CN103974819A - 复合材料部件的高压成型 - Google Patents

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Abstract

复合材料预成型件在高压下成型，形成可以用来代替金属基高性能部件的复合材料部件，例如涡轮风扇喷气发动机中的出口导向叶片，所述的复合材料预成型件包括两个不同的纤维取向，它们在高压下在树脂基体中被共同成型，以提供复合材料出口导向叶片和其它高性能的部件。复合材料部件的内室可选地在预成型件的高压成型过程中形成。

Description

复合材料部件的高压成型
发明背景
1.技术领域
本发明主要涉及预成型的纤维增强树脂成分的成型，形成具有多个纤维取向和/或一个或多个内部腔室的复合材料部件。更具体地说，本发明涉及这种预成型件在高压下的成型。
2.相关技术描述
复合材料通常包括纤维和树脂基体作为两个主成分。复合材料通常具有相当高的强度重量比。结果是，复合材料被用在苛刻的环境中，例如在航空航天领域中，复合材料部件的高强度和相对轻的重量是特别重要的。
高强度金属和金属合金在过去已被用于形成承受高应力负荷的飞机部件和结构。采用金属的优点在于，除了极高的强度，金属可以被精确地加工，使得配合部件的几何形状能够紧密地配合，精密的尺寸公差可以得到满足。孔也可以被精确地加工到金属结构中，以接受高耐受性的紧固件和定位销。
通常用于推进飞机的涡轮风扇发动机包括许多的经受极端应力的部件，还必须满足精确的尺寸公差。这样的部件的一个例子是出口导向叶片(0GV)。这些叶片是位于涡轮风扇发动机的旁通区域的翼型部件。出口导向叶片将来自前方风扇组件的径向气流重新导向，转换成去到涡扇压缩机的轴向气流。每个引擎可以包含多达100个或以上的出口导向叶片。为了在这种苛刻的环境下正常工作，出口导向叶片传统上由坚固的金属或金属合金制成。一些出口导向叶片由高强度金属围绕较轻的核心材料制成。最近，出口导向叶片已包括金属框架，在其上安装复合材料蒙皮。例如，参见公布的申请号为2010/0209235A1的美国专利申请。这些以金属为基础的出口导向叶片都常常相对较重。因此，人们希望提供一种完全由复合材料制成的重量更轻的出口导向叶片，与金属基出口导向叶片具有相同的结构特性和加工特性。
由复合材料制作出口导向叶片提出了许多重大的挑战。为了确保成品部件没有砂眼或其它缺陷，一般需要使用成型技术，在成型过程中压力被施加到复合材料。然而，生产出具有与加工成型的金属部件的公差同样精密的公差的成型复合材料部件是非常困难的。加工复合材料部件而不产生结构损伤也很困难。纤维往往被破坏，脱层可能发生，这大大降低了部件的强度。由于单向纤维取向所提供的独特的结构和强度特性，包含单向(UD)纤维的复合材料部件通常用在许多结构件中。由单向纤维所提供的高定向强度使得这种取向用于制造出口导向叶片特别有吸引力。但是，加工包含单向纤维的复合材料部件而不对部件的强度产生不利影响是特别难的。
另一个重大的挑战是，出口导向叶片的中心翼型件和将翼型件连接在发动机上的安装法兰或平台具有独特的、不同的设计要求。例如，翼型件需要在结构上坚固，以承受高气流载荷。法兰必须足够强以固定翼型件，也必须满足严格的尺寸公差，以向发动机提供可靠的和精确的装配。
一种复合材料已经开发出来，可以精确地加工成严格的尺寸公差。该复合材料是由浸渍有热固性树脂的单向带的随机取向的段构成的。这种类型的准各向同性纤维材料已用于制造高压模具和各种航空航天组件。该材料可以由Hexcel公司(都柏林，CA)以商品名获得。使用制作的这种类型的部件的示例在美国专利号7，510，390、7，960，674和美国专利申请号12/856，210中描述。
有持续的需要要求开发新的工艺和步骤制作复合材料部件，使其可以用于代替传统地由金属制作的出口导向叶片和其他高性能部件。
发明内容
根据本发明，提供了完全由复合材料制成的出口导向叶片。出口导向叶片包括成型体，其由纤维增强材料和固化树脂构成，其中所述成型体包括中心翼型件部分和形成成型体的端部的两个实心安装法兰或平台。作为本发明的一个特征，位于中心翼型件部分内的纤维是单向的，位于端部内的纤维是单向纤维带的随机取向段。发现，这两个不同的纤维取向可以在高压下在树脂基体中被结合和共同成型，以提供满足中心翼型件部分和安装法兰的结构强度和尺寸要求的复合材料出口导向叶片。这样的发现，即单向纤维和单向带的随机取向的段可共同成型，以提供具有不同局部性质的复合材料部件，这并不限于出口导向叶片。而是，这种发现适于多种部件，其中部件的一部分需要由单向纤维提供的结构强度和刚度，部件的另一部分必须满足严格的尺寸公差，这通常需要加工该部件。
作为本发明的另一特征，提供了复合材料出口导向叶片，通过在中心翼型件部分内部形成中空室，叶片的重量减少了。中空的出口导向叶片是通过成型具有与出口导向叶片的形状非常匹配的形状的预成型件而制成的。预成型件或可成型体由纤维增强材料和未固化的热固性树脂构成。未固化的热固性树脂具有固化温度，在该固化温度树脂从可成型树脂转化成具有远远高于固化温度的玻璃化转变温度(Tg)的固体树脂。固体型芯(mandrel)位于所述预成型件内，从而在中心翼型件部分内部形成腔室。所述固体型芯是由在高于热固性树脂的固化温度、但是低于固化的固体树脂的玻璃化转变温度的熔化温度下熔化而形成液体的材料构成。发现组合的复合材料的高压成型需要在高于固化温度的温度下熔化的固体型芯，以防止在提供合适的复合材料部件所需的高压下型芯材料的变形和液体型芯材料的渗漏。型芯材料还必须在低于固化部分的玻璃化转变温度下熔化。否则，型芯材料不能熔化并从翼型件腔室中取出而不损坏部件的树脂基体。
可熔型芯可以用于复合材料的高压成型而形成中空腔室的发现也不限于出口导向叶片。相反，该发现适于范围广泛的、需要一个或多个内部腔室以便减少重量或满足一些其他的设计要求的部件。
本发明涵盖了采用本发明的上述特征的复合材料出口导向叶片以及其他复合材料部件。本发明还涵盖了被成型以形成最终的复合材料部件的预成型件或可成型体。此外，本发明涵盖了用于在高压下成型可塑体以形成最终部件的方法。
当结合附图参照以下详细描述时，上述的和许多其他的特征和本发明的附带的优点将变得更好理解。
附图说明
图1是喷气发动机的简化视图，其中显示出出口导向叶片位于所述喷气发动机内。
图2是示例性的出口导向叶片的透视图，其包括由树脂浸渍的单向纤维制成的空心的中心翼型件部分和两个由树脂浸渍的单向带的随机取向的段制成的实心法兰端部。
图3是按照本发明的具有单个腔室的空心中心翼型件部分的剖面图。
图4是按照本发明的具有由中心翼梁分开的两个腔室的空心中心翼型件部分的剖面图。
图5是出口导向叶片预成型件放置在两个半模之间以成型形成出口导向叶片的视图。
图6是按照本发明的一个实心出口导向叶片的剖视图，其中保护性金属层在出口导向叶片的成型过程中被粘附到中心翼型件部分的前缘。
图7是用于在出口导向叶片翼型件内形成腔室的可熔型芯。该型芯是由锡-锌共晶合金制成。
图8是形成在图7所示的可熔型芯上的出口导向叶片预成型件。预成型件是由中心翼型件部分中的单向纤维和单向纤维带的随机取向段和在196℃固化的热固性树脂的结合制成的。
具体实施方式
本发明的高压成型工艺可用于制造各种各样的复合材料部件，其中理想的是将单向纤维和单向带的随机取向段结合在单个部件中，以满足不同的结构要求，同时也能满足不同尺寸公差。该工艺也可用于在复合材料部件内设置一个或更多个腔室。本发明是针对由未固化的热固性树脂和纤维增强材料构成的预成型件的高压成型。高压成型利用在500psi到2000psi的模具中的压力。
可以使用本发明的成型工艺制成的复合材料部件的例子包括喷气发动机的出口导向叶片，推力反向器格栅，各种发动机的翼型件，检修门，支架，法兰和用于航空结构的加强件。以下详细描述是针对从树脂浸渍的预成型件成型出口导向叶片的方法和步骤。然而，应当理解的是，本文描述的方法和步骤可以用于制作其它类似的实心和有腔室的复合材料部件。
简化的涡轮风扇喷气发动机在图1中以标记10大体上示出。涡轮风扇喷气发动机10包括风扇组件12，其位于涡轮风扇喷气发动机核心14的前面。从风扇组件12排出的气流被引导到在核心14中的压缩机，在该处进一步压缩。被压缩的空气被引导到燃烧器，在该处它与燃料混合并点燃以形成热的燃烧气体。该燃烧气体被引导到涡轮中，从气体提取能量，来给压缩机供能和产生用于推进飞机的动力。出口导向叶片16配置在涡轮风扇喷气发动机10中，将从风扇组件12排出的径向空气重新导向成在涡轮风扇喷气发动机10的旁通区域中的轴向气流。出口导向叶片16包括位于安装法兰之间的中心翼型件部分。法兰用于将出口导向叶片16牢固地连接到涡轮风扇喷气发动机上。
示例性的全复合材料出口导向叶片示于图2中的20。出口导向叶片20包括中空的中心翼型件部分22和两个实心法兰24和26，用于将翼型件22连接到涡轮发动机。如图3所示，翼型件部分22包括一个在成型过程中形成的腔室28。备选的示例性全复合材料出口导向叶片30示于图4中。出口导向叶片30包括两个腔室32和34，它们被中心定位的、延伸过翼型件部分的长度的梁36分开。第三种出口导向叶片的示例示于图6中的60。出口导向叶片60具有实心中心翼型件62和实心法兰(未示出)。出口导向叶片60也包括保护性的金属护罩64，其结合到所述叶片的前缘。
根据本发明，所述出口导向叶片通过复合材料预成型件或可成型体的高压成型制成，该可成型体是由未固化的树脂和纤维增强材料构成的复合材料。在图8中示出了示例性的预成型件40，其可以被成型以形成所述出口导向叶片。预成型件40被成形为很类似于最终的出口导向叶片。出口导向叶片的一个示例是长20厘米、宽5厘米、翼型件部分厚度从0.1到0.5厘米。对于这样的出口导向叶片，该预成型件的所有尺寸除了厚度以外，应减小0.2到1.5厘米。预成型件40具有中心翼型件部分42，其可以或可以不包括可熔金属型芯，取决于是否需要中空翼型件。预成型件还包括实心端部或法兰44和46。
在该预成型件40中使用的未固化的树脂可以由任何通常用于结构应用的热固性或热塑性树脂构成。优选地，未固化的树脂基体的量将介于预成型件总重量的百分之25至45的重量。未固化的树脂基体可以是任何环氧树脂，双马来酰亚胺树脂，聚酰亚胺树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，氰酸酯树脂，酚醛树脂或在结构复合材料中使用的热塑性树脂。示例性热塑性树脂包括聚苯硫醚(PPS)，聚砜(PS)，聚醚醚酮树脂(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，聚醚砜(PES)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚酰胺-酰亚胺(PAI)。环氧树脂是用热塑性材料韧化的，如PES，PEI和/或PAI，是优选的树脂基体。通常存在于在航空航天工业中使用的类型的UD带中的树脂是优选的。适合于用作树脂基体的示例性的热塑性增韧树脂是在专利号为7，754，322和7，968，179和申请号为12/764，636的美国专利申请中描述的。
当根据本发明使用可熔型芯来在部件中形成腔室时，热塑性树脂是不能使用的。热塑性树脂不能固化以形成具有足够高于固化温度、以熔化和除去可熔型芯而不会损坏热塑性部件的玻璃化转变温度的固体树脂。因此，当在复合材料部件中形成一个或多个腔室的时候，必须使用热固性树脂。用热塑性材料韧化的热固性树脂可被用于形成具有腔室的部件。用热塑性塑料韧化的环氧树脂是优选的。
未固化的树脂和纤维增强材料可以被单独加入到预成型件中。然而，优选的是，所述纤维在被用于制造预成型件之前，预浸渍有树脂。这样的预浸渍纤维通常被称为“预浸料坯(prepreg)”。预成型件是通过将预浸料坯形成为所需的预成型件的形状而制备的。当使用可熔型芯时，各种预浸料坯均匀放置在型芯周围。
利用树脂浸渍的单向带的随机取向的段通常被称作准各向同性砍切预浸料坯。准各向同性砍切预浸料坯是一种随机的不连续纤维复合材料(DFC)，可以由Hexcel公司(都柏林，CA)以商品名HexMC购买获得。如前所述已被用于多种用途，包括航空航天物品和高强度的模具。
准各向同性(Q-I)的预浸料坯是由单向纤维带的段或“片”和树脂基体构成。Q-I预浸料坯通常作为由切碎的单向带预浸料坯的随机取向的片组成的垫。片的尺寸和纤维的类型可以变化，取决于预成型件的尺寸和形状，以及该预成型件必须被加工的多精确以满足尺寸公差，如果有的话。优选的是，片是1/3英寸宽，2英寸长和0.006英寸厚。片包括单向纤维，可以是碳，玻璃，芳族聚酰胺，聚乙烯或任何在航空航天工业常用的纤维类型。碳纤维是优选的。该片是在垫子中随机取向的，它们相对平坦的放置。这赋予了垫子横向各向司性性能。
被切碎形成片和段的UD带预浸料坯包括树脂基体，可以是任何前面提到的通常在航空航天预浸料坯中使用的树脂。被热塑性塑料增韧的热固性环氧树脂是优选的，因为如果需要加工最终的复合材料部件，它们往往更不易破碎或脱层。片的树脂含量也可在总的预浸料坯重量的百分之25至45之间的重量百分比之间变化。片的树脂含量重量百分比在百分之35至40之间是优选的。当形成准各向同性砍切预浸料坯时，通常没有额外的树脂加入到预浸料坯片中。存在于初始的UD带预浸料坯中的树脂是足够将片粘结在一起以形成垫的。
该准各向同性(Q-I)砍切预浸料坯可以通过购买或制作期望宽度的单向预浸料坯带或纤维束而制成。带或纤维束然后被切成期望长度的片，片被随机放置在层中以形成预成型件的实心部分，或随机布置在预成型件腔室部分的型芯周围的均匀的层中。随机放置的UD预浸料坯片被压到一起，以形成预成型件。当型芯存在于所述预成型件中时，预成型件可完全由Q-I预浸料坯片构成。否则，随机取向的UD预浸料坯片只用来形成预成型件的一部分，其它部分由UD预浸料坯和/或其它纤维取向构成。当压在一起时，由于预浸料坯的树脂的存在，单个随机取向的UD预浸料坯片自然地结合在一起。但是，优选的方法是购买或等效的市售的准各向同性砍切预浸料坯，其以片材的形式被提供，然后用于形成预成型件的实心部分和/或预成型件的腔室部分。
示例性的优选的准各向同性砍切预浸料是8552/AS4。该准各向同性砍切预浸料被以连续的一卷宽46厘米，厚0.20厘米垫子的形式提供。8552/AS4单向纤维预浸料坯是用来制作在准各向同性垫中被随机取向的片的。8552/AS4预浸料坯是0.016厘米厚的碳纤维/环氧单向带，并且具有约145克/平方米的纤维面积重量。带的树脂的含量为百分之38的重量，具有的树脂(8552)是热塑性增韧环氧树脂。带被切开以提供0.85厘米的条，被切断以提供5厘米长的片。片的密度是约1.52克/立方厘米。其它示例性的准各向同性砍切预浸料坯可以使用其他的HexPly单向预浸带，如EMC116/AS4(环氧树脂/碳纤维)，8552/工M7(热塑性增韧环氧树脂/碳纤维)，3501-6/T650(环氧树脂/碳纤维)和M21/工M7(热塑性增韧环氧树脂/碳纤维)制作。8552/AS4和M21/IM7是优选的准各向同性砍切预浸料坯，供单独使用或与其它纤维取向相结合，以形成根据本发明的预成型件。
编织纤维织物和其他纤维的取向可以被用来与随机取向的UD预浸料坯片组合以制作该预成型件。然而，优选的是使用单向纤维。UD纤维可以含有几百到12000或更多的丝。UD纤维通常被提供作为由单向取向的连续纤维组成的带。UD带是优选的用于形成纤维结构的预浸料坯类型。单向带可从商业来源获得，或者可以用已知的预浸料坯形成工艺来制造。UD带的尺寸可以根据要制造的特定的复合材料部件而在很宽的范围内变化。例如，UD带的宽度(垂直于UD纤维的尺寸)范围可以为从0.5英寸到一英尺或更多。该带通常是从0.004至0.012英寸(0.01至0.03厘米)厚，UD带的长度(平行于UD纤维的尺寸)可以从0.5英寸(1.3厘米)到几英尺(一米)或更多的范围内变化，取决于该预成型件的大小和形状，以及该预成型件内每片UD带的特定取向。
一个优选的市售单向预浸料坯的例子是8552，这是可以从Hexcel公司(都柏林，加利福尼亚州)获得的。8552可以从各种含有胺固化增韧环氧树脂基体含量在百分之34至38重量百分比的单向带配置和具有3000到12000的丝的碳或玻璃UD纤维中获得。该纤维通常占UD带的百分之60体积百分比。优选的UD纤维是碳纤维。
当制造图6中60所示的类型的实心出口导向叶片时，UD带预浸料坯纵向铺设形成实心翼型件部分，其中UD纤维在翼型件的任一端上的安装法兰之间延伸。预成型件的法兰是使用随机取向的UD预浸料片形成的。这两种纤维取向应重叠以提供牢固的连接。例如，随机取向的UD预浸料片可被放置成使得它们延伸到翼型件部分内，并在翼型件部分的端部与UD带预浸料坯重叠。重叠程度应足以消除可能导致在翼型件的UD纤维和构成法兰的随机取向的UD预浸料片之间的接合处开裂的任何空隙或富含树脂区域。更优选的是UD纤维延伸到法兰部分内以提供所需的重叠。在任一情况下，优选的是UD预浸料坯和UD预浸料片的各层以交替层相互交错，以在两种不同的纤维取向相遇和重叠的接头处提供最大的强度。
如图5所示，实心预成型件放置在两个半模52和54之间，并加热至树脂的固化温度，在高压下成型形成出口导向叶片60。环氧树脂的典型的高压固化温度范围是从170℃至225℃。优选的固化温度为190℃到205℃。在固化温度下模具内的内部压力最好高于500psi，低于2000psi。一旦预成型件已经完全固化(一般在固化温度下10分钟至1小时)，该部件从模具中取出并冷却，以形成最终部件。如果需要的话，法兰或平台可被加工以形成最终的法兰形状，并提供所需要的任何精确的尺寸。
优选地，所述预成型件在被放置在模具中之前先“阶段化”，以增加树脂粘度，从而帮助维持所述预成型件的形状，并在随后的高压成型过程中保持型芯放在适当的位置。阶段化包括在环境压力下将预成型件加热至165℃至180℃的温度，维持足够的时间，大幅增加树脂的粘度。阶段化的时间在阶段化温度下在5至15分钟左右是优选的。阶段化的预成型件优选在被放置进模具中进行最终固化之前冷却至室温。另外，随着预成型件被加热到固化温度，预成型件中的树脂的粘度趋于下降，然后随着树脂固化迅速增加。优选的是，直至树脂已达到最小粘度之后，模具不被加压。在实践中，阶段化的预成型件被放置在已经被加热到固化温度的模具中。模具的加压延迟几秒钟到一分钟或更长时间，以便让树脂有时间通过最小粘度阶段。对于包括用于形成内部腔室的可熔型芯的预成型件来说，这种加压的延迟是特别优选的，以便在施加压力时限制所述型芯的运动。
用于形成具有中空内部腔室的出口导向叶片的方法与上述的制造实心出口导向叶片的方法基本上是相同的。不同之处在于如图7中50所示的可熔型芯被放置在预成型件的翼型件部分的中心。可熔型芯应该是具有高于未固化树脂的固化温度、但低于固化树脂的玻璃化转变温度的熔点的材料。有可能使用已经在过去的“失蜡”金属成型工艺中使用的类型的高温蜡。然而，优选的可熔型芯是由在相对窄的范围内(1至5℃)熔化、具有至少高于用来固化树脂的温度1℃、优选至少高于用来固化树脂的温度5℃的熔点的共晶金属合金制成的。可熔材料的熔点范围的上端点至少应比固化树脂的玻璃化转变温度低1℃，优选至少比固化树脂的玻璃化转变温度低5℃。
可用于形成可熔型芯的示例性的共晶金属合金包括具有上述熔融特性的锡与锌和/或铋的共晶混合物。优选的用作可熔型芯的共晶金属合金含有百分之91(重量)的锡和百分之9(重量)的锌。这种锡/锌合金具有199℃的熔点。其他共晶金属合金也可以使用，只要符合上文所设定的熔点要求。共晶金属合金可以由贱金属制成，或者可从商业供应商，如Kapp A110y&Wire公司(油城，宾夕法尼亚州)处购买。
该预成型件利用先前讨论过的类型的预浸料坯围绕可熔型芯成型。虽然该预成型件可以完全由随机取向的UD带的段构成，优选的是与上面描述的用于实心出口导向叶片一样，该预成型件在翼型件部分包括UD带预浸料坯，在法兰包括UD带的随机取向的段。可熔型芯应位于预成型件中，使得它被相同厚度的预浸料坯材料包围。人们发现，如果不是由等量的预浸料坯包围，在成型过程中所用的高压可导致型芯的移动。
在包含型芯的预成型件已经固化以后，它被进一步加热到足以熔化所述可熔材料的温度，以便可以通过已经在部件上钻好的孔排出该部件。在熔化的可熔材料已被排出后，该部件被冷却下来，以形成出口导向叶片，该出口导向叶片在翼型件部分中包括中空腔室。如图3所示，可熔型芯50被成形，以提供单个的中空腔室28。如果需要的话，多个可熔型芯可以位于所述预成型件内，以提供图4所示类型的多个中空腔室32和34。在需要以图4所示的翼梁36的形式或其他类型的肋结构为翼型件部分提供额外的结构强度的地方，多个腔室的形成是优选的。在预成型件中，为了防止在高压下固化的过程中所述型芯产生不需要的移动，多个型芯也应该被等量的预浸料坯材料包围。另外，每个型芯都需要排出孔，以允许从在部件的成型过程中形成的腔室中排出熔化的型芯材料。
正如前面提到的，可以以图6所示的薄的保护金属片64的形式在出口导向叶片的前缘添加侵蚀保护。该金属片应为0.001至0.010英寸厚，并应由合适强度和耐磨度的金属或金属合金制成。不锈钢，钛和其它类似的高强度金属合金是合适的。作为本发明的一个特征，保护金属薄片在预成型件成型之前被放置在该预成型件上的合适位置。该保护片是使用软化温度比较低的热塑性粘合剂粘接到预成型件上的。软化温度为110℃到130℃的级别是被优选的。人们发现，在成型件的冷却过程中，金属保护片有从复合材料翼型件部分脱离结合的倾向。这个问题通过使用直至部件基本上从固化温度或当制造腔室部件时型芯的熔化温度冷却下来才固化的粘合剂而避免。人们发现，在冷却的过程中尽可能的将粘合剂保持在非固态大大降低了保护性金属从复合材料翼型件脱离结合的倾向。
可用于将前缘保护片结合到出口导向叶片的示例性的粘合剂包括具有约123℃软化点的聚烯烃粘合剂和具有约116℃软化点的聚酰胺粘合剂。合适的聚烯烃粘合剂可从BEMIS(Shirley，MA)以商品名BEMIS6343获得。合适的聚酰胺粘合剂也可从BEMIS(Shirley，MA)以商品名BEMIS4220获得。
实际的实施例如下：
实施例1
制备了图8中的40所示类型的预成型件，以生产在图2和3中的20所示的类型的出口导向叶片。出口导向叶片具有9英寸高，宽度为2英寸到4英寸范围的翼型件部分。翼型件部分的厚度范围从0.040英寸到0.250英寸。法兰是每个大约5英寸宽，2英寸长和0.230英寸厚。图7中的50所示的类型的型芯是由百分之91(重量)的锡和百分之9(重量)的锌构成的共晶金属合金制备的(熔点为199℃)。预成型件的翼型件部分是在型芯上覆盖具有树脂含量百分之38重量百分比的AS4/8552单向带预浸料坯制备的。UD带被放置，使其在法兰或平台之间纵向延伸，并重叠到法兰中约1.5英寸。预成型件的法兰部分是由具有树脂含量百分之38重量百分比的AS4/8552制成的。UD带的重叠区段与层交错。在预成型件的所有尺寸除了翼型件部分的厚度之外都减小0.25英寸后，预成型件非常类似于所述出口导向叶片。在预成型件中组合的树脂和纤维的质量总计为预期的出口导向叶片的重量的百分之103重量百分比，用于解决由于固化过程中树脂的闪蒸导致的重量损失。优选的是所述预成型件的质量是预期的出口导向叶片的重量的百分之101到百分之110重量百分比。
预成型件最初放置在薄规格的、非常类似于固化模具的金属穿孔板模具中，以在树脂的阶段化过程中保持该预成型件的形状。工具支撑的预成型件被放置在177℃的烘箱中，在环境压力下持续9分钟，以使树脂阶段化，并增加其最小粘度。阶段化的预成型件被冷却至室温，除去金属板工具。阶段化的预成型件然后被放置于图5中的52和54所示类型的压制模具中。该模具已被预热至196℃的温度。当放置到模具内时，该预成型件变成熔融的，在大约90秒内超过最小粘度。在初始的90秒后，将模具加压至1500psi。该模具被保持在此压力和温度下20分钟，然后该部件被排出。然后在该部件上钻孔，穿过该部件进入由所述型芯所形成的腔室。该部件然后加热至204℃并保持，直到共晶金属合金熔化并从该腔室排出。该部件然后被冷却，并进行各种试验，包括压缩试验。出口导向叶片的预测模态分析被发现与模态测试的结果非常精密地匹配。此外，该出口导向叶片的层叠和结构可适于避免不希望的、响应于出口导向叶片基于特定发动机特性的固有频率。所述的复合材料出口导向叶片被发现能够在抗压强度、耐屈曲性、抗疲劳强度和在自由状态条件下的固有频率方面满足出口导向叶片的典型的结构要求。如果需要的话，法兰或平台可以被加工以去除法兰的材料，以满足设计和/或尺寸公差的要求。翼型件部分的加工是不可能的，因为会导致对构成翼型件的U0纤维的不可接受的损害。
宝施例2
以与实施例1相同的方式制备出口导向叶片，不同之处在于，整个预成型件由具有百分之38重量百分比的树脂含量的AS4/8552制成。预成型件被以与实施例1相同的方式阶段化和固化。如实施例1中，共晶金属型芯被熔化和去除，部件被冷却，以提供全复合材料有腔室的出口导向叶片。该全复合材料部件可以在各个领域被加工，以满足设计和尺寸公差。该部件也被预期为与相当的金属出口导向叶片相比具有相同的抗压强度，耐屈曲性、抗疲劳强度和在自由状态条件下的固有频率。
实施例3
以与实施例1相同的方式制备在图6中60所示的类型的实心出口导向叶片，不同之处在于，型芯被去除，替代使用AS4/8552单向带预浸料坯，以提供完全由单向纤维构成的实心翼型件部分。另外，该预成型件的前缘上覆盖0.004英寸厚的316不锈钢保护片。BEMIS4220聚酰胺粘合剂的薄层置于该保护片和该复合材料预成型件的前缘之间。该预成型件成型的方法与实施例1相同，不同之处在于不需要额外的加热步骤以除去可熔型芯。得到的实心出口导向叶片也被发现与相当的金属出口导向叶片相比在抗压强度和耐屈曲性方面更好。虽然空心和实心出口导向叶片具有相同的几何形状，它们能被用来按照它们在发动机内的位置根据需要满足不同的结构要求。实心出口导向叶片整体更强，但比空心出口导向叶片重。实心出口导向叶片的翼型件部分的重量是空心出口导向叶片的两倍。保护性不锈钢片保持牢固地结合到最终的出口导向叶片的前缘上。
对比实施例1
按照与实施例1相同的方式制备预成型件，不同之处在于，型芯由百分之50(重量)的锡和百分之50(重量)的铋所构成的共晶金属合金制成。该共晶金属合金具有138℃的熔点。该预成型件成型的方法同实施例1，不同的是成型温度为200℃。因为成型固化温度高于共晶金属合金的熔点，型芯在成型步骤中熔化。当模具被加压至1500psi，液态共晶金属合金被从树脂和纤维挤过，从半模之间挤出。结果是，预成型件内的内部腔室塌陷。
对比实施例2
按照与实施例1相同的方式制备预成型件，不同之处在于，放置在型芯的一侧的U0预浸料坯带比另一侧更多。不平衡的预成型件然后被以与实施例1相同的方式成型。在成型步骤中，模具中的高压造成在型芯的一侧上的额外的预浸料坯对缺乏预浸料坯的芯棒的一侧施加过大的力。在模具中的这种不平衡力造成型芯的移位和变形。因此，如前面提到的，优选的是，在预成型件中的预浸料坯量平衡地围绕型芯，以防止在高压下型芯的移位和变形，这是为了正确地形成高性能的部件，例如出口导向叶片所必需的。
本发明的实施例已经被描述到如此的程度，本领域技术人员应该注意到公开的内容只是示例性的，各种其他的替换方案，修改和变形都可以在本发明的范围内做出。例如，本发明可用于制造各种实心和有腔室的高性能部件，其需要强度、可加工性和轻重量相结合。此外，当所述可熔型芯熔化并从部件中除去时形成的中空腔室，可注射填充泡沫或其它填充材料，从而为部件提供希望的性能，如固有频率的阻尼和声学衰减。因此，本发明不受上述实施例的限制，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (22)

1.一种可成型结构，包括：
可成型体，其包括纤维增强材料和具有固化温度的未固化的热固性树脂，在该固化温度所述未固化的热固性树脂从可成型树脂转化为具有高于所述固化温度的玻璃化转变温度的固体树脂，所述可成型体包括内表面，该内表面限定了位于所述可成型体内的腔室；以及
位于所述腔室内的固体型芯，所述固体型芯与所述内表面接触，以在此形成形状，所述固体型芯包括具有熔点的材料，在该熔点所述固体型芯材料熔化形成液体材料，所述熔点高于所述固化温度并低于所述玻璃化转变温度。
2.根据权利要求1的可成型结构，其中所述未固化的热固性树脂的固化温度是在170℃至225℃之间。
3.根据权利要求1的可成型结构，其中所述可成型体包括中心部分和至少一个实心端部，所述腔室位于该中心部分。
4.根据权利要求3的可成型结构，其中所述中心部分包括处于第一取向的纤维，并且所述实心端部包括处于第二取向的纤维，该第二取向与所述第一纤维取向不同。
5.根据权利要求4的可成型结构，其中处于所述第一取向的所述纤维包括单向纤维。
6.根据权利要求4的可成型结构，其中处于所述第二取向的所述纤维包括单向纤维带的随机取向的段。
7.根据权利要求5的可成型结构，其中处于所述第二取向的所述纤维包括单向纤维带的随机取向的段。
8.一种复合材料部件，包括根据权利要求1的可成型结构，该可成型结构已经被成型以形成所述复合材料部件，并且其中所述固体型芯已被移除。
9.一种复合材料部件，包括根据权利要求7的可成型结构，该可成型结构已经被成型以形成所述复合材料部件，并且其中所述固体型芯已被移除。
10.一种可成型结构，包括：
可成型体，其包括纤维增强材料和未固化的热固性树脂，所述可成型体包括中心部分和至少一个端部，所述纤维增强材料包括：设置在所述中心部分中的处于第一纤维取向的纤维和设置在所述端部内的处于第二纤维取向的纤维，其中，处于所述第一取向的所述纤维或处于所述第二取向的所述纤维包括单向纤维带的随机取向的段。
11.一种复合材料部件，包括：
成型体，其包括纤维增强材料和固化的热固性树脂，所述成型体包括中心部分和至少一个端部，所述纤维增强材料包括：设置在所述中心部分中的处于第一纤维取向的纤维和设置在所述端部内的处于第二纤维取向的纤维，其中，处于所述第一取向的所述纤维或处于所述第二取向的所述纤维包括单向纤维带的随机取向的段。
12.根据权利要求11的复合材料部件，其中处于所述第一纤维取向的所述纤维包括单向纤维。
13.根据权利要求11的复合材料部件，其中所述端部是实心的，并且所述中心部分包括内表面，该内表面限定了位于所述中心部分内的腔室。
14.根据权利要求12的复合材料部件，其中所述复合材料部件是喷气发动机的出口导向叶片。
15.根据权利要求13的复合材料部件，其中所述复合材料部件是用于喷气发动机的出口导向叶片。
16.根据权利要求14的出口导向叶片，其中所述出口导向叶片的中心部分包括外表面，该外表面具有粘附在其上的保护性金属层。
17.根据权利要求15的出口导向叶片，其中所述出口导向叶片的中心部分包括外表面，该外表面具有粘附在其上的保护性金属层。
18.一种成型复合材料部件的方法，所述方法包括步骤：
提供可成型体，包括纤维增强材料和具有固化温度的未固化的热固性树脂，在该固化温度所述未固化的热固性树脂从可成型树脂转化为具有高于所述固化温度的玻璃化转变温度的固体树脂，所述可成型体包括内表面，该内表面限定了位于所述可成型体内的腔室，固体型芯材料位于该腔室内，所述固体型芯材料与所述内表面接触，以在此形成形状，所述固体型芯材料具有熔化温度，在该熔化温度所述固体型芯材料熔化以形成液体材料，所述熔化温度在或高于所述固化温度并低于所述玻璃化转变温度；
在高压下将所述可成型体加热到所述固化温度，持续足够的时间以固化所述未固化的热固性树脂而形成包括所述固体树脂的成型体，该固体树脂具有所述玻璃化转变温度；
加热所述成型体到高于所述固体型芯材料的所述熔化温度并低于所述固体树脂的所述玻璃化转变温度的温度，持续足够的时间以熔化所述固体型芯材料，以形成所述液体材料；
从所述腔室除去所述液体材料；和
冷却所述成型体，以提供所述的复合材料部件。
19.根据权利要求18的成型复合材料部件的方法，其中所述可成型体被成犁的高压在500psi至2000psi之间。
20.根据权利要求19的成型复合材料部件的方法，其中所述可成型体被加热到的所述固化温度在170℃至225℃之间。
21.根据权利要求18的成型复合材料部件的方法，其中所述可成型体包括中心部分和至少一个实心端部，所述腔室位于该中心部分中，其中所述中心部分包括处于第一取向的纤维，所述实心端部包括处于第二取向的纤维，该第二取向与所述第一纤维取向不同。
22.根据权利要求21的成型复合材料部件的方法，其中处于所述第一取向的所述纤维包括单向纤维，处于所述第二取向的所述纤维包括单向纤维带的随机取向的段。
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