于插件的凹腔形成对应的直缝(10A)，所述盖(12)被设计为允许被装配到所述插件(11)上而使得在冷却收缩之后在所述凹腔中存在间隙，并使得所述缝中的膨胀实现紧密装配以封闭所述空间。
2.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述盖(12)利用例如液氮的液化气体冷却。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述缝(10A)包括用于所述插件的第一凹腔部分(10A1)和延伸自所述第一部分的至少一个第二部分(10A2，10A3)，所述盖(12)为块形并且包括：覆盖所述插件的中心分部(12A1)和形状与所述缝(10A)的第二部分(10A2，10A3)对应的延伸部(12A2，12A3)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述块形的盖包括：在所述中心分部与所述延伸部之间的逐渐变形区域(12A2′，12A3′)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述插件(11)具有多边形截面，特别是矩形截面；或者具有椭圆形或圆形截面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述插件(11)由组装成束的金属涂覆纤维形成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述空间通过一焊缝(13)而紧密密封。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，片(14)被置于所述块形状的盖上并焊接到所述主体(10)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一第二插件被置于所述金属主体中。
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