CN103518039B - 具有内置根部的复合涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种由复合材料制成的涡轮机叶片（100），所述复合材料包含通过纱线的多层编织并用基质致密化而获得的纤维增强件。所述叶片包括构成形成单个部件的翼面（120）的第一部分和构成叶片根部（130）的至少一个第二部分。对应于所述叶片（100）的所述第一和第二部分的纤维增强件部分至少部分地与穿透所述第一纤维增强件部分的所述第二纤维增强件部分的纱线互相交错。

Description

具有内置根部的复合涡轮机叶片
技术领域
本发明涉及由复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述复合材料包含用基质致密化的纤维增强件。
背景技术
目标领域是用于航空发动机或用于工业涡轮的燃气涡轮叶片。
已经提出由复合材料制造涡轮发动机叶片。可以特别参考由Snecma和SnecmaPropulsionSolide共同提交的国际专利申请WO2010/061140。该申请描述了由复合材料制造涡轮发动机叶片，所述复合材料包含用基质致密化的纤维增强件。更精确地，所述方法呈现的特征在于：通过多层编织结合两种结构制成纤维坯件，所述两种结构彼此交叉从而在成形之后形成单片式纤维预成型件，所述纤维预成型件具有第一部分和至少一个第二部分，所述第一部分形成用于翼面和叶片根部的预成型件，所述第二部分形成用于叶片的内部平台或外部平台的预成型件。因此，在预成型件经过致密化之后，有可能获得复合材料叶片，所述复合材料叶片具有由预成型件组成并用基质致密化的纤维增强件并且形成具有结合其中的内部平台和/或外部平台的单个片材。
在该背景下，通过使用插入物制成叶片根部预成型件，从而在叶片对应于其根部的部分中形成灯泡状区域。
然而，所述用于形成叶片根部的技术使得叶片的工业制造更为复杂并且增加制造成本，因为其造成大量材料损失并且需要困难且减缓生产速度的处理。
发明内容
因此，对于涡轮发动机的涡轮或压缩机，期望能够由复合材料，特别但不必由热结构复合材料(例如陶瓷基质复合(CMC)材料)制备涡轮发动机叶片，所述叶片相对易于制备并且具有极好的机械强度。
为此，本发明提供一种由复合材料制备涡轮发动机叶片的方法，所述复合材料包含用基质致密化的纤维增强件，所述方法包括：
·通过对单个片材进行多层编织来制备纤维坯件，所述纤维坯件在对应于待制备叶片的纵向方向的所述纤维坯件的纵向方向上包括：第一组多个纱线层，所述第一组多个纱线层互连从而形成所述坯件的对应于翼面预成型件的第一部分；和第二组一个或多个纱线层，所述第二组一个或多个纱线层至少局部互连从而形成所述坯件的对应于叶片根部预成型件的至少第二部分；所述第一组纱线层的纱线不与所述第二组纱线层的纱线互连，所述第一组纱线层在所述坯件的所述第二部分中与所述第二组纱线层的纱线交叉；
·对所述纤维坯件进行成形，从而获得单片纤维预成型件，所述单片纤维预成型件具有形成翼面预成型件的所述第一部分和形成叶片根部预成型件的至少所述第二部分；并且
·用基质对所述预成型件进行致密化，从而获得复合材料叶片，所述复合材料叶片具有由所述预成型件组成并且用所述基质致密化的纤维增强件，从而形成结合叶片根部的单个片材。
相比于现有技术的方法，本发明通过在纤维坯件中在其用于形成叶片根部的部分中交叉两个纱线层组从而制备结合在叶片翼面的结构中的叶片根部。因此有可能在纤维坯件中产生较厚区域并且保留足以形成叶片根部预成型件的材料，因此有可能避免使用如现有技术中的插入物。
此外，作为叶片经受最大机械力(主要通过根部的侧部作用，所述侧部在叶片的两侧突出并且用于抵抗离心力将叶片根部保持在其外壳中)的部分的叶片根部的纤维增强件部分的纱线与构成叶片的翼面的其他纤维增强件部分的纱线交叉。通过以这种方式使结构交叉，在叶片经受最大机械强度的位置处获得极好的机械强度。
第一和第二纱线层组之间的远离该交叉的非互连排列区域允许成形所述纤维预成型件而不切割任何互连纱线，任何这种切割可能造成纤维增强件的机械强度的降低和因此造成经制备的叶片的机械强度的降低。
根据所述方法的另一个特征，所述纤维坯件利用连续的第二组纱线层进行编织，并且所述纤维坯件的成形包括：通过切掉所述第二组纱线层的位于所述纤维坯件的所述第二部分外部的部分从而除去该部分。
根据所述方法的又一个特征，所述方法包括将所述第二部分机械加工成待制备的叶片根部的形状，所述机械加工在致密化所述预成型件之后进行。在所述方法的一个变体实施方案中，所述预成型件在两个连续的步骤中进行致密化。在这种情况下，可以在第一致密化步骤之后进行第一机械加工步骤，并且可以通过在第二致密化步骤之后进行的第二机械加工步骤完成机械加工。
根据本发明的方法的另一个特征，所述纤维坯件还包括至少一个第三部分，所述第三部分形成如下元件中的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台，所述外部平台具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器；
对所述纤维坯件进行成形包括：对所述纤维坯件的所述第三部分进行成形，从而获得同样具有所述第三部分的单个片材纤维预成型件，在用基质对所述预成型件进行致密化之后获得的所述叶片形成单个片材，所述单个片材结合叶片根部并且结合选自如下元件中的元件的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台，所述外部平台具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器。
所述第三部分可以由所述第二组多个纱线层形成，所述第一组纱线层在所述坯件的所述第三部分中再次与所述第二组纱线层的纱线交叉。
根据本方法的另一个特征，所述纤维坯件的所述第二部分中的所述第二组纱线层中的纱线层数量大于所述第三部分中的所述第二组纱线层中的纱线层数量。
根据本方法的又一个特征，所述纤维坯件的所述第二部分中的所述第二组纱线层中的纱线重量大于所述第三部分中的所述第二组纱线层中的纱线重量。
在一个变体中，所述第三部分对应于装配至所述纤维坯件的所述第一部分上的纤维结构。
本发明还提供一种由复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述复合材料包含通过纱线的多层编织并用基质致密化而获得的纤维增强件，所述叶片包括第一部分和至少一个第二部分，所述第一部分构成作为单个片材形成的翼面，所述第二部分构成叶片根部，对应于所述第一和第二叶片部分的纤维增强件部分至少部分地与穿透所述第二纤维增强件部分的所述第一纤维增强件部分的纱线互相交错。
根据所述叶片的一个特别方面，其进一步包括至少一个第三部分，所述第三部分形成如下元件中的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台，所述外部平台具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器。
根据所述叶片的一个特征，对应于所述叶片的所述第一和第三部分的纤维增强件部分至少部分地与穿透所述第二纤维增强件部分的所述第一纤维增强件部分的纱线互相交错。
所述叶片可以由陶瓷基质复合材料制成。
本发明还提供一种装配有多个如上限定的叶片的压缩机转子或压缩机盘。本发明还提供一种装配有这种转子的压缩机和一种包括所述压缩机的涡轮发动机。
附图说明
通过以非限制性描述的方式给出的如下说明并且参考附图将更好地理解本发明，在附图中：
·图1为本发明的一个实施方案中的转子轮叶片的立体图；
·图2为两组纱线层在多层编织的纤维坯件中的排列的高度示意图，所述纤维坯件用于制备用于图1中所示种类的叶片的纤维预成型件；
·图3至5显示了从图2的纤维坯件制备用于如图1中所示的叶片的纤维预成型件的连续步骤；
·图6A为在图2的纤维坯件对应于翼面和叶片根部之间的接合部的位置的部分中的不连续的经纱截面图；
·图6B为在图2的纤维坯件对应于翼面和叶片根部之间的接合部的位置的部分中的不连续的纬纱截面；
·图7A为在图2的纤维坯件对应于翼面和叶片外部平台之间的接合部的位置的部分中的不连续的经纱截面图；
·图7B为在图2的纤维坯件对应于翼面和叶片外部平台之间的接合部的位置的部分中的不连续的纬纱截面；
·图8A为示例性显示在纤维坯件对应于叶片根部部分的部分中的纬纱排列的纬纱截面图；
·图8B至8D为显示图8A的纤维坯件部分中的多层编织的一个实施例的经纱平面的纬纱截面图；和
·图9和10为叶片根部的变型实施方案的高度示意图。
具体实施方式
本发明可应用于各种涡轮发动机叶片，根据本发明，所述涡轮发动机叶片包括至少一个与翼面结构结合的根部。所讨论的叶片特别为用于各种燃气涡轮轴的压缩机叶片和涡轮叶片，并且也可以结合其他元件，例如特别是内部平台或外部平台，所述内部平台有可能具有抗倾斜边缘和/或悬挑部，所述外部平台有可能具有悬挑部和/或擦拭器。然而，本发明还适用于结合根部的叶片，其中在制造用于叶片的纤维预成型件的过程中，即在致密化之前或在致密化之后，一个或多个这些元件被加入。
图1显示了用于低压(BP)涡轮转子轮的叶片100，所述叶片100包括翼面120和根部130，所述根部130通过例如具有灯泡状截面的更大厚度的部分形成，并且通过柄脚132延伸。叶片120以纵向方向在其根部130及其顶端121之间延伸，并且在横截面中其呈现厚度变化的弯曲轮廓，所述弯曲轮廓限定两个表面122和123，所述两个表面122和123分别对应于叶片120的抽吸侧和压力侧，并且每个表面互相连接叶片的前缘120a和后缘120b。
通过将根部130接合入在转子的外围处形成的互补形状的外壳，从而将叶片120安装在涡轮转子(未示出)上。
在所述实施例中，翼面120还具有内部平台140和外部平台160。
更具体地，在其径向内端处，翼面120连接至内部平台140，所述内部平台140的外表面(或顶表面)142沿径向在内侧限定气流f的流动通道。在其上游和下游(以气流f的流动方向)的端部中，内部平台140由覆盖悬挑部144和146终止。
在所示实施例中，台的表面142基本上垂直于叶片的纵向方向。取决于气流的流动通道的内表面所需要的轮廓，台的表面142同样可以倾斜从而相对于叶片的纵向方向的法线而整体形成非零角度，和/或表面142可以具有通常非直线的轮廓，例如弯曲轮廓。
翼面120也在其径向外端处连接至外部平台160，所述外部平台160在其内表面(底表面)161上沿径向在外侧限定气流f的流动通道。在其外表面(顶表面)162上，外部平台160限定凹部或洼部163。沿着洼部163的上游边缘和下游边缘，外部平台160带有擦拭器164和165，所述擦拭器164和165具有齿形轮廓，所述齿的端部适合刺入涡轮环(未示出)上的可磨损材料层从而减小叶片顶端和涡轮环之间的空隙。在所示实施方案中，外部平台160的表面161呈现弯曲轮廓，所述弯曲轮廓相对于叶片的纵向方向的法线而整体形成非零角度。在一个变型中，取决于气流流动通道的外表面所需的轮廓，表面161可以具有通常直线和/或基本上垂直于叶片的纵向方向延伸的轮廓。
图2为纤维坯件200的高度示意图，通过所述纤维坯件200可以成形叶片纤维预成型件，使得在用基质致密化之后和可能在机械加工之后，获得具有全部结合其中的根部、内部平台和外部平台的复合材料叶片，如图1中所示的叶片100。
坯件200包括两个纤维条带202和204，所述纤维条带202和204通过三维编织或多层编织获得，图2中仅显示这两个部分的几何外皮。为了使图2更为清楚，条带202和204以彼此隔开的形式显示。然而，实际上条带204尽可能紧密地编织至条带202。
纤维条带202具有第一部分202c，所述第一部分202c在成形之后用于构成对应于翼面预成型件的叶片纤维预成型件部分，该部分呈现表面202a和表面202b，所述表面202a用于形成翼面的压力侧，所述表面202b用于形成翼面的抽吸侧。条带202还具有更大厚度的第三部分202e，所述第三部分202e用于构成叶片根部预成型件部分并且通过第二部分202d连接至第一部分202c，所述第二部分202d具有逐渐减少的厚度并且用于构成叶片柄脚预成型件。
在成形之后，纤维条带204用于构成对应于叶片的根部、内部平台和外部平台(包括其悬挑板)的预成型件的那些叶片纤维预成型件部分。
两个条带202和204通常以对应于待制备的叶片的纵向方向的方向X延伸。在其用于形成叶片根部预成型件的较厚部分202e中，纤维条带202呈现例如在约5毫米(mm)至6mm范围内的厚度e21，并且在其用于形成翼面预成型件的部分202c中呈现小于厚度e21的厚度e22，例如平均约3mm。厚度e22可以沿着用于形成翼面预成型件的部分的长度随着待制备的叶片的翼面轮廓的厚度而变化。
在其用于形成对应于如下所述的连接部分230c的叶片根部预成型件部分的部分中，纤维条带204呈现例如在约4mm至5mm范围内的厚度e1，并且在其对应于特别是如下所述的连接部分240c和250c的其他部分中，其呈现小于厚度e1的厚度e42，例如约3mm。
纤维条带202呈现宽度l，所述宽度l根据待制备的叶片的翼面的轮廓的展开长度(当平坦时即为其长度)进行选择，而纤维条带204具有大于宽度l的宽度L，所述宽度L根据待制备的叶片的内部平台和外部平台的展开长度进行选择。
条带204具有第一部分204a和第三部分204c以及第二部分204b和第四部分204d，所述第一部分204a和第三部分204c沿着条带202的第二表面202b(抽吸侧)并且在第二表面202b旁边延伸，所述第二部分204b和第四部分204d沿着条带202的第一表面202a(压力侧)并且在第一表面202a旁边延伸。
部分204a和204b通过连接部分230c连接在一起，所述连接部分230c在对应于待制备的叶片的根部位置的位置处横向穿过条带202延伸。连接部分230c基本上垂直于纤维坯件的纵向方向穿过条带。
部分204b和204c通过连接部分240c连接在一起，所述连接部分240c在对应于待制备的叶片的内部平台位置的位置处横向穿过条带202延伸。连接部分240c基本上垂直于纤维坯件的纵向方向穿过条带。
部分204c和204d通过连接部分250c连接在一起，所述连接部分250c以波浪轮廓在对应于待制备的叶片的外部平台位置的位置处横向穿过条带202延伸。
如上所述，取决于叶片的根部、内部平台和外部平台所需的形状，一个或多个连接部分230c、240c和250c可以垂直于坯件的纵向方向X或者以相对于坯件的纵向方向X的法线的非零角度穿过条带202，和/或可以呈现直线或曲线轮廓。
如下文更详细地描述，条带202和204通过多层编织同时编织，而不在条带202和条带204的部分204a、204b、204c和204d之间互连，多个叶片200以方向X接连连续编织。
条带202和204中的各自额外厚度e21和e1可以特别通过在这些区域中使用更大重量的纱线和/或通过在这些区域中增加经纱或纬纱层的个数而获得。
图3至5为高度示意的并且它们显示了如何通过纤维坯件200获得形状接近待制备的叶片的纤维预成型件。
纤维条带202在其位于连接部分230c下方的较厚部分202e的一个端部处切断，并且在另一个端部处略微超过连接部分250c切断从而具有条带220，所述条带220的长度对应于待制备的叶片的纵向尺寸并且具有由较厚部分202e形成的并且位于对应于待制备的叶片的根部位置的位置处的放大部分230。条带220呈现出表面220a和表面220b，所述表面220a用于形成翼面的压力侧，所述表面220b用于形成翼面的抽吸侧。
此外，在条带204的部分204a和204d的端部处以及在其部分204b和204c中进行切割，从而留下连接部分230c两侧上的片段230a和230b，连接部分240c两侧上的片段240a和240b，和连接部分250c两侧上的片段250a和250b，如图3中所示。片段230a、230b、240a、240b、250a和250b的长度根据待制备的叶片的根部、内部平台和外部平台的宽度进行确定。
由于在纤维预成型件的条带202和任何部分204a、204b、204c和204d之间没有互连，片段230a、230b、240a、240b、250a和250b可以垂直于条带220折叠而不切断纱线从而形成板230、240和250，如图4中所示。
然后通过模制和使条带220变形从而复制叶片翼面的弯曲轮廓，并且使板240和250变形从而复制分别与内部平台的形状和外部平台的形状相似的形状，从而获得待制备的叶片的纤维预成型件300，如图5中所示。在致密化之后，机械加工预成型件300从而赋予板230与待制备的叶片的根部形状相似的形状。这产生具有翼面预成型件部分320、根部预成型件部分330(包括柄脚预成型件部分)，和用于内部平台和外部平台的预成型件部分340和350的预成型件300。
纤维坯件200使用经纱编织，所述经纱以坯件的纵向方向X延伸，注意到也有可能用以该方向延伸的纬纱进行编织。
在一个实施方案中，所使用的纱线可以为由日本供应商NipponCarbon以名称“Nicalon”提供的并且具有0.5K(即500根单丝)的重量(以单丝数量表示)的碳化硅(SiC)纱线。
自然地，取决于可用纱线的重量，对于待获得的轮廓可以采取纱线层数量的不同组合以及丝线数和丝线重量的变化。
例如，纤维坯件200的编织可以为使用缎纹织纹或多缎纹织纹进行的多层编织。也有可能进行其他种类的多层编织，例如使用多平纹织纹的多层编织或使用“双罗纹”织纹的编织。在本文中使用的术语“双罗纹”意指每个纬纱层与多个经纱层结合的织纹，其中给定纬列中的所有纱线在织纹平面中具有相同的移动。
进行多层编织的各种方式特别描述于文献WO2006/136755。
图6A为图2的纤维坯件的条带202与条带204的连接部分230c交叉之处的部分的经纱截面图，该连接部分的经纱以截面显示。条带204的每个经纱层C204在该连接部分230c中以垂直于条带202的纬纱方向t202的方向延伸。在编织的过程中，通过使条带202的所有经纱和纬纱分别与条带204的每个经纱交叉从而使条带204从条带202的一侧穿过至另一侧。
图6B为在图2的纤维坯件的条带202与条带204的连接部分230c交叉之处条带202和204各自的纬纱t202和t204。在所示实施例中，并且如上所述，连接部分230c垂直于条带202的经纱层C202的方向延伸。
图2的纤维坯件中的条带202与条带204的连接部分240c交叉之处的经纱截面图和纬纱截面图与图6A和6B中所示的相似，但是由于在连接部分230c和连接部分240c之间的条带202和204的厚度差，在条带202和204中分别具有更少量的经纱层C202和C204。
图7A为图2的纤维坯件的条带202与条带204的连接部分250c交叉之处的经纱截面图。在该部分中，条带204的经纱层C204遵循如图7A中所示的弯曲轮廓穿透在条带202的纬纱t202之间。当然，取决于外部平台所需的形状，条带204的经纱层C204可以进入和离开具有其他形状的轮廓(例如直线轮廓)的条带202。
图7B为在条带202与条带204的连接部分250c交叉之处条带202和204各自的经纱t202和t204的经纱截面图。在所示实施例中，并且如上所述，连接部分250c垂直于条带202的经纱层C202的方向延伸。
纤维条带202的较厚部分202e和条带204的连接部分230c中呈现的额外厚度可以通过使用更大重量的纬纱和通过使用额外的纬纱层而获得，如例如图8A中对于较厚部分202e所示。
在图8A中，在该实施例中，在对应于用于构成叶片柄脚预成型件的减小厚度的部分202d的部分2021和对应于用于形成叶片根部预成型件部分的条带202的较厚部分202e的部分2023之间，纬纱层的数量从四个至七个。
此外，可以使用不同重量的纬纱t202、t'202和t"202，纱线t202为重量为0.5K(500根单丝)的NicalonSiC纱线，纱线t'202通过结合两个0.5K纱线而获得，并且纱线t"202通过结合三个0.5K纱线而获得。
坯件的部分2023中的编织需要比部分2021更大数量的经纱。这通过结合来自部分2021中的两个经纱平面的经纱制成部分2023中的每个经纱平面以减少经纱平面的数量从而在部分2021和2023之间的过渡之处有利地获得。图8B和8C显示了部分2021中的两个相邻的经纱平面，图8D显示了在部分2023中通过结合图8B和8C的经纱平面而获得的单个经纱平面。出于简化目的，图8B、8C和8D没有显示经纱或纬纱的不同重量(如图8A中所示)。在一方面图8B和8C以及另一方面图8D之间，虚线显示图8B和8C中的各个层的经纱如何形成图8D中的层的经纱。
当然，有可能采取经纱层数量和纬纱层重量的其他组合从而形成纤维条带202的部分202e和条带204的连接部分230c中呈现的额外的厚度。
下文为连续步骤和预成型件的致密化的说明，可以进行所述连续步骤从而成形本发明的外部平台元件或叶片的纤维预成型件。
如上所述，用于形成外部平台元件或叶片的纤维增强件的纤维坯件通过多层编织或通过堆叠纤维结构进行编织。对于在高温下并且特别在腐蚀环境(特别是湿环境)下使用的涡轮发动机叶片，用于编织的纱线由陶瓷纤维，特别是碳化硅(SiC)纤维制成。对于较低的温度，也有可能使用碳纤维。
用于形成待制备部件的纤维增强件的纤维预成型件的致密化包括贯穿预成型件的全部或部分体积使用材料，所述材料用于构成填充预成型件的孔的基质。该致密化可以以已知方式使用液相技术(CVL)或化学气相渗透(CVI)的气相技术或实际上通过结合这两种方法而进行。
液相技术包括用包含基质材料的前体的液体组合物浸渍预成型件。前体通常为有可能在溶剂中稀释的聚合物例如树脂的形式。将预成型件放置在模具中，所述模具可以以气密方式封闭并且具有模制部件的最终形状的空腔。之后，封闭模具并在整个空腔中注入液体基质前体(例如树脂)从而浸渍预成型件的全部纤维部分。
在已经除去任何溶剂之后，通过热处理，通常通过加热模具使前体转化成基质，即进行聚合，并且在聚合物已经固化之后，预成型件始终保持在模具中，所述模具的形状对应于待制备部件的形状。
当形成碳基质或陶瓷基质时，热处理包括热解前体从而取决于所使用的前体并且取决于热解条件使基质转化成碳基质或陶瓷基质。例如，陶瓷(特别是SiC)的液体前体可以为如下类型的树脂：聚碳硅烷(PCS)；或聚钛碳硅烷(PTCS)；或聚硅氮烷(PSZ)类型；而碳的液体前体可以为具有相对高焦炭含量的树脂，例如酚醛树脂。可以连续进行数个从浸渍至热处理的循环从而达到所需的致密化程度。
在本发明的一个方面，特别是当形成有机基质时，纤维预成型件可以通过公知的树脂传递模制(RTM)法进行致密化。在RTM法中，将纤维预成型件放置在具有待制备部件的外部形状的模具中。在包含纤维预成型件的模具的内部空间中注入热固树脂。通常在所述内部空间中在注入树脂的位置和用于使所述空间排气的孔口之间建立压力梯度，从而控制和优化预成型件被树脂的浸渍。
以已知的方式，纤维预成型件还可以使用气相技术通过基质的化学气相渗透(CVI)进行致密化。将对应于待制备结构的纤维预成型件放置在炉中，在所述炉中加入反应气体。与适用于化学气相沉积(CVD)法的压力和温度条件(所述压力和温度条件仅在材料的表面上造成沉积)不同，这样选择炉中存在的压力和温度和气体的组成，使得气体能够在预成型件的孔内扩散，从而通过沉积与纤维接触的固体材料(所述材料源自气体成分的分解或多种成分之间的反应)而在材料的芯部中形成基质。
SiC基质可以使用通过MTS分解产生SiC的甲基三氯硅烷(MTS)形成，而碳基质可以用通过裂解产生碳的烃气体例如甲烷和/或丙烷获得。
还可以使用结合液相技术和气相技术的致密化从而有助于操作、限制成本和限制制造循环次数，同时获得对于目标应用令人满意的特征。
特别地，基质可以使用环氧树脂(例如高性能环氧树脂)或通过使用碳基质或陶瓷基质的液体前体而获得。
在所述实施例中，通过固结组合物(通常为任选在溶剂中稀释的树脂)浸渍纤维坯件。有可能使用碳前体树脂，例如酚醛树脂或呋喃树脂，或陶瓷前体树脂，例如作为SiC的前体的聚硅氮烷或聚氧基硅氧烷树脂。
在干燥以从树脂中除去任何溶剂之后，有可能预固化树脂。预固化或不完全固化用于增加硬度并因此增加强度，同时保持制备外部平台元件或叶片的预成型件所需的变形能力。
以图3中所示的方式切割纤维坯件，特别是用于形成叶片的坯件。
之后，使坯件成形(如图5中所示)并将其放置在例如由石墨制成的模具中，从而在制备外部平台元件时成形外部平台的悬挑部和擦拭器板，并且在制备叶片时成形内部平台部分、根部和翼面部分。
之后，完全固化树脂并热解经固化的树脂。固化和热解可以通过逐步升高模具内的温度而依次进行。
在热解之后，获得用热解残余物固结的纤维预成型件。选择固结树脂的量使得热解残余物将预成型件的纤维粘合在一起从而足以对其进行操作同时保持其形状而无需借助于工具，应理解优选选择尽可能小的固结树脂的量。
经固结的预成型件然后用基质进行致密化。对于待在高温下和特别是在腐蚀环境中使用的涡轮发动机叶片，基质为例如由SiC制成的陶瓷基质。致密化可以通过CVI进行，在该情况下界面第二层的形成和基质的致密化可以在相同炉中依次进行。
致密化可以在两个连续步骤中进行，所述两个连续步骤通过将外部平台元件或叶片机械加工成所需尺寸的步骤分开。
应注意可以在固化之后和在热解树脂之前进行预机械加工。
在一个变体实施方案中，预成型件可以通过部分致密化进行固结同时维持在成形机中，固结通过以CVI在纤维上沉积陶瓷而进行。
成形机优选由石墨制成并且具有帮助造成界面的反应气体通过的孔，并且陶瓷通过CVI沉积。
一旦固结足以使得预成型件能够进行操作同时保持其形状而无需支持工具的存在，从成形机中取出经固结的预成型件并且用陶瓷基质通过CVI进行致密化。致密化可以在两个连续步骤中进行，所述两个连续步骤通过将外部平台元件或叶片机械加工成所需尺寸的步骤分开。
在以上描述中，通过使用重量和/或丝线数变化的纱线制成厚度变化的翼面轮廓。在一个变体中，有可能用一定数量的具有相同重量和恒定丝线数的纱线层制成对应于翼面预成型件部分的纤维坯件的部分，其中在第一致密化步骤之后在机械加工造作的过程中，或者在经固结的叶片预成型件上的预机械加工操作的过程中，获得轮廓厚度的变化。
取决于目标使用条件，叶片的纤维或纤维增强件也有可能由非陶瓷材料制成，例如由碳制成，并且基质也有可能由非陶瓷材料制成，例如由碳或树脂制成。本发明的叶片可以特别由陶瓷基质复合(CMC)材料制成，所述陶瓷基质复合(CMC)材料为由用基质致密化的碳纤维或陶瓷纤维增强件组成，所述基质至少部分由陶瓷制成，例如碳-碳/碳化硅(C-C/SiC)材料，碳/碳化硅(C/SiC)材料，碳化硅/碳化硅(SiC/SiC)材料，或碳/碳(C/C)复合材料，所述碳/碳(C/C)复合材料以已知的方式为由用碳基质致密化的碳纤维增强件组成的材料。
当然，本发明还可应用于从有机基质复合(OMC)材料(例如使用高性能环氧树脂获得的材料)制造叶片。
在预成型件已经致密化之后机械加工叶片根部的最终形状。当致密化在两个阶段中进行时，进行叶片根部预成型件的初始粗机械加工，并且在致密化预成型件的第二阶段之后进行第二精机械加工从而形成待制备的叶片根部的最终形状和尺寸。
本发明的叶片根部的形状不限于如图1中所示的灯泡形状。取决于叶片根部待接合其中的转子外壳的形状，和/或在叶片根部上施加的力的所需分布，本发明的叶片可以具有多种其他形状，例如特别是直线或十字架形状，如图9中的根部430，或基本多边形形状，如图10中的根部530。
此外，在上述叶片中，纤维坯件对应于以单个片材形式编织的纤维结构，所述纤维结构不仅结合用于形成叶片的翼面的第一部分而且结合用于形成根据本发明的叶片根部的第二部分连同分别用于形成内部平台和外部平台的第三和第四部分，第二、第三和第四部分各自至少部分地与第一部分交错(至少为第一部分与第二、第三和第四部分的纱线交叉的部分)。
然而，本发明的叶片不限于这种叶片结构。
通常地，本发明的叶片覆盖任何类型的叶片，所述叶片具有构成形成单个片材的翼面的第一部分和至少一个形成叶片根部的第二部分，对应于叶片的第一和第二部分的纤维增强件部分至少部分地与穿透第一纤维增强件部分的第二纤维增强件部分的纱线互相交错，叶片还有可能至少包括：
·第三部分，所述第三部分形成如下元件中的全部或一些：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；
·外部平台，所述外部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有擦拭器；和
·对应于叶片的第一和第三部分的纤维增强件部分至少部分地与穿透第一纤维增强件部分的第三纤维增强件部分的纱线互相交错，如法国专利申请No.1055160和1055161中所述；
·第三部分，所述第三部分形成如下元件中的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；
·外部平台，所述外部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有擦拭器；和
·对应于第三部分的纤维坯件与对应于构成叶片的翼面的第一部分的纤维坯件分开并且例如通过缝合紧固至对应于构成叶片的翼面的第一部分的纤维坯件。
·内部平台元件，所述内部平台元件具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘，平台元件独立于互相交错的第一和第二部分制造然后被装配至如国际专利申请WO2010/116066中所述的叶片的翼面上；和
·外部平台元件，所述内部平台元件具有或不具有悬挑部并且具有或不具有擦拭器，外部平台元件独立于互相交错的第一和第二部分制造然后被装配至如国际专利申请WO2010/116066中所述的叶片翼面上。

Claims (14)

1.一种由复合材料制备涡轮发动机叶片(100)的方法，所述复合材料包含用基质致密化的纤维增强件，所述方法包括：
·通过对单个片材进行多层编织来制备纤维坯件(200)，所述纤维坯件(200)在对应于待制备叶片的纵向方向的所述纤维坯件的纵向方向上包括：第一组(202)多个纱线层，所述第一组(202)多个纱线层互连从而形成所述坯件的对应于翼面预成型件(320)的第一部分(202c)；和第二组(204)一个或多个纱线层，所述第二组(204)一个或多个纱线层至少局部互连从而形成所述坯件(200)的对应于叶片根部预成型件(330)的至少第二部分(230c)；所述第一组(202)纱线层的纱线不与所述第二组(204)纱线层的纱线互连，所述第一组纱线层在所述坯件(200)的所述第二部分(230c)中与所述第二组纱线层的纱线交叉；
·对所述纤维坯件(200)进行成形，从而获得单片纤维预成型件(300)，所述单片纤维预成型件(300)具有形成翼面预成型件(320)的所述第一部分和形成叶片根部预成型件(330)的至少所述第二部分；并且
·用基质对所述单片纤维预成型件(300)进行致密化，从而获得复合材料叶片(100)，所述复合材料叶片(100)具有由所述单片纤维预成型件(300)组成并且用所述基质致密化的纤维增强件，从而形成结合叶片根部(130)的单个片材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维坯件(200)利用连续的第二组(204)纱线层进行编织，并且所述纤维坯件的成形包括：通过切掉所述第二组(204)纱线层的位于所述纤维坯件的所述第二部分(230c)外部的部分从而除去该部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括：将所述第二部分机械加工成待制备的叶片根部的形状。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维坯件(200)还包括至少一个第三部分(240c；250c)，所述第三部分(240c；250c)形成如下元件中的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台，所述外部平台具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器；并且
对所述纤维坯件进行成形包括：对所述纤维坯件(200)的所述第三部分(240c；250d)进行成形，从而获得同样具有所述第三部分的单个片材纤维预成型件(300)，在用基质对所述单个片材纤维预成型件进行致密化之后获得的所述叶片(100)形成单个片材，所述单个片材结合叶片根部(130)并且结合选自如下元件中的元件的一些或全部：
·内部平台(140)，所述内部平台(140)具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台(150)，所述外部平台(150)具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三部分(240c；250c)由所述第二组(204)多个纱线层形成，所述第一组(202)纱线层在所述坯件(200)的所述第三部分(240c；250c)中与所述第二组纱线层的纱线交叉。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纤维坯件(200)利用连续的第二组(204)纱线层进行编织，并且所述纤维坯件(200)的成形包括：通过切掉所述第二组(204)纱线层的位于所述纤维坯件(200)的所述第三部分(240c；250c)外部的部分从而除去该部分。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纤维坯件的所述第二部分(230c)中的所述第二组(204)纱线层中的纱线层数量大于所述第三部分(240c；250c)中的所述第二组(204)纱线层中的纱线层数量。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纤维坯件的所述第二部分(230c)中的所述第二组(240)纱线层中的纱线重量大于所述第三部分(240c；250c)中的所述第二组(204)纱线层中的纱线重量。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三部分对应于装配至所述纤维坯件的所述第一部分上的纤维结构。
10.一种由复合材料制成的涡轮发动机叶片(100)，所述复合材料包含通过纱线的多层编织并用基质致密化而获得的纤维增强件；所述叶片的特征在于，其包括第一部分和至少一个第二部分，所述第一部分构成作为单个片材形成的翼面(120)，所述第二部分构成叶片根部(130)，所述第一部分构成翼面(120)，所述翼面(120)包括第一组(202)多个纱线层，所述第一组(202)多个纱线层互连从而形成叶片的纤维增强件的第一部分(202c)，所述第二部分构成叶片根部(130)，所述叶片根部(130)包括第二组(204)一个或多个纱线层，所述第二组一个或多个纱线层(204)至少局部互连从而形成叶片的纤维增强件的第二部分(230c)，所述第一组(202)纱线层的纱线不与所述第二组(204)纱线层的纱线互连，第一组纱线层在所述叶片的纤维增强件的所述第二部分(230c)中与所述第二组纱线层的纱线交叉。
11.根据权利要求10所述的叶片，其特征在于，其进一步包括至少一个第三部分(140，150)，所述第三部分形成如下元件中的一些或全部：
·内部平台，所述内部平台具有或不具有悬挑部并且具有或不具有抗倾斜边缘；和
·外部平台，所述外部平台具有或不具有外部平台悬挑部并且具有或不具有外部平台擦拭器。
12.一种转子，具有一个或多个根据权利要求10至11任一项所述的叶片。
13.一种压缩机，装配有根据权利要求12所述的转子。
14.一种涡轮发动机，装配有根据权利要求13所述的压缩机。
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US5375978A (en) * 1992-05-01 1994-12-27 General Electric Company Foreign object damage resistant composite blade and manufacture

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