CN103167919A - 制造金属基复合材料细长形嵌件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造细长型嵌件的方法，该嵌件采用CIC方法置入金属容器内，包括结合在一起的涂层纱，所述涂层纱采用金属涂覆的陶瓷纤维构成。所述方法的特征在于，其以纱束形式并排置放涂层纱，将纤维束穿过成形部件，从而横向压制而成，与此同时使其成形，从而带有预定的横截面。本发明还涉及到制造金属部件，所述金属部件装有采用CIC技术的纤维嵌件。

Description

制造金属基复合材料细长形嵌件的方法

技术领域

本发明涉及金属基复合材料领域，特别涉及由金属基陶瓷纤维构成的嵌件的制造方法，用于增强金属部件。

背景技术

特别是在航空领域，人们一直以来都在优化部件强度，以降低重量，减小噪声影响区(footprint)。目前，一些部件可以使用金属基复合材料制成的嵌件，称之为CMM，这种部件还可以是整体的。这种复合材料包括金属合金基底，例如，钛合金Ti，纤维在其中延伸，例如，碳化硅陶瓷纤维。这种纤维的抗拉强度明显大于钛(通常为4000MPa，而钛则为1000MPa)。因此，正是纤维在吸收各种力，金属合金基底起着与部件其它部分的胶合作用，并起着保护和隔离纤维的作用，因为纤维之间彼此决不可以接触。此外，陶瓷纤维抗腐蚀，但却必须用金属来增强。

在轮盘、轴、筒体、箱体、支架制造时都可以使用这些复合材料，诸如叶片这种整体件的增强等。

例如，对于涡轮喷气发动机中使用的压气机轮盘，已知的增强技术是在部件中嵌入环向缠绕的涂层纤维。正如以Snecma名义提交的专利申请中所介绍的，制造金属基复合材料嵌件的一种技术依靠缠绕涂层纱的原理。所述嵌件可从多种涂层纱中获得，每种纱包括采用金属护套覆盖的陶瓷纤维。这种类型的纱以下称之为涂层纱。制造步骤包括围绕垂直于部件轴线旋转的部件缠绕一束或固定层的涂层纱。然后，将嵌件置于容器内进行热等静压处理。容器为金属部件坯材，里面加工有腔室，用来安放复合金属基材料制成的嵌件，然后再置于热等静压处理。这种处理以下称之为CIC。

由此而获得的所述部件为圆形，不仅特别适合于压气机轮盘，而且适合生产圆形部件，如轴、筒体或箱体。

其它机械部件要求的特性不同于圆形部件所呈现的特性。特别是，例如，连接杆的情况用在着陆系统中的连杆或发动机悬挂系统这样的结构部件，主要都是长方形状。这些部件的作用都是传递单向牵引力和/或压缩力。那么，这些部件的增强件都要求复合材料金属基制成的嵌件至少部分地呈为直线或大体直线形状。具体来讲，纤维的走向必须为各种力的方向。

采用工业方式和最低成本制作这些嵌件是非常困难的。

已知制造机械部件的方法包括至少一个采用复合材料金属基制成的嵌件。所述方法包括围绕环形支架缠绕一束或结合层的涂层纱来制造嵌件坯料，所述环形支架的一部分呈现直线或大体直线截面。

以Snecma和Messier-Dowty名义申请的专利FR 2.919.284所介绍的方法发展了这一原理，包括在第一金属容器内使用嵌入坯料，对第一容器进行热等静压，以及随后对其机加工，目的是形成嵌件。在该嵌件制成后，制造机械部件的方法包括如下步骤：将嵌件插入第二容器内，对第二容器进行热等静压处理，和对第二容器进行机加工，从而形成所需机械部件。由此而获得的机械部件，例如，连接杆，可以沿置入其内的陶瓷纤维的方向传输单向牵引力和/或压缩力。

在对嵌入坯料切割成直线嵌件之后，不是对嵌入坯料进行中间步骤的压制，而是设想，将构成坯件的环形圈进行切割，同时保持涂层纱为束状。专利申请FR2.925.896介绍了将这种纱束置入直线槽内，所述直线槽在其端部向外打开。

这种解决方案存在几个缺陷，这些缺陷对实现这些作业的工业化会产生影响：

涂层纱在非直线部分会丢失。这种丢失不可不引起重视，因为半成品的涂层纱在部件的整个成本中占有相当大的比例。

缠绕，特别是在椭圆形状上的缠绕，会在所缠绕的嵌件上诱导应力，这会构成风险，在切割时会导致嵌件的变形。

这些技术要求增加系统的数量，以保持涂层纱与切割区域相一致。

此外，缠绕一层预先装配好的涂层纱的基于线圈的技术，主要针对生产带有垂直于纤维的截面的嵌件，这种截面为方形或长方形。

对于某些用途来讲，期望嵌件的截面不是方形或长方形，目的是改进复合材料嵌件和部件结构其余部分之间的力的吸收。具体来讲，截面---例如，梯形或椭圆形---的增强件可以防止或至少限制刚性突然改变，从而改进过渡区的机械强度。

例如，对于诸如起落架这样的长方形部件来讲，或悬挂发动机的连接杆，在其端部之间包括侧向固定件，这是一种增强件，其中，沿固定到该固定件上的部件的边缘，纤维数量较少，可以实现各种力在该固定点上的良好过渡。

发明内容

本发明的目的是完善生产嵌件的技术，所述技术可降低成本，且容易实现产业化。

本发明的另一个目标是制造技术，可生产出所需形状的嵌件，也就是说，嵌件的横截面可以不同于方形或长方形。

采用CIC方法将细长形嵌件置入金属容器内，这种制造方法可以实现上述目的，包括将图层纱捆扎在一起，所述涂层纱采用金属涂层陶瓷纤维构成，其特征在于，其包括将图层纱以纱束形式并排置放的步骤，所述纱束由多层涂层纱构成，还在于将所述涂层纱束穿过成形部件，从而横向对其进行压制，与此同时，通过成形部件，使其形状具有预定的横截面，特征还在于，在成型部件的下游，用金属条带横向紧固纱束。

优选地，所述纱束的形状来自未从纱线轴上展开的涂层纱。

在穿过成形部件之前，纱束带有间隙空间，这是因为涂层纱的圆形截面所致。成形部件的尺寸是规定的，以便减少纱的展开和间隙空间，与此同时，赋予纱束所需形状。产业化和纱束形状的问题从而很容易地解决了。成形部件的通道横截面可以根据横向平面嵌件所要求的形状随意选择。

根据一个实施例，成形部件包括至少两个旋转辊子，这两个辊子的轴线垂直于涂层纱运行方向。为了完成外形，成形部件一般包括固定在两个辊子之间的侧向支架。成形部件还可以包括多个辊子，以构成了通道横截面的外形。辊子的作用就是降低作用在涂层纱束上的摩擦，同时随该运动一起移动。根据纤维摩擦降低的程度，还可适当选择使用固定件。

为此可以设计成形部件的形状，成形部件的通道横截面为多边形，其各个边为直线或曲线或其它椭圆或圆横截面。

为了缓解纤维引向成形部件并随后将其保持在纱束内，一种金属板，又称之为箔，可方便地置于涂层纱束和成形部件各边至少一部分之间。

涂层纱组件可以通过辊环或环来保持，这些辊环或环沿其穿过成形部件下游的嵌件来置放。这些环是由—例如—金属板来构成，形成了条带，纱束通过该条带而被紧紧包围，而且，条带端部可以在其彼此折叠之后焊接在一起。

然后，将涂层纱束切割成所需长度，相当于将要置放到金属容器内的嵌件长度。为了防止嵌件端部涂层纱的扩散，造成难以操作嵌件并将其置入容器，所以明智的做法是，对穿过夹紧环的纱束锯掉，因为所获得的环的部分置放在端部，可夹紧纱束。

根据本方法的一个实施例，在涂层纱结合为纱束前，涂层纱在其运行时被导向成形部件，从而形成分组件或初级纱束。这些可以是彼此重叠的纱层，从而形成所述纱束。同时从不同线轴上展开分组件涂层纱，可以形成初级纱束。例如，由此可以构成直线涂层纱层堆，采用平整并置预定数量的涂层纱直至获得预定数量的层数。更具体地说，第一层置放在支撑表面，特别是包括金属板，最后一层通过成形部件重叠。不同于层数，初级纱束可以带有任何横截面形状。

根据另一个实施例，涂层纱在多个导块、管道或管子集成初级纱束，从而在成形部件的通道横截面上汇合。

本发明所述方法为制造金属部件的方法步骤，包括置入嵌件，和在金属容器内进行热等静压处理所述组件，例如，如以Messier Dowty名义申请的发明专利FR2933422或FR2933423所介绍的那样。

根据这种方法，

-在形成容器的金属体上加工至少一个用于嵌件的腔室，

-将所述嵌件置入腔室内，

-将金属盖放在金属体上，以便覆盖嵌件，

-将盖焊接到金属体上，

-采用热等静压技术焊接带盖的金属体组件，以及

-加工所述经过处理的组件以便获得所述部件。

本发明的解决方案可以将嵌件置入成形部件紧下游的容器内。例如，该容器可以包括纵向穿过腔室，涂层纱束滑入腔室内。在本示例下，可以使用固定环或甚至使用纵向箔。

本发明还涉及到细长形状的部分，包括沿纵向的至少一个纤维增强件，所述部件根据前面方法可获得，增强件的截面形状不是长方形或方形，而是诸如梯形或椭圆形。

下面通过详细的解释性描述本发明实施例，可以更好地理解本发明，本发明的其它目的、细节、特性和优点会更清楚地显现出来，所述实施例以纯粹说明性而非限定性示例给出，

附图说明

图1示出了根据现有技术制造细长形部件的各个步骤1a到1d；

图2示出了根据本发明的制造直线嵌件的装置侧面图；

图3示出了图2所示装置的正面图；

图4示出了根据本发明制造的嵌件

图5示出了不同的成形模。

具体实施方式

图1a所示摘自以Snecma和Messier-Dowty名义提交的专利申请，该图示出了细长形主体4的容器1，如用来成形起落架连杆。在本体4两个面上各加工了沟槽41。该沟槽可以安装嵌件3，嵌件包括两个直线部分，这两个部分可以--也可以不--彼此平行，通过圆弧形部分在端部连接在一起。嵌件为陶瓷纤维类型，涂有诸如钛的金属。

沟槽和嵌件为匹配形状，这样，嵌件就可以无间隙地装入沟槽。注意，容器内的沟槽和盖上的榫舌必须妥善装配，以防止纤维(直径很小，约0.25mm)在热等静压处理期间脱出。两个盖5上带有突出部分，形成榫舌51，盖用来覆盖本体4的两面。榫舌座落在沟槽内的嵌件上并插入嵌件内。盖5采用--例如--电子束焊接到本体4上，确保容器内真空。

图1b为该容器的局部剖面图，目的是能够看到里面的嵌件。然后，将容器置放在相应的箱体内，在其中进行热等静压处理。这项处理的目的是将容器、盖和各层涂层纱彼此牢牢固定，以形成整体部件。图1c所示容器横截面说明，沟槽41的边缘42成斜角，以便与榫舌51附近的盖5之间留出间隙。在热等静压作业期间，沿垂直于盖表面的方向施加压力，使盖倒塌。

加热大约1000℃和加压至1000巴，可使得基体金属填充在构成嵌件的涂层纱之间的空间。嵌件的容积降低大约23％。于是，沿沟槽底部方向移动榫舌，榫舌两边的间隙被吸收。在这个过程结束时，金属部分通过扩散而焊接到一起，并将涂层纱嵌件压缩；这样，该部件通过滞留在实心块内的涂层纱而得到增强。

图1d示出了通过两个嵌件而获得的部件的坯件，可以清楚地看到两个嵌件。然后，将坯件进行加工，获得所需要的部件。这样，陶瓷纤维便被置入到部件的传输拉力和压缩力各个区域内。

根据该专利FR 2 919 283的理念所使用的嵌件为环形，但是，正如专利申请FR2919284中所介绍的，这些嵌件可以是细长棒形部件。在后一种情况下，嵌件在事先压制后根据该文件中所介绍的技术而置入容器内。

根据专利FR 2 919 284生产直线嵌件，包括在带有直线部分的环形卷取装置周围缠绕涂层纱。该形状可以是带直线部分的长形，或是多边形，其中多边形的各个边为直线部分。

在辊环上缠绕涂层纱成形后，辊环的圈数通过焊接的金属带而相对于彼此保持不动。将组件置入容器内，根据上述技术进行热等静压处理。从半加工的部件上，加工出细长形压制嵌件，而后逐个放入容器内，以便制造出带有陶瓷纤维增强件的部件。

根据本发明，嵌件的生产通过成形细长形嵌件而得到简化，所述嵌件直接包括成束或成捆装配在一起的涂层纱13。

参照图2，实施本发明方法典型装置包括支撑多排线轴12的卷盘10，涂层纱13就缠绕在该线轴12上。将涂层纱从其各个线轴上拉入贯通滑道14的系统内，在这里会聚。所述系统使得涂层纱成为纱束。在这个阶段，纱束相对展开。涂层纱可方便地置放在多个分组件或多层并置涂层纱内，这些涂层纱彼此平行。

箔或金属板16很薄，置放在沟槽14形式的工具的底部。箔的金属优选与嵌件的金属部件相同。例如，钛合金。

涂层纱落座在下面的金属箔16上。例如，它们按层彼此堆积在一起。层的宽度、各层涂层纱的数量从底部到上层互不相同。例如，纱束的横截面可为梯形。金属箔15置放在涂层纱层堆的顶部。

各层的纱数不是限定的；而是取决于拟制造的部件；附图只是给出说明；纱的直径与沟槽的直径比例也不相同。涂层纱各层之间并置，不会松动，或者纱与纱之间的松动很小。在这个阶段，涂层纱不会承受横向应力。

也可以将由初级纱束构成的分组件内的纱一起置于单一纱束13f内，而不是采用分层的办法。

这样，涂层纱束13f穿过成形部件17，在这里，进行横向压缩。在这种情况下，成形部件包括带水平轴线的两个辊子17g。从图3中可以看出，所述辊子旋转安装在框架17b内。两个辊子之间的间隔可以通过垂直移动其支架来调整。选择性地，相应的电动机(图中未示)可用来带动其旋转。成形部件通道横截面的外形由构成滑道17l的两个固定支架来补充，侧向置于纱束两侧。支架17l固定到框架17b上。根据这个示例，支架相对于垂直方向而倾斜。因此，成形部件通道横截面的外形为梯形。

涂层纱束穿过成形部件后，就会成为成形部件的形状，在这个示例中，呈现梯形。因此，在成形部件出口处，必须使纱束保持某种形状。

然后，将形成金属带的小箔18固定到位，以便保持组件，绕涂层纱束设置。

于是，例如，通过使用钳子的拉动工具来将纱束拉过成形部件。

图4示出了加工好的嵌件13i。

可以看出，本方法并不限于正方形、长方形或梯形截面嵌件的生产。所属领域技术人员可以预期许多形状。在成形部件内可以在纱束周围设有多个轧辊或辊子，目的是赋予其多边形状。多边形的各边可以是直的，但是也可以是弯曲的。完全可以选择出非常方便的外形。

成形部件的形状和横向尺寸由需要使用的嵌件的几何形状和尺寸来确定。在这种情况下，确定形成嵌件所必需的涂层纱的数量。相反，可以需要嵌件带有确定数量的涂层纱。在这个情况下，调整成形部件的通道截面，以便在出口处可容纳所需数量的涂层纱。

有利的是，导向件可横向调整到位，以便在回缩位置时，涂层纱束可在其紧固到纱束上之前能置放到位。调整辊子和金属支架的间隔距离可以调整通道横截面，而涂层纱束就从该通道处伸出。

另外，还可方便地使用振动件，有助于涂层纱在纱束中的加固。

图5示出了成形部件的另一个非限定性的说明性实施例。由带有水平轴线和弯曲轮廓的两个辊子17’g构成，与带垂直轴线和平直轮廓的两个辊子17’l相互作用。

本方法还可同时生产多种嵌件；这些嵌件可在由此而获得的纱束长度上切割而成。

一旦嵌件加工好后，诸如图4所示，就可以根据已知和上述方法装入金属容器内，形成金属部件。与图1所示制造细长部件的现有技术的方法相比，在容器的每个面上，可生产出直线沟槽，内装两个直线嵌件。其它部分，所述方法与前述相同。

根据制造金属部件的具体方法，其中一个箔既可用作支架也可用作金属容器的盖，在这个容器内，置放嵌件。所述盖焊接到容器上，同时，在进行热等静压处理之前，在部件上形成真空。

Claims (11)

1.制造细长形嵌件的方法，所述嵌件通过CIC方法置入金属容器内，包括结合在一起的涂层纱，所述涂层纱采用金属涂层的陶瓷纤维制成，其特征在于，其包括以纱束(13f)形式并排放置涂层纱(13)的步骤，所述纱束包括多层涂层纱，将涂层纱束(13f)穿过成形部件(17)，从而横向压制，同时通过成形部件成形出带有预定横截面的部件，其特征还在于，在成形部件下游将条带(18)横向压紧纱束。

2.根据前面权利要求所述的方法，成形部件(17)包括至少两个旋转辊子(17g)，在两个辊子之间引导纱束。

3.根据前面权利要求所述的方法，两个辊子带有平行轴线。

4.根据前面权利要求所述的方法，成形部件在两个辊子(17g)之间包括两个侧向支架(17l)。

5.根据前面其中一项权利要求所述的方法，成形部件(17)的通道横截面为多边形，各边为直线或弯曲形状。

6.根据权利要求1到4其中一项所述的方法，成形部件的通道横截面为椭圆或圆形。

7.根据前面其中一项权利要求所述的方法，金属板材(15，16)置于纱束涂层纱和成形部件各边至少一个部分之间。

8.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其中，在涂层纱形成纱束之前，涂层纱置放在初级纱束内，这些初级纱束组装在一起而构成所述纱束。

9.根据前面其中一项权利要求所述的方法，条带(18)沿成形部件下游的嵌件置放。

10.制造金属部件的方法，包括将根据前面其中一项权利要求所构成的嵌件置于金属容器内，并包括热等静压处理所述组件。

11.细长形部件，包括根据前面权利要求所述方法获得的沿纵向使用的至少一个纤维增强件，增强件横截面为非直线形状，诸如梯形或椭圆形。

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