CN103402675B - 用于制造单件旋转部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造整体旋转对称部件的方法，其包括绕着圆柱形心轴生产部件的坯体，该坯体包括由金属涂覆的复合陶瓷纤维所制造的至少一个纤维结构，接着通过热等压成型扩散焊接处理坯体，并且可选地机械加工由此处理的坯体以获得部件。根据本发明，该方法特征在于：坯体包括在心轴（10）和所述复合纤维结构（7）之间的至少第一层金属丝（6）和绕着所述复合纤维结构布置以覆盖后者的至少第二金属丝层（8）。

Description

用于制造单件旋转部件的方法

发明的技术领域

本发明涉及用于从纤维、卷材、纤维织物和其它这种材料形式的复合纤维结构制造单件中空旋转金属部件，诸如扭矩传输轴的方法，所述纤维涂覆有金属。

背景技术

为了致力于解决进行中压力以减少特定消耗，正在进行努力以在涡轮机组中用简单结构的更轻部件代替某些锻造部件。在喷气式发动机主轴和驱动发动机附属机械的齿轮箱之间的动力传输轴就是这种情况，在本领域通过首字母缩略词AGB而被提到。对于大直径发动机，这是米数量级的相对长的细轴，并且对于它来说，除了端部外，还有必要提供中间轴承以确保其支撑和特定振动频率模式的传递。

最近几年，在许多技术领域，尤其是航空、空间、军用、汽车等领域，在部件的部分或全部生产中，复合材料的重要性已经显现出来，因为这种材料对最小重量和体积的最佳抗力。作为提醒，由复合材料所制造的这种纤维结构包括金属合金基体，例如钛Ti合金基体，在基体内延伸纤维，例如碳化硅SiC的陶瓷纤维。这种纤维显示了比钛的抗拉强度更强的抗拉强度(通常4000MPa比1000MPa)。因此，纤维吸收力，金属合金基体作为部件的粘合剂和提供纤维的保护和绝缘，它们不必互相接触。而且，陶瓷纤维抗腐蚀，但是必然必须用金属涂覆。

这些复合材料可以用于生产用于航空器或其它工业应用的旋转的环形涡轮机组部件，诸如环、轴、圆柱体、壳体、垫片、单块部件加强件，诸如叶片等等。

用单件结构制造中空旋转部件的一个已知方法包括绕着圆柱形心轴叠置连续的纤维结构(纤维、卷材或纤维织物)，然后在特定接收用具中布置缠绕的复合纤维结构，以通过扩散焊接压紧和结合该用具，最后获得复合材料的旋转部件。在以申请人名字提交的专利申请EP1726678中描述了通过卷材层叠制造旋转部件的方法。

另一个已知的方法包括通过在陶瓷纤维之间插入金属丝，绕着心轴缠绕陶瓷的，但是不涂覆的纤维。申请人的这种方法已经授予专利FR2.713.212。

发明的描述

申请人开始研发一种方法，该方法可以生产旋转部件，该旋转部件的直径可以是非常小的所用丝直径的数量级，但是该旋转部件非常高，仅受用具体积的限制，具有仅取决于所使用装置的长度。

因此，本发明的主题是用于制造单件旋转部件的方法，包括绕着圆柱形心轴的部件的预制件的生产，预制件包括由金属涂覆的陶瓷复合纤维所形成的至少一个纤维结构，接着通过热等压成型对预制件进行扩散焊接处理，对充分地处理的预制件进行适合的机械加工以获得部件，并且该方法的特征在于：预制件包括在心轴和所述复合纤维结构之间的至少一第一层金属丝和绕着所述复合纤维结构以嵌入后者的至少一第二层金属丝。

因此，本发明的方法可以获得显示足够刚性而不会增加其密度的部件，并且在诸如上述扭矩传输轴的情况下，可以增加杨氏模量与密度的比率，以增加部件的特定振动频率模式，因此可以生产没有中间轴承的轴。

有利地，心轴是在可以互相分隔开和形成线轴的两个锥形部件中。这种方法，压制后的预制件可以没有困难地从铸模脱模。第一层金属丝优选地适于在预制件压制后显示圆柱形部分，后者在机械加工后形成部件的内壁。通过绕着心轴缠绕一条或多条金属丝可以形成金属丝层。

例如，通过拉丝获得金属丝，并且金属丝具有与涂覆复合纤维的金属丝类型相同的类型；在这种方法中，经过用具后，在加强结构的纤维上获得适合厚度的均匀金属层。

本发明的方法也提供了在环境温度下能够实现冷却金属丝和纤维结构的叠置层的优点。

根据该方法的另一个特征，纤维结构的涂覆纤维布置在一个相同方向上，优选地部件的轴向方向上。

更特别地，通过缠绕金属复合卷材或纤维织物形成复合纤维结构。

根据另一个特征，层通过粘合、焊接或通过箔至少部分地连接在一起。

根据另一个特定的实施方式，通过缠绕金属丝，特别地在部件的纵向端，形成横径向肋。可以机械加工这些横径向肋，并且例如，形成小齿轮。根据一个生产变化形式，陶瓷加强纤维包含在所述横径向肋中。

而且，所用的金属丝可以具有不同的直径，并且可以提供与叠置纤维结构交替的具有这些丝的叠置绕圈的层，它们的数量可以是2个以上。

附图简要描述

附图中的图将给出关于如何可以生产本发明的清楚理解。在这些图中，相同的附图标记指相似的元件。

图1示意性地示出可以用本发明的方法获得的圆柱形部件的实施例。

图2表示根据本发明的一个实施方式，部件预制件第一层金属丝的形成步骤。

图3表示涂覆陶瓷纤维的纤维结构层形成的步骤。

图4表示第二层金属丝的形成步骤。

图5示意性地表示预制件的热等压成型步骤。

图6和图7表示本发明方法的变化实施方式。

图8表示用于具有横径向肋的部件生产的本发明方法另一个变化的实施方式。

本发明的详细描述

本方法的目的是仅从丝、纤维或相似物形式的细长元件制造环形单件旋转部件1，如此后将看到的。本发明更特别地目的在于具有比它们直径更长长度的部件的形成。图1表示在纵向截面中，具有金属壁2的圆柱形中空部件，具有轴线XX，并且包括一层或多层的陶瓷材料的加强纤维3，优选地一个相同层的所有纤维都具有一个相同的定向，诸如轴向。

为了获得这种类型部件，使用具有纵向轴线X的圆柱形心轴10，部件绕着该轴线形成。心轴优选地是两个锥形部件10a和10b的线轴形式，它们通过它们顶端以可移除方式互相地固定在一起，以使得它们能够互相分离。图中夸大的在两个椎体的顶端的半角α是6°到7°的数量级。线轴形状的目的是在丝和纤维压制后能够使部件从铸模脱模，如此后将看到的。在第一步骤，金属丝4绕着圆柱体缠绕，以形成第一层金属丝。由于部件1应用于航空领域，金属丝4特别地由TiA6V或TI6242类型的钛合金制造，确保热机械抗性和轻度，并且特别地通过拉丝获得它，以能够在其从中拉丝的线轴或卷轴形式中使用。

可用设想除了拉丝以外的方法。

维度上，它的直径取决于将要获得的部件，并且可以具有一毫米到几毫米的十分之几的数量级。

在图2中所示例的实施例中，从卷轴获得拉丝的金属丝4，该卷轴不是代表性的和基本上垂直于轴线X绕着圆柱形心轴10被驱动预定广度，该广度对应于制造后要获得的旋转部件1的长度，通过这样形成的大量连续邻接的匝圈和一个或多个叠置厚度以形成第一层金属丝6。可以使用与金属丝4不同直径的大量金属丝或一条或多条金属丝。因为圆柱体10的锥度，第一层具有三角形纵向截面。层6的作用之一是在它机械加工后，向完成的部件内直径填充脱模部件。

该方法继续如图3中所示的第二步骤，并且包括绕着金属丝4的第一层6布置复合纤维结构7。

复合纤维结构7可以采用相互平行连接的涂覆的陶瓷复合纤维9的织物形式，该涂覆的陶瓷复合纤维9由涂覆有金属的陶瓷(SiC)或相似材料制造。该金属和拉丝的金属优选地是相同类型的(例如，TiA6V或6242)以最佳化本方法涉及热等压成型操作的该方法的随后步骤。复合纤维结构7的织物绕着第一层6金属丝4的绕圈进行缠绕，这样陶瓷复合纤维9所有都根据相同的定向布置，例如并且优选地平行于心轴10的纵向轴线X。

单层织物绕着第一层金属丝4形成。显然地，可以从相同的织物，甚或从一种或多种同心地缠绕的其它不同的织物提供几层的缠绕。织物可以具有不同涂覆丝直径的不同种类。复合纤维结构7的长度小于或等于第一层6金属丝的外表面的长度。应该注意到后者的外表面可以制成圆顶形，以考虑通过热等压成型处理的层6的压制。该处理后，该表面优选地应该是直线圆柱形。

鉴于图4所示例的本方法的第三步骤，例如，从卷轴拉丝的金属丝5绕着复合纤维结构7的织物布置，该卷轴不是代表性的和基本上正交于旋转圆柱形心轴10的纵向轴线X进行输送。金属丝5形成绕着复合纤维结构7织物的第二层8邻接匝圈。第二层8可以包括几个厚度的缠绕。并且，对于第一层，代替缠绕一条金属丝，大量金属丝或一片金属丝可以放置在该位置。当使用大量金属丝时，后者可以具有相同的直径或不同的直径。丝也可以是以电缆形式预组装的金属丝。第二层也可以缠绕箔层。根据本方法的一个特征，一条或多条金属丝5缠绕着，以完全地嵌入下面的复合纤维结构7的复合纤维。如图4中可以看到的，特别地，第二层8覆盖第一层6金属丝的本身不被复合纤维结构7所覆盖的部分。

获得待要生产的旋转部件的预制件E，其仅由单独形式、卷材形式、织物形式或相似形式的金属丝4和5以及具有复合纤维复合纤维结构7制造。

然后，如图5中所示，在等温压力机或在高压釜内袋子中(特别地根据待要生产部件的数量选择)对预制件E进行热等压成型处理。互补形状的罩盖系统安装在预制件上。因为预制件是圆柱形的，罩盖通过大量部件形成绕着预制件的圆柱形外套。

在适合的高温时所施加的压制下(作为根据箭头F所施加的高压结果)，金属丝的金属和结构中纤维的包覆的金属变成粘糊状和蠕变，排除了匝圈和层之间所有空的空间，它们的扩散焊接，接着最后致密部件。

在变化形式中，组件放置在软钢的变形袋子中，然后将该变形袋子引入高压釜内。该高压釜升高压力达到1000巴的等静压力和940℃的温度(用于TiA6V)，这样所有的袋子通过排气收缩被变形和压靠心轴和罩盖，接着在均匀压力下压缩丝和纤维的绕圈，直到制造它们的金属蠕变和通过扩散焊接结合。有利地，由此大量袋子可以引入到高压釜中，以同时生产部件，减少制造成本。

因此，CIC处理后，冷却和脱模已经停止，机械加工预制件以获得图1中所表示的复合单件旋转部件1，其是由金属制造的，在其核心处具有形成加强插件的纤维。

由圆柱形心轴10和罩盖系统所形成的用具优选地由能够使它再次用于另一个部件制造的材料所制造。例如，它是抗处理温度和压力，同时保持其完整性的超级合金。

显然地，纤维的定向方向可以不同于上述(平行与心轴的轴线)，同样地，就像内部纤维结构的织物的选择一样绝不是强制的，因为可以设想任何其它选择。也必须规定在环境温度进行缠绕丝和纤维结构的步骤，不需要使用复杂的设备。

例如，除了上述SiC/Ti外，涂覆的复合纤维可以由SiC/AI、SiC/SiC、SiC/B等制造。

三维地，心轴的最小半径是金属丝的直径的函数，并且必须大于金属丝的直径。只要涉及部件的长度，如果必要，它可是长几米。

根据图6和图7中所示的变化实施方式，向心轴添加凸缘13a和14b，它们在半心轴10’a和10’b的自由端的侧面上，以当第二层8’金属丝具有大于心轴10’a和10’b的直径时，补充支撑第二层8’金属丝。所应用的不同层的厚度考虑了它们的膨胀，以CIC处理后所期望的结果为目的。如图7中所示的罩盖系统12’适合预制件的外部几何形状。

根据另一个生产变化形式，本发明的方法可以制造哑铃形式的部件，也就是说具有横径向肋。为了获得它们，改变第二层的几何形状就足够形成这些横径向肋。为此目的，该第二层的厚度在期望的位置增加。因此，图8表示通过这种方式所生产的预制件的细节。通过缠绕金属丝形成金属丝的第二层8”，以显示形成横径向肋8”a的部件，CIC处理后该横径向肋形成在部件上的横径向肋。该横径向肋的作用可以是凸缘的终端固定或机械加工径向齿后的小齿轮。

为了进一步增强该肋的机械强度，可以包括陶瓷加强纤维8”b，其长度适于CIC处理后肋的宽度。如果加强纤维相对于部件的轴线横向地定向，那么通过与金属丝缠绕相同的方式缠绕，可以将它们放置到合适的位置。如果选择用于加强纤维的定向必须是轴向的，那么它们将以卷材或织物形式放置到合适的位置，就像复合纤维结构7。

将观察到罩盖12”的形状也适于心轴10”上所产生的部件预制件的形状。

Claims (11)

1.一种用于制造单件旋转部件(1)的方法，包括绕着圆柱形心轴(10)的部件的预制件的生产，预制件包括由金属涂覆的陶瓷复合纤维(9)所形成的至少一个复合纤维结构(7)，接着通过热等压成型对预制件进行扩散焊接处理，对充分地处理的预制件进行适合的机械加工以获得部件(1)，其特征在于：预制件包括在心轴(10)和所述复合纤维结构(7)之间的至少一第一层(6)金属丝(4)和绕着所述复合纤维结构(7)以嵌入复合纤维结构(7)的至少一第二层(8)金属丝，心轴(10)包括可以互相分隔开的两个锥形部件(10a、10b)。

2.如权利要求1所述的方法，其中第一层(6)金属丝适于在预制件压制后显示圆柱形部分，该圆柱形部分在机械加工后能够形成部件的内壁。

3.如权利要求1所述的方法，通过绕着心轴(10)缠绕一条或多条金属丝形成第一层(6)金属丝(4)。

4.如权利要求1所述的方法，第一层(6)金属丝(4)是通过拉丝所获得的类型，并且具有与涂覆复合纤维的金属丝类型相同的类型。

5.如权利要求1所述的方法，其中在环境温度下，第一层(6)和第二层(8)放置到适合的位置冷却。

6.如权利要求1所述的方法，其中复合纤维结构的陶瓷复合纤维(9)布置在一个相同方向上。

7.如权利要求6所述的方法，其中复合纤维结构的陶瓷复合纤维(9)布置在部件的轴向方向上。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中通过绕着心轴缠绕连续布置的平行金属复合纤维的或者单独和平行纤维的一个或多个卷材或织物，形成复合纤维结构(7)。

9.如权利要求1所述的方法，其中，层通过粘合、焊接或通过箔至少部分地连接在一起。

10.如权利要求1所述的方法，其中通过缠绕金属丝，在预制件的纵向端形成横径向肋(8”a)。

11.如权利要求10所述的方法，其中陶瓷加强纤维(8”b)包含在所述横径向肋中。