CN103210111A - 金属基复合材料制造直嵌件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过热等静压成型(HIC)制成的直嵌件置入金属容器内的制造方法，所述嵌件包括一束涂覆丝，彼此之间连接，并具有预定长度。所述丝采用金属涂覆陶瓷纤维制成。所述方法的特征在于，所述涂覆丝束可通过直线涂覆丝(13)在预定长度上并置和通过彼此连接而获得。本发明还涉及到通过热等静压成型(HIC)技术制造内置纤维嵌件的金属部件。

Description

金属基复合材料制造直嵌件的方法
技术领域
本发明涉及金属基复合材料领域，特别涉及金属基中的陶瓷纤维嵌件，用以加强金属部件。
背景技术
在航空领域，减轻重量和缩小尺寸，优化部件强度是一个永恒的目标。如今，一些部件可以使用金属基复合材料制成的嵌件，以下简称MMC，这种部件同样可以是整体式的。这种复合材料包括了金属合金基，例如，钛(Ti)合金，在这种金属基内，纤维可延伸，例如碳化硅(SiC)的陶瓷纤维。这种纤维的拉伸强度要大大高于钛的抗拉强度(一般4000MPa，而钛则为1000MPa)。因此，正是纤维吸收了应力，而金属合金基则起与部件其它部分的结合剂的作用，同时也保护和隔离纤维，因为纤维彼此之间决不可接触。此外，陶瓷纤维耐腐蚀，但必须采用金属来加强。
这些复合材料可以在轮盘、轴、缸体、壳体、垫片等的制造中应用，作为整体部件(例如，叶片等)的加强件。
例如，对于涡轮发动机中的压气机轮盘，已知的加强技术是在部件中嵌入环向缠绕的涂覆纤维。制造金属基复合材料嵌件的技术是基于以Snecma名义提交的专利EP 1.726.677所介绍的缠绕涂覆纤维丝的原理。这种嵌件是从多个涂覆丝中获得的，每个丝都包括嵌入在金属护套内的陶瓷纤维。这种丝在本文后面称之为涂覆丝。制造工艺包括围绕垂直于部件轴线的回转体周围缠绕一束或一个连接层的涂覆丝的步骤。然后，将嵌件置于容器内进行热等静压成型。术语容器在此是指金属部件的坯件，在其内，加工有腔室，用来置放金属基复合材料嵌件，然后，该部件再进行热等静压压制成型。所述成型处理以下称之为HIC。
由此而获得的所述部件为圆形，而且，除了压气机轮盘外，这种部件都特别适合圆形部件的生产，诸如轴、汽缸体或壳体。
其它机械部件要求的特性与圆形部件所提出的特性不同。这在--例如—起落架系统中所使用的杆或发动机吊架等结构部件中尤为如此，这些主要都是细长方形状。这些部件的作用是传递单向拉力和/或压缩力。这些部件的加强都相应地要求金属基复合材料嵌件至少部分是直线形的。这是因为纤维必须朝向应力方向。
这些嵌件的最低工业制造成本是一个值得考虑的方面。
人们已知一种制作机械部件的方法，该部件包括使用至少一个由金属基复合材料制成的嵌件。所述方法包括采用围绕环形支架缠绕一束或一个连接层的涂覆丝来制造一个初步嵌件，该支架的一部分为直线部分。
以SNECMA和Messier-Dowty名义申请的专利FR 2.919.284中描述的方法提出了这个原理，并包括将上述初步嵌件插入第一金属容器内，对第一容器进行热等静压成型，随后对其进行加工，从而形成直线嵌件。在这种嵌件制造之后，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成型，并对第二容器进行加工，以形成所期望的机械部件。由此而获得的机械部件，例如杆，可以方便地用来沿植入其中的陶瓷纤维的方向传递单向拉力和/或压缩力。
在切割成直线嵌件之后，不是实施初步嵌件成型的中间步骤，通过保证涂覆丝在线束内的固定，而切割成形成初步件的环形线轴。
FR 2.925.896专利申请提出了将这种线束置放入端部的直线沟槽内。
这种解决方案的诸多缺陷是，影响了这些作业的产业化：
涂覆丝在非直线部分会丢失。这种丢失不能忽视，因为涂覆的半加工丝产品在部件的总成本中占了相当大比例。
缠绕，特别是在椭圆形上的缠绕，会在所缠绕的嵌件上产生应力，这些应力易于释放，与此同时，会在切割作业期间造成嵌件变形。
这些技术要求在切割区使用许多系统，以便对涂覆丝进行固定。
发明内容
本发明的目的是开发以较低成本生产直嵌件的技术，并可随时适合用于工业生产。
通过热等静压成型(HIC)将直嵌件置于金属容器内的制造方法来实现该目的，所述嵌件包括一束涂覆丝，结合在一起且带有预定长度，其特征在于，所述涂覆丝以直线并置的方式置放直沟槽形工具内的预定长度上，所述涂覆丝连接在一起。
因此，本发明提出的解决方案旨在一方面降低涂覆丝的丢失，另一方面，实现工业制造水平，达到自动化的高生产速率。
更具体地说，所述方法包括对多层直线涂覆丝的成形，所述涂覆丝是通过预定数量的涂覆丝的平整并置而获得，直到获得预定数量的层数，其特征在于，各层连接在一起，以便它们可优选在端部固定。
更具体地说，第一层是置放在--特别是--由金属板材成形的平面上，该堆的最后一层由另一个金属板覆盖，该组件被结合到一起。
根据一个实施方案，通过金属带将各层结合到一起，所述金属带沿该堆涂覆丝横向布置。
优选地，所述层是从涂覆丝成形而来，这些涂覆丝是从涂覆丝的线轴上展卷而来，有利的是，在从不同线轴上展卷该层丝的同时，就形成了一层涂覆丝。然后，切割涂覆丝到所述预定长度，该长度对应于嵌件的涂覆丝束的长度。
根据实施方案，给定层的涂覆丝的端部在其成形后连接到一起。然后，将给定层涂覆丝切割(优选一起)成所述预定长度。
本发明还涉及到采用至少一个由此而获得的嵌件来制造金属部件的方法。根据该方法，
在构成容器的金属体上加工嵌件的至少一个凹槽，
所述嵌件置放于所述凹槽内，
将金属盖置放在金属体上，从而覆盖嵌件，
将盖子焊接到金属体上，
带有盖子的金属体的组件采用热等静压成型工艺焊接，以及
对所述经过处理的组件进行加工，获得所述部件。
下面参照所附示意图，阅读本发明实施方案的详细解释描述，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，所示示例仅为说明性，本发明并不仅限于所示示例。
附图说明
图1为根据现有技术制造带有细长形状部件的各个步骤1a到1d；
图2为制造直嵌件的装置的平面图；
图3为图1所示部件的安装图，所示为侧面图；
图4所示为自前方看去的安装图，第一层涂覆丝已经置放在工具的底部；
图5为图4所示工具，所示为填充之后，顶层金属箔也已安装到位；
图6为将涂覆丝连接到底层支架的焊接装置；
图7为采用本发明所述方法生产的嵌件的透视图。
具体实施方式
图1a来自以Snecma和Messier-Dowty名义递交的专利申请FR 2.919.284，所示为带有细长主体4的容器1，用来形成(例如)起落架的杆。在主体4的两侧各加工了沟槽41。所述沟槽用来置放嵌件3，该嵌件由两个直线部分组成，彼此平行，也可不平行，端部采用圆的弧度连接。嵌件为涂覆金属--诸如钛--的陶瓷纤维。
沟槽和嵌件为互补形状，这样，嵌件就可以紧紧贴装在沟槽内。应该注意的是，容器内的沟槽和盖子上的柄脚必须完全结合在一起，防止直径非常小的纤维(大约0.25mm)在热等静压成型期间逸出。两个盖5上都带有形成柄脚的凸起部分，两个盖覆盖了主体4的两侧。柄脚压抵在沟槽内的嵌件上并将其密封到位。盖子5---例如---采用电子束焊接焊接到主体4上，在容器内形成真空。
在图1b中可以看到容器；这是一个能看到嵌件的局部剖视图。然后，将容器置于合适的箱内进行热等静压成型处理。这种处理的目的是将容器、盖和涂覆丝层结合在一起，从而形成整体部件。图1c所示容器横截面说明，沟槽41边缘42进行了倒角，目的是为与柄脚毗邻的盖子5部分留出间隙。在热等静压成型期间，沿垂直于盖子表面的方向施加压力，从而使盖子塌陷。
热量和压力分别大约为1000℃和1000巴，可使基底金属充满构成嵌件的涂覆丝之间的空穴。嵌件的容积会减小大约23％。于是，柄脚就会向沟槽底部移位，柄脚两侧的间隙被吸收。在工艺处理结束时，金属已经熔化，容器被压制成型；从而因为涂覆丝嵌入质体内而使得部件得以加强。
图1d示出了采用两个嵌件而获得的坯件，可以清楚看到两个嵌件。而后，对该坯件进行加工，获得所需要的部件。这样，陶瓷纤维就植入该部件的分支内，保证了拉力和压缩力的传输。
根据该专利FR 2919283所使用的嵌件带有环形，但是，正如专利申请FR 2 919284中所述的那样，这些嵌件也可以是直线杆部件形式。在后一种情况下，在此前进行过压制成型之后，直线嵌件采用该文件所述技术置于容器内。
根据专利FR 2 919 284的直线嵌件的生产，包括围绕环形线轴装置缠绕涂覆丝，所述线轴装置带有直线部分。形状可以是长方形的，带有直线部分，或多边形，其中，多边形的各个边构成直线部分。
在将涂覆丝缠绕成环的形状后，该环的转弯处通过焊接的金属带而保持不动。所述组件植入容器内，采用上述技术进行热等静压成型处理。在半加工部件上加工出直线形状的成型嵌件，然后，逐个地植入容器内，以便制作成带有直线陶瓷纤维加强件的部件。
根据本发明，通过对在直线涂覆丝13直接制成的直嵌件131进行成型而使得这种嵌件的生产简单了，而这些直线涂覆丝13则是采用束杆或束的方式而连接在一起。
参照图2，实施本发明方法的装置包括支撑多个缠绕涂覆丝13的线轴12的展卷机10。双辊系统14从各个线轴上抽出涂覆丝并拉向其汇聚的方向。该系统由两个围绕平行轴转动的辊子组成；至少其中一个辊子是传动辊。涂覆丝在两个辊子14之间提供的空间内并排放成一层，并在出口处，构成了一层并置的涂覆丝13，彼此平行。在辊子14的紧下游处，涂覆丝层被导入直沟槽15形状的工具内，所述沟槽带有平底151和两个侧板152和153，侧板垂直于所述底部，并包括透孔区154。沟槽形状工具15的长度对应于需要制造的嵌件13i的长度。沿等于期望嵌件13i长度的长度上，将所述涂覆丝层拉入工具15内。
根据图2到图5所示实施方案，薄的金属箔或板材16置放在沟槽形状工具15的底部，而第一层则坐落在金属箔上。该层的宽度与金属箔的宽度相同。箔金属优选与使用嵌件的金属部件的材料相同，例如，钛合金。
所述层内的涂覆丝的数量不受限制；这取决于将要制造的部件，图3和图5只是简单示意，而且涂覆丝的直径与沟槽的直径不是相同比例。所述涂覆丝并置在层内，彼此之间不留任何空间。
根据本发明的连接方式，涂覆丝在沟槽的两端固定到金属箔16上。
两个技术都是可行的，即机械装置和焊接装置。对于后者，优选装置包括根据以本申请人名义的专利申请EP 1 726 677所描述的中频发生器。该技术具体介绍如下。
采用机械固定时，端部应加长，以便能够固定涂覆丝层。这些加长部分要被切掉，最终成为碎屑。图中未示出该实施方案。
根据所需长度，采用焊接形式的中间固定点也是可行的。
于是，固定到其支架上的第一层采用合适的切割装置17--诸如，剪切器---在沟槽入口处被切掉。
采用辊子14系统而固定的所述涂覆层可再次拉动而构成下一层，该层被置放在第一层上。于是，涂覆丝的长度都相同。
重复此项操作，直到所达到的高度对应于期望嵌件13i的尺寸。最后，将第二箔16’置放在顶部，见图5。
然后，将构成条带的小金属箔侧向布置在工具15的透孔区154，以便将组件固定到一起，并采用钉书钉的方式在涂覆丝束杆周围钉紧，防止涂覆丝过度隆起。最终完成的嵌件13i见图7。
在端部采用机械固定的情况下，图中未示，还必须另外进行端部切割作业。
根据另一个实施方案，图中未示，涂覆丝层通过端部焊接，同时也通过沿嵌件的焊接线(weld lines)而固定到位。后续层则焊接到下一层上。
该实施方案避免了对固定端部、顶部箔和侧面小箔的机械系统的需求。
根据另一个实施方案，图中未示，当容器腔室形状允许时，嵌件可直接在容器腔室内成形。第一层通过端部焊接，同时，如果需要，通过沿嵌件的焊接线，而固定到位。后续层焊接到下一层上。这种布局用来减少U工具和各种金属箔。
本发明并不限于方形或矩形截面嵌件的生产。涂覆丝层堆积的制造方法可通过改变连续涂覆丝层的宽度而生产出锥形截面。
本发明还允许同时生产多个嵌件，其中，在由此获得的“金属涂覆丝束杆”长度上切割出嵌件。
一旦嵌件完成，如图7所示嵌件，可以采用已知的和上面描述的方法植入金属容器内，从而形成金属部件。
根据金属部件的具体实施方案，其中一个箔同时用作支架和置放嵌件的金属容器的盖子。所述盖子焊接到容器上，同时在热等静压压制成型前在部件内形成真空。
下面介绍将涂覆丝或连接的涂覆层或一束涂覆丝局部焊接到金属支架上的方法和装置。所述支架设想为严格意义上的金属支架，或在本示例情况下，是置放在沟槽底部或沟槽本身底部内的箔，或另一个涂覆丝或另一个涂覆丝层或另一束涂覆丝。
该方法和该装置适合于将涂覆丝或涂覆丝层或束连接到支架上，同时保持在涂覆丝内延伸的陶瓷纤维的整体性。如果在缠绕或覆盖热成形期间出现断裂的情况下，所述方法和装置还允许对涂覆丝进行修理。
参照图5，涂覆丝13层在该层的端部连接到支架16上。为此，利用装置20来在电极和中频电流通过之间进行接触焊接。涂覆丝13在此以截面形式示出。
电极焊接装置20包括中频发生器21，其连接到正电极22和负电极23上。焊接装置还包括一个模块，该模块控制施加到电极上的力。在图5所示实施方案中，正电极22和负电极23横向延伸到涂覆丝13层上。其横截面形状在该整个宽度上是均匀的。
正极22-例如，可采用铜或钨制成--包括锥形端部。该端部的形状做成可使电流线在最大处汇聚，从而沿正电极22和涂覆丝层16之间尽可能最窄的接触线路--或条带--通过。该端部也可做成圆形，从而可避免对涂覆丝的剪切，因为这会对涂覆丝造成损坏。该端部的半径选择为可获得电流线的尽可能最佳汇聚，但是又不会太窄，目的是避免对涂覆丝造成剪切。
电极的这种布置确保了涂覆丝层随后沿非常窄的条带处焊接到由箔16组成的支架上。在这个条带上，电流的集中是恒定的。
电极焊接工艺具有将涂覆丝层金属加热与稍稍锻造结合的具体特性，这可由电极的增压而获得。加热和增压的功率和时间可方便地控制金属温升达到最小，以获得其锻造效果，从而实施固态焊接。
涂覆丝层通过正电极和负电极之间电流流过而加热，这是由中频发生器21所产生的控制电流所致。涂覆丝层上的压力在此刻通过正电极22经由增压而获得，所述正电极因而执行第二功能，即作为压机。其端部的圆形对于这个功能极为重要，因为该层的涂覆丝决不能受到剪切。
此处所述的电极焊接工艺实施如下。正如已经说明的那样，这是一种固态焊接工艺。正电极和负电极布置成分别与涂覆丝层和沟槽底面接触。在第一阶段，只有压力作用到两个电极之间的涂覆丝上。将压力升至值P1，优选在5到13kg之间。该“冷”增压阶段的功能是确保涂覆丝彼此之间以及与其支架的壁之间的适当接触。在两层涂覆丝的情况下，所有有关的丝都会接触到一起(一层丝起另一层丝的支架的作用)。这种正确接触保证了下一阶段期间电流的适当流过。然后，将电流升到一个值，优选在500到1500A之间。这样，使得涂覆丝的陶瓷纤维的金属的受热，开始焊接。
然后，将压力升至更高值，目的是实施该层涂覆丝的附加锻造。然后，再返回到其初始值，停留时间为焊接后冷却所需的时间。

Claims (9)

1.一种采用热等静压成型(HIC)方法制造可置入金属容器内的直嵌件(13i)的方法，所述嵌件包括一束涂覆丝(13)，所述涂覆丝结合在一起并具有预定长度，所述涂覆丝采用金属涂覆陶瓷纤维制成，其特征在于，涂覆丝以直线并置方式沿预定长度置放在直沟槽形状的工具内，所述涂覆丝结合在一起。
2.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于构成许多直线涂覆丝(13)层，每层都是由预定数量涂覆丝平整并置而获得，直到获得预定数量层数，还在于将各层连接在一起，以便其至少在端部被固定。
3.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，第一层布置在金属板材(16)上，最后一层由金属板(16’)覆盖，组件被连接在一起。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的方法，其特征在于，各层通过沿所述涂覆丝(13)堆横向布置的金属带(16”)连接在一起。
5.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，各层是由涂覆丝而形成，这些涂覆丝是从涂覆丝线轴(12)展卷而成。
6.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，在从不同线轴上展开该层涂覆丝的同时而形成一个涂覆丝层。
7.根据前面其中一项权利要求所述的方法，其特征在于，给定层的涂覆丝的端部在其成形后便连接在一起。
8.根据前面权利要求所述的方法，其特征在于，给定层的涂覆丝被一起切割(17)到对应于嵌件涂覆丝束的长度。
9.一种采用前面其中一项权利要求所述的至少一个嵌件(13i)制造金属部件的方法，其特征在于，在金属容器上加工至少一个用于嵌件的凹槽，所述嵌件置放在凹槽内，金属盖置放在主体上，以便覆盖嵌件，所述盖子焊接到金属容器上，带有盖子的金属容器的组件采用热等静压压缩进行处理，所述经处理的组件经过加工而获得所述部件。
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