CN102149843A - 一种由含金属基质的复合材料制成的部件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过含金属基质的复合材料制备部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在待制备的部件的预型件上，设置至少一个加强纤维的组件，其中，所述纤维被预涂覆有至少一种金属或者金属合金；将所述组件加热到足以使包围纤维的金属颗粒扩散的温度；冷却后，取下由所述预型件制成的部件，并取出预型件。

Description

一种由含金属基质的复合材料制成的部件的制备方法
本发明涉及一种部件的制备方法，其中，该部件由含金属基质的复合材料制成。
由涡轮喷气发动机所输出的高温需要使用能够耐高温的金属材料。特别对于超过600℃温度的情况，有必要使用镍基合金来承受热量和机械的负荷。实际上，在这么高的温度范围内，大多数的其它金属合金的机械性能都大大降低。
这些镍基合金(例如铬镍铁718，铬镍铁625，或者WaspaloyTM)的主要缺点之一就是高密度。因此，为了改善结构，由于生产条件，质量的减轻是受限制的。
在航空结构中质量增量是主要需要解决的问题，因此一直需要结合了低密度与高耐热性和高机械性的材料。
一种方案是使用含金属基质的复合材料。
诸如长纤维或短纤维的陶瓷加料与颗粒加料(charges particulaires)等的加入，能够增加金属材料的机械特性，在高温领域尤其如此。在机械性能不变的情况下，这些陶瓷加料还能够将某些金属材料(例如钛合金)的使用范围扩大几十个数量级。
陶瓷加料的布置是需要小心处理的，并且其决定了复合结构的表现。因此复合金属基质(CMM)材料的使用很大程度上取决于生产条件。
大量的文献中都描述了CMM元件的制备方法。然而，形成成品的这些材料的形成是棘手的。
文献US 5 511 604描述了一种元件的制备方法，其中，该元件由含金属基质的复合材料制成。然而，成品的形成是通过加工已成型的复合块来完成的。
文献JP 2004-192792也描述了一种CMM板。用来制造诸如喷气嘴的成品的这种板的形成仍然很困难。
文献US 2005/0136256描述了一种CMM，其具有特定的复合物，该复合物特别地被制成箔状。
文献WO2005/054536描述了一种使用玻璃纤维的CMM，但是没有描述制备该部件的方法。
为了解决成型的问题，可以为这些纤维使用支架。
因此，文献GB 2 324 102描述了一种制备CMM元件的方法，所述元件具有对称的旋转轴。为此，在熔融金属的嬗变之前，将陶瓷纤维卷绕在心轴上。然而，该方法限于具有对称的旋转轴的部件，且部件的心轴被驱动旋转。这种心轴需被驱动旋转的方法，在制备大尺寸部件(例如喷气嘴)方面具有局限性。
而且，在纤维上的金属量，它们的间距以及最终的孔隙度都很难控制。由于纤维必须卷绕在心轴上，纤维的定向也得不到控制。然而，复合材料的很多机械性能都取决于纤维的定向。
因此需要一种允许生产灵活性的方法，该方法适于多种部件的几何形状，同时还满足航空结构要求，并且能够控制陶瓷纤维定向。
为此，本发明涉及一种通过含金属基质的复合材料制备部件的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
-在待制备的部件的预型件上，设置至少一个加强纤维的组件，其中，所述纤维被预涂覆有至少一种金属或者金属合金；
-将所述组件加热到足以使包围所述纤维的金属颗粒扩散的温度；
-冷却后，取下由所述预型件制成的部件，并取出所述预型件。
因此，通过在预型件上设置预涂覆过的纤维，能够通过含金属基质的复合材料来制备具有复杂形状的部件，同时精确地控制纤维的定向、以及它们之间的间距和分布。
而且，纤维被预涂覆，不同纤维的金属涂层可以容易地接触，这可以在热处理后获得更好的金属基质的均匀性，并且减少孔隙以及不存在金属区域的风险(这些风险是必须在随后的步骤中改善的)。
有利地，本方法包括对纤维进行预涂覆的步骤。例如可通过将纤维浸入所需的金属或者熔融合金的熔炉中来完成这种预涂覆。
有利地，本方法包括对位于模具和预型件之间的熔融金属进行压制的步骤。然而，由于可能会带来纤维的金属涂层之间接触紧密，能够确保金属在熔融后良好扩散的压应力会减小。
优选地，压制步骤在金属的扩散步骤过程中进行。
有利地，压制步骤通过预型件的热膨胀来完成，尤其通过替代了热等静压(HIC)的方式来完成。这样使得所需的压制作用力极大地减少。
根据各种可替代的或者补充的实施例，纤维的至少一部分采用至少一条编织带的形式，该编织带可包括颗粒加料。
有利地，预型件上设置有突刺，从而制备出一种表层——该表层由含穿孔的金属基质的复合材料制成。出于实际原因，成型可制得固体结构，随后再例如通过喷水，激光，冲制...来穿孔。
这些突刺尤其为可缩回的，或者可以为热可熔的或者化学可溶的。
可以用于纤维的材料的示例尤其包括碳化硅(SiC)，碳，铝，氮化硼(BN)。诸如硼纤维的金属纤维也是可用的。
金属基质例如可以由铝、钛、钢的合金或者超合金制成。
本发明的实施可通过以下给出的具体描述结合附图来理解，附图中：
-图1是预涂覆的纤维的横向剖视示意图，
-图2是预涂覆的纤维的布置的一个示例的示意图，
-图3是涡轮喷气发动机舱喷气嘴元件的预型件的示意图，根据本发明的方法，所述预型件覆盖有图1所示的预涂覆的纤维，此纤维按照图2中的示例布置。
根据本发明的方法，其用于通过含金属基质的复合材料来制备部件(例如，涡轮喷气发动机喷嘴或者喷嘴部件)。
根据该创新的方法，用来构成含金属基质的复合材料的加强补充的纤维1的组件被预涂覆了所需的金属合金或金属。
纤维1可以具有多种形式和多种材料。
上文中给出了纤维1的组成材料的示例。
纤维1例如可采用长纤维、编织垫，编织带以及加料的编织带的形式。
加强纤维1布置在成品的预型件2上。
长纤维1可通过卷绕定位在预型件2上。
短纤维或者编织带可通过堆叠位于预型件上。
通过将纤维浸入所需的金属或者合金的熔炉中来实现纤维1的涂覆。
涂覆过的纤维1因此被放置在预型件2上，通过能使金属元件熔融并扩散的热处理以确保成品结构的黏合。该操作在具有与预型件2互补的形状的模具中完成。
为了有利于接触并且确保金属基质的良好的扩散和均匀性，预型件2保持与模具接触抵靠并施加有压应力。
如上文所解释的，相对于现有技术，所需的压应力大大减少。由于预型件2自身的热膨胀该压应力因此有利地被施加。为此，预型件2可使用其热膨胀系数大于待形成的部件的金属基质的热膨胀系数的材料来制备。
根据部件和工具相关的几何形状和热特性来确定合适的压应力。
在某些情况下，可用压力来补偿具有差别的膨胀工具。
制备的部件的表层可以通过增加对其的配置来加强，即，其可以在复合金属基质材料的热处理过程中通过扩散或者铜焊来焊接。
为了制备有孔的表层，预型件2可设有突刺3，根据部件的几何形状，突刺3为可缩回的或者不可缩回的，涂覆好的纤维1可围绕预型件布置。根据纤维1的布置量，任意的摆放即能够满足在两排纤维1之间限定出没有纤维1的空间。
出于实际原因，部件的成型可形成固体表层，之后例如通过喷水，激光或者冲制来穿孔。
为了在制备后有利于取下预型件2上的部件，突刺3可以是可缩回的，或者是由热可熔的或者化学可溶的材料制成。
尽管本发明通过一个特定的实施例予以描述，显然本发明并不限于此实施例，其涵盖了所描述的方法的所有的技术上的等同物及其结合，这些都属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种通过含金属基质的复合材料制备部件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-在待制备的部件的预型件(2)上，设置至少一个加强纤维(1)的组件，其中，所述纤维被预涂覆有至少一种金属或者金属合金；
-将所述组件加热到足以使包围所述纤维的金属颗粒扩散的温度；
-冷却后，取下由所述预型件制成的部件，并取出所述预型件。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括对所述纤维(1)进行预涂覆的步骤。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括对位于模具和所述预型件(2)之间的熔融的金属进行压制的步骤。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压制步骤在所述热处理步骤的过程中进行。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述压制步骤通过所述预型件(2)的热膨胀来完成。
6.如权利要求中1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述纤维(1)的至少一部分采用至少一条编织带的形式。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述编织带包括颗粒加料。
8.如权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预型件(2)上设有突刺(3)，从而制备出一种由含穿孔的金属基质的复合材料制成的表层。
9.一种由含金属基质的复合材料制成的部件，其特征在于，所述部件使用如权利要求1-8中任一项所述的方法来获得。
10.如权利要求9所述的部件，其特征在于，所述部件为涡轮喷气发动机喷嘴的组成部分。
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