CN102770573B - 制造带有纤维形式内增强件的复合金属部件的方法,用于实施这种方法的坯件和由此而获得的金属部件 - Google Patents

Abstract

在通过将增强纤维嵌入件(14)压入金属本体或容器(10)内制造复合金属部件期间，压制所用气体可进入容器(10)内形成的腔室(12)内，所述腔室用来在覆盖的嵌入件(14)的盖子(16)和容器(10)之间安装嵌入件(14)。这种气体渗入会影响压制或降低压制性能以及嵌入件(14)纤维表皮之间和/或与腔室(12)的壁(10a)的扩散焊接。为了解决所述问题，本发明包括将盖子(16)预先焊接在容器上(10)。本发明包括通过升高或保持温度来进行等静压压制，而后热输送增压气体，并对装配件进行机加工，从而获得所述部件。温度升高阶段可调整，以便进行材料的扩散预焊接，该材料紧紧地将盖子压力调整壁(16a)和容器的压力调整壁(10a)连接到一起。本发明可用于设计抗拉伸和抗压缩的部件，诸如飞机起落架的部件。

Description

制造带有纤维形式内增强件的复合金属部件的方法,用于实施这种方法的坯件和由此而获得的金属部件

技术领域

本发明涉及采用内纤维增强件制造复合金属部件的方法，特别是陶瓷纤维，另外，本发明还涉及用于实施该方法技术的预成型件和由此而获得的复合金属部件。

本发明涉及到金属基复合材料(MMCs)领域。

为了降低金属部件的重量，同时仍能在拉伸和压缩方面提高其机械强度，通常人们建议在金属基内使用纤维，例如，碳纤维、芳族聚酸胺纤维(例如，Kevlar)或陶瓷纤维。陶瓷纤维，特别是碳化硅纤维，特别适合航空或航天领域所要求的高性能高温环境，或安全领域，例如，制动(采用陶瓷刹车)。

这些部件的制造涉及到用涂覆金属的纤维长丝预先生产嵌入件。这种金属特别具有弹性和处理其所必需的挠性。

背景技术

例如，正如专利文件FR 2 886 290中所描述的那样，制造这种增强部件的已知方法技术包括，围绕心轴缠绕涂覆纤维长丝而形成卷状。然后，将该纤维卷置入事项已加工好空腔的主金属本体或容器内，以形成嵌入件的壳体。空腔的深度要大于线卷的高度，其形状应该是可将盖子榫头插入其中。

盖子在真空下焊接到空腔周围，这样，在热等静压压制步骤期间得到密封，在压制步骤期间，盖子会变形，而线卷会被榫头压缩。

热等静压压制技术是将壳体内的部件置于大约1000巴高压下，同时，应用高温(大约1000℃)持续几个小时。

在这种处理期间，涂覆金属的纤维长丝之间的间隙会缓慢消失，通过散焊接，涂覆金属的纤维长丝的金属表皮焊接在一起，并焊接到空腔的壁上，从而形成由金属合金构成的密集组件，在该金属合金内，陶瓷纤维会伸展。由此而获得的部件而后可加工成所需要的形状。

该项方法可以制造轴对称的航空部件，诸如转子盘或整体叶盘(称之为blinsks)，也可制造非轴对称的部件，诸如连杆、轴、油缸促动器本体，以及外壳。

然而，在主体上加工空腔是很难进行的一项作业，特别是因为空腔底部底面和侧壁之间的圆角半径小。这种小圆角半径对于以尽可能小的间隙装配的嵌入件来讲是必需的，因为后者带有矩形横截面，是采用小半径的纤维长丝构成。盖子内对应榫头的加工也不是很容易，因为未突显的角度和因为形状必需与空腔良好匹配。

此外，当所制造的部件不是轴对称的，而是长方形时，且带有椭圆形状或直线部分，则很难实现与长方形部分的精确装配。而对于采用非常刚性的涂有金属的纤维长丝，诸如陶瓷纤维，制成的嵌入件来讲，难度更大，因为要求成型纤维妥善安装的壳体。而盖子则与空腔完全装配，以便纤维不会脱开。

因此，机加工通常为高成本的。特别是，带盖容器主体的加工则是部件总成本的实际一小部分。为了降低成本，简化步骤，申请者研究了一种制造方法，按照这种方法，空腔是将直线嵌入件与盖装在一起，其尺寸设置成可将盖子固定在该潜入件上。然后，通过冷却(例如，将其浸入到液化氮中)缩小盖子尺寸，采用冷缩装配作业对空腔进行密封，此后，盖子在空腔内膨胀，从而形成紧配合。于是，这种解决方案可生产出密封件，从而简化了空腔的形状。

2008年7月4日提交的专利申请FR 08/54589对该项技术进行了描述。

然而，在随后的热静压压制作业期间，这种解决方案的高风险是装有盖子和嵌入件的容器空腔的密封会丧失，其原因如下。

该项作业是将容器-嵌入件-盖子装配件置于温度-上升/压力-上升双重循环下。压力是通过压制用气态流体施加的，通常为氩气。

在温度上升的作用下，盖子和容器之间冷缩装配作业产生的应力会松弛。与此同时，容器外部的压力也会增加，压制气体渗入盖子和容器之间装有嵌入件的空腔内。这种渗入会影响压制或降低压制效果和嵌入件纤维长丝表皮彼此扩散焊接和/或焊接到空腔壁上。

发明内容

为了解决这个问题，本发明提出了在压制阶段之前将盖子预先焊接到容器上的处理方法。

更确切地说，本发明的一个目的是通过加入纤维内增强件来制造复合金属部件的方法，包括步骤如下：在金属体或容器上加工至少一个空腔的步骤，所述空腔用来置放相应形状的采用增强纤维制造的潜入件；在容器空腔内的嵌入件上使用盖子的步骤，所述盖子的壁压靠在对面容器的壁上；在所述容器-嵌入件-盖子装配件上进行热等静压压制循环的步骤；以及对所述装配件进行机加工，以便获得所述部件。然后，采用扩散预先焊接处理，继续进行将盖子压靠在容器上，在所述预焊接处理时，容器-嵌入件-盖子装配件的温度会升高并保持，从而将盖子紧紧固定到容器上。

在这些条件下，对等静压压制进行优化，不再要求使用特定焊接通过盖子对容器的外部封闭，从而降低了成本，与此同时仍能保证压制作业的质量，因为气体经由内部预焊接件而渗入到嵌入件内。

优选地，将预先处理纳入热等静压压制循环，在此循环期间，在只进行热第一阶段之后是外部热压制阶段。

根据具体实施方案：

-在预先焊接步骤之前，在盖子和容器的对面壁之间进行冷缩装配作业，从而在所述壁之间形成紧压缩配合。

-所述冷缩装配作业是指，在盖子插入到空腔内之前，对其进行冷却，以缩小其尺寸，然后，在回到室温时，让其膨胀，和/或在该温度上升期间，对容器进行加热，从而通过膨胀来增加其空腔的尺寸，而后再将盖子置入其内；以及

-在干冰或液态气体特别是液态氮中进行热淬火，来进行冷却。

另外，本发明的目的是在上述方法的温度上升阶段期间装配的金属部件的预成型件。该预成型件包括了金属本体或容器，增强纤维嵌入件与金属盖子一起置于容器内形成的空腔内，所述金属盖置放在所述空腔内嵌入件上并固定到所述容器上。

根据具体实施方案：

-空腔包括安装嵌入件的纵向第一主部件，和作为第一部件延伸部分的至少第二部件，所述盖子包括覆盖嵌入件的中央部分，和至少一个延长部分，所述延长部分的形状相当于空腔第二部分的形状，从而在至少两个不同平面上部分地覆盖了嵌入件。所述盖子从而形成了简单和易于实现几何形状的金属块。

-盖子包括在压制步骤时在盖子的主部分和至少一个延长部分之间的渐进变形区；

-嵌入件和空腔都是直线的，这样，在热处理阶段期间，盖子就会与容器一起精确地装配在空腔内，从而不会使纤维脱开；

-嵌入件的横截面选择为多边形的，特别是矩形、椭圆形或圆形；

-所述嵌入件是用纤维捆束在一起并涂覆金属而形成，特别是钛，从而在压制期间可方便扩散焊接；

-预成型件带有几个长方形空腔，其内装入相应形状的嵌入件，所述空腔沿直线部分布置，不论是否平行。这种布置可以形成多个纵向内加强部分，无需使用带有直线分支的伸展环形嵌入件，后者要求对空腔机加工进行调整，以便适合嵌入件的形状，这是一种技术要求高且繁重的作业。获得这种多种加强部分，不需要牺牲部件的强度，因为纤维主要是沿其纵向方向发挥作用。

下面通过详细的具说明性实施方案，并参照附图，本发明的其它特性和优点会显现出来。

附图说明

图1a至1c为根据本发明所述方法热处理三个主要步骤实施示例的横剖面视图；

图2a至图2b为根据本发明生产金属部件预成型件装配作业示例透视图；以及

图3为起落架连杆部件的透视图，所述部件使用了根据本发明的压制嵌入件。

具体实施方式

在本说明书中，“上”和“下”的位置位术语表示物体相对于地球重力方向的的位置。

参照图1a所示剖面图，所示金属本体或容器10---例如---用来形成一个起落架连杆。从容器10上端面Fs处，已经加工了空腔12。空腔底部装有嵌入件14，而空腔上部装有盖子16，盖子覆盖了嵌入件。

在图1a所示示例中，考虑到下面所述的等静压压制成型阶段的材料补偿原因，盖子16从容器10的上端面F_s伸出。

考虑到技术约束条件的原因，空腔12、嵌入件14和盖子16都是互补形并加工成在其之间无间隙或间隙尽可能的最小。特别是，盖子16和容器10的壁16a和10a提前通过压力而彼此抵靠。

有利的是，通过在液态氮中对盖子进行预先冷却而在盖子和容器的相对的壁之间进行冷缩装配作业。然后，盖子会从所有方向收缩，并固定在空腔内的嵌入件上。在随后预焊接阶段期间，随着温度的上升，当受热时，盖子会在所有方向膨胀，盖子和容器的相对的壁会彼此压靠在一起，形成紧配合。

然后，在合适的外壳(图中未示)内进行热扩散预焊接循环，所述外壳能够随后进行等静压压制成型。该循环的温度上升和持续时间选择适合使容器金属扩散。计算事先进行的增压情况，以便在该温度上升期间，使应力充分松弛。

在该示例中，金属为钛合金，焊接温度在850到1000℃之间。对于钛合金，温度保持时间至少30分钟。这种预先焊接完全或至少部分地将盖子固定到容器上。有利的是，容器和盖子都是采用同一金属制成，即示例中的钛合金。在这种紧固处理之后，容器10和盖子16在纤维嵌入件14周围就形成了一个整体，如图1b所示，盖子依然伸出16s上端面F_c。

然后，进行热等静压压制作业，如图1c所示。在垂直于容器的所有面上施加压力(箭头F)，使得盖子倒塌。注入的增压气体和温度分别可达1000巴和1000℃，可使嵌入件14基体金属占据构成嵌入件的涂层长丝之间的空间。

提前计算盖子的尺寸，这样，在增压期间，盖子16上表面16s就会与容器10上端面F_s齐平，即嵌入件的体积缩小大约15到20％。在方法结束时，容器、盖子和纤维都被压缩，如图1c交叉阴影线所示的收缩体积18和19所示。

这样，通过在金属基体内压制纤维长丝而使得部件坯件的强度加强。最后的机加工作业可获得期望形状的部件。

图2a和2b所示透视图具体示出了生产预成型件20的各个部件的装配。这些部件由长方形的容器10、直线嵌入件14和块状盖子16构成，所述容器为长方形，带有空腔，后者同样也呈长方形，

加工好的空腔12为直线形，带有平的底部和垂直于底部的壁。底部与壁相连接的表面为弯度半径较小，可使嵌入件14装配间隙尽可能小。空腔带有中央部分12c和两个环形端部12e和12e’，在中央部分两侧构成纵向延伸段。

中央部分12c用来安装直线嵌入件14。嵌入件是从涂有金属的陶瓷纤维的装配件制成，所述金属为所示示例中的钛。

盖子16的形状是这样的，即当其置于其壳体内时，其围绕嵌入件14。盖子16带有整体块形状，尺寸尽可能调整到与空腔12尺寸接近，中央部分16c和端部16e和16e’构成了中央部分的纵向延伸段。端部使盖子在其上端面F_i和其端面F_e和_e’上---即在三个不同平面上---将嵌入件包围。

盖子端部16e和16e’的高度H对应于其中央部分16c的高度16h加上嵌入件14的高度，稍大于空腔12的深度。盖子的端部16e和16e’分别带有斜面16p和16p’，在嵌入件一侧的空腔的底部留出空间。这些面构成自由空间，方便了压制期间盖子的变形。

在该示例中，在将盖子固定到容器上以获得预成型件20的步骤之前，先进行冷缩装配作业。为此，盖子12的温度突然降低，使得其在所有方向都收缩。这样做的一个简单方法就是将其浸入到液态氮中。那么，盖子在冷却后，就很容易地置于空腔内。一旦膨胀，盖子会紧紧贴在容器的侧壁上。

静等压压制外壳(图中未示)传统上包括在很宽的温度范围(可以达到1000℃以上)内调节加热的装置、建立真空的装置，和施加1000巴以上的高压的装置。

扩散焊接循环的温度是将构成容器和盖子的金属(此处是指钛合金)进行传统焊接的温度。

有利的是，热处理---特别是预焊接---阶段在压制安装的时候进行。为此，预焊接和压制是连续相关的作业。

盖子16的上端面在增压到1000巴时开始下沉，从而完成预成型件20的热等静压压制。

更确切地说，嵌入件是从涂覆有钛合金的一束纤维构成。由于处理作业引起该嵌入件的体积缩小和密度化，盖子会以活塞的方式向下进入空腔内。由斜面16e和16e’构成的过渡区使盖子变形，不会出现那些会对盖子带来任何损伤的剪切力。由此而获得的坯件可以进行机加工，以生产出所需要的金属部件。

本发明并不仅限于上面所述和所示的实施示例。

所属领域技术人员有能力通过任何方式将盖子压到容器上：采用簧片、机械隔片等。

根据需要加工的部件类型，必须使用若干个嵌入件，而这些嵌入件与需要增强的部件结构相匹配。

为此，在图3所示的连杆部件30中，在加工孔34，35，35’和36之前，采用本发明所述方法，在每个非平行的支腿33和33’的每个直线部分31和31’压制嵌入件。嵌入件确保拉伸载荷和压缩载荷转移。

本发明的方法可以在这些条件下生产任何部件，所述部件在其纵向部分使用了一个或多个嵌入件。

此外，盖子的形状也可以变化，部分或全部围绕在嵌入件的周围。在这个情况下，通过提供(例如)贯通空腔，可用几个盖子布置在嵌入件周围，所述嵌入件置于空腔中间，而两个盖子则置于在容器两个相对端面处的嵌入件的两侧。

Claims (10)

1.一种通过并入包括增强纤维的嵌入件(14)来制造复合金属部件(30)的方法，包括在金属本体或容器(10)内加工至少一个用于容纳对应形状的包括增强纤维的嵌入件(14)的空腔(12)的步骤；和在该容器的空腔(12)内的嵌入件(14)上使用盖子(16)的步骤，所述盖子的壁(16a)压靠在对面容器的壁(10a)上；在这样的容器-嵌入件-盖子组件上进行热等静压压制循环的步骤；以及加工所述组件以获得所述部件(30)的步骤，其特征在于，其包括首先向盖子和容器施加压力的步骤，随后进行扩散预焊接热处理的步骤，随后进行热等静压压制循环的步骤，其中容器-嵌入件-盖子组件的温度会升高和保持，从而将盖子(16)固定到容器(10)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预焊接步骤之前，在盖子(16)和容器(10)的面对的壁(16a,10a)之间进行冷缩装配操作，从而在所述壁之间形成紧压缩配合。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，冷缩装配操作是在盖子(16)插入到空腔内之前，对盖子进行冷却，以缩小其尺寸，然后，在回到室温时，让其膨胀，和/或在该温度上升期间，对容器(10)进行加热，从而通过膨胀来增加其空腔(12)的尺寸，而后再将盖子(16)置入其内。

4.一种在根据上述权利要求中任何一项所述的方法的温度升高过程中所组装的金属部件的预成型件，其特征在于，该预成型件(20)包括金属本体或容器(10)，所述嵌入件(14)连同该盖子(16)一起置于在容器(10)内形成的空腔(12)内，所述盖子(16)放置在所述空腔内的嵌入件(14)上，并固定到所述容器(10)上。

5.根据权利要求4所述的预成型件，其特征在于，空腔(12)包括一容纳嵌入件(14)的纵向的第一主部分(12c)，和作为该第一部分的延伸段的至少一第二部分(12e,12e')，所述盖子包括覆盖该嵌入件(14)的中央部分(16c)，和至少一个延长段(16e,16e')，所述延长段的形状对应于空腔(12)的第二部分(12e,12e')，从而在至少两个不同平面上部分地覆盖该嵌入件(14)。

6.根据权利要求5所述的预成型件，其特征在于，所述盖子包括在该中央部分(16c)和至少一个延长段(16e,16e')之间的一渐进的变形区(16p,16p')。

7.根据权利要求4所述的预成型件，其特征在于，所述嵌入件(14)和空腔(12)都是直线的。

8.根据权利要求7所述的预成型件，其特征在于，所述嵌入件(14)的横截面选择为多边形、椭圆形或圆形。

9.根据权利要求4所述的预成型件，其特征在于，该嵌入件(14)是由捆扎在一起并涂覆有金属的纤维所形成的。

10.一种通过采用权利要求1到3中任何一项所述的方法由权利要求4到9中任何一项所述的预成型件(20)所制造的复合金属部件(30)，其特征在于，该部件具有至少一个细长形的空腔(12)，所述空腔并入对应形状的一个或多个嵌入件(14)，并沿一个或多个直线部分设置。