CN102459681A - 制造包括纤维环形增强物的金属部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过包括复合材料的线圈来增强轴对称环形金属部件的方法。根据本发明，所述方法包括以下步骤：制备用于所述部件的环形金属坯体(11)；在所述坯体内部形成腔体(14)，所述腔体敞开至同轴内表面并且具有正剖面，所述正剖面的轴向延伸沿内侧向外侧延伸方向而减小；以及在所述腔体内缠绕增强纱线(21)；将所述腔体封闭；然后对所述组件执行热均衡压缩处理；以及对所述坯体进行加工以获得成品部件。

Description

制造包括纤维环形增强物的金属部件的方法
技术领域
本发明涉及呈现环形部分的金属部件，该环形部分包含有呈嵌入金属基中的复合材料的线圈形式的纤维同轴环形增强物。更具体地说，本发明涉及制造这种强度得到改善的部件的方法。本发明还提供包括这种同轴环形增强物的金属部件。
背景技术
已知通过在金属块体中置入诸如陶瓷纤维之类的复合材料纤维而减少环形金属部件的重量并同时确保其在切向压缩力或牵引力方面具有非常大的强度。举例而言，陶瓷可以是与诸如钛之类的金属相比压缩力或牵引力强度更大的碳化硅的纱线。
为了获得这种部件，可以在用于该部件的坯体内侧缠绕涂敷有金属的陶瓷纱线。例如，文献FR 2 886 290提出直接在坯体的用作缠绕心轴的部分上进行缠绕的方法。这是是完全传统的“外部”缠绕。更精确地说，该部分包括两个肩部。径向内肩部形成了用于缠绕的横向支撑表面。相邻圆筒部分形成了进行缠绕的基表面。在正剖面中，线圈的形状呈矩形。在缠绕之后，坯体具有额外施加的金属部分，尤其是外部环以及呈现为与线圈接触的凸榫的横向盖。然后对组件执行热均衡压缩步骤，在这个步骤中，特别是盖变形使得线圈受凸榫压缩。热均衡压缩操作是一种已知的工艺，其包括将上述组件放置在箱体中并且使组件处于1000巴量级的高压和1000℃量级的温度的环境中达几个小时。在该操作之后，对现在呈单个块体形式的部件进行加工，使之具有期望形状和尺寸。通常，坯体的各个部分和陶瓷纱线的护套用相同的金属制成从而使得成品部件具有置入相同金属基体中的缠绕复合嵌件。
被线圈增强的区域的正剖面大致为矩形。为了减小部件的重要并且增加其在切向上的牵引力/压缩力强度，期望被完全由金属制成的部分包围的增强区域占据尽可能大的体积。
由于施加至部件上的力的方向，这种具有矩形正剖面嵌件的布置方式并不能令人完全满意。虽然纤维在切向上的牵引力和压缩力强度都很良好，但是在沿着跨越纤维的延伸方向上施加力时比纯金属纤维的强度比纯金属小。例如，在以这种方式制造的环形部件是与诸如涡轮盘(尤其是飞机涡轮喷气发动机)之类的叶片配合的旋转部件的情况下更是如此。受到横向力作用的另一部件是与起落架机构的致动器连接的“旋转”套筒。
在部件具有正剖面为矩形的线圈的情况下，可能在增强区域的外侧部分中出现破损。
本发明的思想是在容纳线匝的区域和周边之间沿横向在所述径向外侧区域内建立纯金属“渐进”区域。根据本发明，这使得至少在轴对称部件的径向外侧区域以轴向延伸的正剖面上随着径向向外延伸而减小的方式形成线圈。
例如，正剖面的至少在径向最外部分上呈梯形或三角形的缠绕部分适于满足上述问题的要求。还可以设想半波形状，只要纯金属的比例沿着朝向部件的外侧延伸的径向增大即可，其它方面保持不变。
然后，另外一个困难在于如何制造该部件，这是因为难以设想出上述“外部”线圈。本发明还提出了一种用于这种被称为“外部”线圈的缠绕新方法。
发明内容
更具体来讲，本发明提供了一种制造轴对准环形金属部件的方法，所述金属部件通过在内部包括采用复合材料线圈形式的同轴环形增强物而得到增强，所述方法包括如下步骤：
为所述部件制备环形金属坯体；
制造或完成腔体，所述腔体敞开至所述坯体的同轴内表面，并且所述腔体具有正剖面，所述正剖面的轴向延伸在高度的至少一部分上沿径向向外方向而减小；以及
在所述腔体内缠绕增强纱线，以用线圈基本上填充腔体内的所有空间；
用金属壁部件将所述腔体封闭；
对所述组件进行热均衡压缩处理；以及
对所述坯体进行加工以获得所述部件的最终形状。
术语“正剖面”用于指定包括所关注的轴对称部件轴线的平面的剖面，更精确地说包括具有上述定义的坯体轴线。
根据有利的特征，所述增强纱线由套在金属中的陶瓷芯构成。
以这样的方式来获得的线圈的形状，即主要是容纳陶瓷纤维的区域的形状，使得可以在所述区域沿径向朝向的外侧以及所述区域的任一侧保留更大质量的纯金属(例如钛)，从而使得大致径向力“逐渐”沿使力越来越变成沿切向取向的力的方向传递至纤维中。
可以使通过借助金属护套将预定数量的匝焊接在一起的焊接来固定线圈。
为了执行所谓的“内部”缠绕，通过将所述纱线的端部紧固至所述腔体的底部而开始缠绕所述增强纱线，并且通过使坯体围绕轴线旋转，并同时以相对于坯体的转速受控制的速度馈送所述纱线而继续进行缠绕。
有利地，以如下速度馈送所述纱线：使其沿旋转方向将力施加在所述坯体上。
附图说明
根据下文为说明制造同轴线圈增强的轴对称环形金属部件的方法所进行的描述，可以更清楚地理解本发明及其优点，该方法仅仅以示例的方式给出并且参考附图来进行说明，其中：
图1、图2、图3A和图4至图6是制造缠绕增强纱线而得到增强的轴对称环形金属部件的方法中的各个步骤的正剖面图；
图3B示出了图3A阶段的局部透视图；以及
图7示出了以这种方式获得的部件。
具体实施方式
下文参考附图，对能够用(例如由钛制成)金属坯体11制成的诸如转子盘之类的环形部件的方法进行说明，该坯体本身呈环形轴对称形状并且具有如图1所示的矩形正剖面。坯体的旋转轴线标记为X。
当然，根据成品部件期望获得的形状，该剖面可以具有不同的形状。
该坯体具有同轴内表面12，在该实例中该内表面是圆筒形的。
其目的是减轻成品部件的重量并且提高成品部件的机械强度。
在制备该坯体之后，后续步骤(见图2)包括例如通过加工而在坯体的块体中形成敞开腔体14，该腔体朝向所述同轴内表面12敞开。举例而言，可以使坯体围绕轴线旋转并且可以使切割工具经由所述坯体的可接触中部插入。移除材料直到获得朝向坯体的所述同轴内表面敞开的环形腔体为止。应该观察到，还可以从已经中空的坯体开始，然后加工操作可以只包括完成腔体以使其具有期望的形状和尺寸。
根据一项重要特征，腔体14的正剖面的轴向延伸在其高度的至少一部分上随着径向向外方向减小。在所示的实例中，腔体呈现(在正剖面中并且在从内侧朝向外侧的径向上)矩形形状15，该矩形形状15延伸出梯形形状16。腔体的该第二部分可以呈三角形形状或者可以具有轴向延伸(与轴线X平行)随着从内侧向外侧方向减小的任何其它形状。与在腔体的正剖面呈矩形的情况下所获得的形状相比，这使得在用虚线标记的横向区域17和18中保留有纯金属。
后续操作包括在原位缠绕增强纱线21，此处增强纱线21为涂敷有金属的陶瓷纱(碳化硅)。该金属是钛，即与构成坯体的金属相同。如图3A所示，该操作通过如下步骤来执行：经由腔体的开口插入纱线并且从腔体的圆筒底部23以在相邻匝处铺设纱线、然后在接续的各线匝层上铺设纱线直到腔体的整个空间被相接触的各线匝25构成的线圈所填充。
出于缠绕目的，可以以如下方式进行。借助刚性管状引导件27馈送纱线，该引导件27可以与轴线X平行(为了形成层)沿径向向内(为了形成后面的接续层)地以受控方式移动。引导件27如图3A和图3B所示呈尖角，即其端部27A相对于缠绕各线匝的周向呈小角度。
纱线21的缠绕通过如下步骤来执行：将纱线的一端紧固(通过焊接)至腔体的圆筒底壁23的轴向端部，并且使坯体11围绕轴线X旋转，以相对于坯体的转速受控的速度馈送纱线。举例而言，考虑到坯体的转速和缠绕的各线匝层的直径，可以连续地调整输送纱线21的速度从而使得其速度总是大致等于缠绕速度。
还可以提供馈送纱线的速度从而纱线将力沿坯体的旋转方向施加至坯体。例如，可以用具有电动机驱动旋转轮(未示出)的驱动系统以所述纱线在引导件27的出口处以及在线圈中所处的位置点被稍微挤压的方式将纱线21推入引导件27内，电动机驱动旋转轮能够提供纵向滑动。甚至可以设想坯体11安装成能自由旋转，用施加在纱线本身上的力来在绕线期间驱动坯体旋转。
为了避免线圈膨胀，借助于焊接点或焊接线将一些匝的金属护套结合在一起而使各圈在绕线期间固定在预定间隔。
以已知的方式，焊接可以是在真空或氩气惰性环境中的电弧焊接或感应焊接。可以使用如FR 2 886 290中描述的焊接工艺。
根据图4，后续操作包括将被线圈25填充的腔体14封闭。例如，将金属圆筒环形壁30，此处为钛壁，放在合适位置与腔体的开口对准。该壁的轴向延伸与开口相同从而当应用热均衡压缩时，能够通过沿径向向外变形而穿入腔体中，同时压缩线圈本身。圆筒环形壁30的尺寸可以定为其直径比坯体的中心开口的直径稍大，将环形壁在被放至合适位置之前冷却至低温(例如浸泡在液氮中)。因此，即使在开始热均衡压缩操作开始之前，环形壁30也能接合到腔体中并开始压缩线圈。
优选地，封闭所述腔体包括将其抽真空并用焊接金属箔32将其气密地密封。该金属箔在热均衡压缩操作之前焊接在腔体开口的任一侧。
然后，例如通过在将温度升至1000巴并使温度到达约1000℃时将坯体(如图4所示的变型)放入箱体几个小时来执行合适的热均衡压缩操作。
结果如图5所示。可以看出，环形壁30与金属箔32一起接合在腔体内。该组件现在形成单件块体，其体积的大部分被嵌入金属基体中的高强度陶瓷纱线圈占据，金属基体是将在缠绕期间使用的纱线的金属护套熔融后产生的。
然后，执行一系列加工操作(图6)以便对经热均衡压缩操作而变形的坯体进行转换，来限定期望部件的轮廓35(如图6中的点划线所示)。如图7所示的成品部件36包括纯金属外侧横向区域17a、18a，这些区域在局部地限制会促使破损的强度非连续性的同时提高部件的横向机械强度。这些“改进”区域具有如下效果：使力由于剪力作用而逐渐进入纤维增强物(线圈)中以将力转换成周向牵引/压缩，从而使具有线圈的区域的强度得到优化。

Claims (6)

1.一种制造轴对准环形金属部件的方法，所述金属部件通过在内部包括复合材料线圈形式的同轴环形增强物而得到增强，所述方法包括如下步骤：
为所述部件制备环形金属坯体(11)；
制造或完成腔体(14)，所述腔体敞开至所述坯体的同轴内表面，并且所述腔体具有正剖面，所述正剖面的轴向延伸在高度的至少一部分上沿径向向外方向而减小；以及
在所述腔体内缠绕增强纱线(21)，以用线圈基本上填充所述腔体内的所有空间，
所述方法的特征在于还包括如下步骤：
通过将金属圆筒壁(30)放至合适位置，以与所述腔体的开口对准来将所述腔体封闭；然后
对构成的组件执行热均衡压缩处理；以及
对所述坯体进行加工以获得所述部件的最终形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强纱线(21)由套在金属中的诸如陶瓷之类的复合材料芯部构成，并且通过将预定数量的匝的金属护套焊接在一起来稳定由此形成的线圈。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述增强纱线的缠绕通过将所述纱线的一端固定至所述腔体的底部(23)而开始，并且通过在以相对于所述坯体的转速受控的速度馈送所述纱线的同时使所述坯体围绕轴线(X)旋转来继续缠绕。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以预定速度馈送所述纱线(21)，从而沿所述坯体的旋转方向将力施加在所述坯体上。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述敞开的腔体的形状，使所述腔体的剖面在至少部分上为三角形或梯形(16)，至少在径向最外侧部分上为三角形或梯形(16)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述腔体封闭的步骤包括：对所述腔体抽真空，并且用金属箔(32)将所述腔体气密地密封，在执行热均衡压缩操作之前将所述金属箔(32)焊接到所述腔体的开口的任一侧。
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