CN105492147A - 复合加强插件和制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合加强插件，其包括：由螺旋地缠绕中心纤维(1)的金属合金细丝(2)环绕的陶瓷材料制造的中心纤维(1)形成的股；以及涂覆股的金属加强层(3)。
Description
技术领域
本发明涉及优选地用于涡轮机部件的加强插件，以及制造这种加强插件的方法。
背景技术
特别地在航空学领域中的永久目标是最优化部件强度达到最小质量和尺寸。因此，一些部件现在可以包括由复合材料制造的加强插件，该复合材料具有金属基质。这种复合材料通常包括金属合金基质，例如由钛Ti、镍Ni或铝Al合金制造的金属合金基质，纤维，例如，碳化硅SiC陶瓷纤维放置在合金基质中。这种纤维比钛具有更好的张力强度(与1000MPa比较，通常4000MPa)，并且通常地硬三倍。因此，该纤维抵抗力，金属合金基质在纤维之间传递载荷，进行与部件其余部分的结合剂功能，以及保护和分离纤维的功能，该纤维必须不彼此接触。陶瓷纤维也是结实的，但是易碎，并且必须由金属进行保护。
这些复合材料可以用于制造圆盘、轴、致动器本体、壳体、隔片，用作单片部件，诸如叶片的加强等。它们也可以用在其它领域的应用中，其中在压力下，3D力领域施加于一个部件，例如压力容器，诸如圆筒或流体箱。
为了获得由复合材料制造的这种加强插件，第一步是形成“涂覆丝”，该涂覆丝包括加强件，该加强件由涂覆有金属壳体的陶瓷纤维组成。金属涂覆使得丝更硬，但是改善了其韧性，这对处理是有用的。
在现有技术中，通常使用电子束物理蒸汽沉积(EBPVC)方法完成碳化硅(SiC)纤维的涂覆。然而，在效率方面，该方法不是非常成本有效的。而且，涂覆方法花费了长的时间，因为沉积速率是每分钟一米的数量级。
现有技术也公开了一种在熔融金属浴中，在飘浮中涂覆SiC纤维的直接方法。例如，文献EP0931846公开了这种涂覆方法。该文献公开了在适合的温度，液态金属可以在适合的熔炉中维持飘浮，以至少部分地排除与熔炉壁的接触。通过围绕熔炉的电磁装置实现飘浮。通过预先装置保持张力的陶瓷纤维被拉入通过金属浴。根据纤维上所需要的金属厚度定义金属浴中纤维转移的速率。该方法比之前的方法更快，但是它产生了偏移纤维。而且，该方法难以调整SiC纤维的百分数和金属基质的百分数之间的比率。而且，在根据该方法所制造的插件中可以出现不稳定性。
发明内容
本发明的目的在于通过公开一种具有加强强度和组分可以选择的加强插件，克服现有技术的缺点。
为了达到该目的，本发明的第一方面涉及优选地用于涡轮机的复合加强插件，其包括：
-由围绕着中心纤维螺旋地缠绕的金属合金外部细丝环绕的陶瓷材料制造的中心纤维组成的股；
-涂覆股的金属加强层。
“股”是一种组件，对于该组件，细丝或纤维以同心层围绕中心细丝或纤维布置。
因此，不像根据现有技术的加强插件，其中加强层直接地沉积在中心纤维上，本发明公开了金属合金纤维可以首先围绕中心纤维缠绕，并且所获得的组件然后可以涂覆有金属加强层。由此所获得的加强插件具有改进的硬度。它也具有其中心纤维相对于环绕它的金属部件居中的优点。而且，这种加强插件特别地有利，因为它容易选择陶瓷材料的百分数和金属合金的百分数之间的比率。
根据本发明的加强插件也可以具有单独地或者当技术上可能时，可能地组合的一个或几个特征。
根据不同的实施方式，股可以包括由金属合金制造的N个细丝，其中N大于或等于6。N优选地等于7、19或37。确定金属细丝的直径和它们的数量N，以致于插件具有选定的数Vf。数Vf对应于陶瓷纤维的面积和环绕它的的金属合金细丝的面积之间的比率。当股包括6个金属合金细丝时，这些细丝优选地被布置以形成围绕中心纤维的单层。那么，Vf等于1/7或14.3％。当选择Vf小于14％的结构时，股包括围绕中心纤维的大于18或19个的细丝，并且这些细丝优选地被布置以形成围绕中心纤维的几个同心层。
中心纤维优选地由碳化硅制成，其具有优良的机械特性。
有利地，细丝由基于钛、镍或铝的金属合金制成，以致于加强插件具有优良的机械强度/重量比率。
金属加强层优选地由与形成细丝的金属合金相同的基本金属材料制成。
本发明的第二方面也涉及从陶瓷纤维，制造优选地意欲用在涡轮机中的加强插件的方法，该方法包括下列步骤：
-(a)围绕中心纤维绞股金属合金细丝，以形成股；
-(c)用保护金属层涂覆股。
这种方法简单快速，并且可以用于获得可以选择组分的加强插件。而且，由此制造的插件的陶瓷纤维居中。
该方法也可以包括通过点焊，固定细丝的步骤(b)。通过激光或通过电子束可以完成该步骤。然而，如果股具有不带细丝膨胀的机械强度，那么该固定步骤是不必要的。
该涂覆步骤优选地包括将股浸入到飘浮熔化的液态金属浴中的步骤。
飘浮熔化的液态金属优选地包含与细丝的基本材料具有相同材料的填料。
该方法也可以包括在步骤(b)和(c)之间的步骤，其中股涂覆有抗氧化保护层。当细丝的金属合金对氧化敏感时，该保护层特别地有用。这是例如当细丝由铝合金制造时的情况。股然后可以涂覆有保护层，优选地铜纳米层。当股进入液态金属浴时，然后该保护层消失。
本发明的另一方面也涉及用于涡轮机的金属部件，其包括根据本发明第一方面的插件或者使用根据本发明第二方面的方法制造的插件。
本发明也涉及制造用于涡轮机的金属部件的方法，该方法包括下列步骤：
-通过围绕涡轮机部件缠绕根据本发明第一方面或者根据本发明第二方面所获得的加强插件的安装。
通过热等静压压制的涡轮机部件的压制。
附图说明
在阅读参考附图给出的详细描述后，本发明的其它特征和优点将变得清楚，该附图示例了：
图1，陶瓷细丝的截面图。
图2，由金属合金细丝所环绕的中心纤维的截面图。
图3，三股的立体图。
图4，涂覆有加强层的股。
图5，表示金属细丝半径与纤维半径的比率的变化，并且根据用于单层结构的细丝的数量获得Vf。
为了改进清楚性，用相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
参考图1至图4描述制造根据本发明的一个实施方式的加强插件的方法。加强插件由陶瓷中心纤维1制造。该中心纤维1由碳化硅制造。
该方法包括通过围绕中心纤维1缠绕金属合金细丝2来制造股的第一步骤(a)。细丝优选地由基于钛、镍或铝的金属合金制造。细丝螺旋地缠绕中心纤维，以形成围绕中心纤维的螺旋。根据比率Vf，股可以包括约2根细丝。数Vf定义为中心纤维面积和金属细丝面积之间的比率。例如，140μm直径的中心纤维1具有15400μm2的截面。具有10个70μm直径的细丝的股具有10个3850μm2的截面，产生了总计38500+15400＝53900μm2。因此，面积比率Vf等于15400×53900×100＝29％。
股通常包括N个细丝，其中N大于或等于6。细丝2围绕中心纤维1以同心层布置。中心纤维1的直径和细丝2的直径可以根据碳化硅纤维的百分数和股材料的百分数之间所要求的比率Vf而变化。尺寸关系是：
sin(180°/N)＝RS/(R1+R2)Vf＝R1^2/(R1^2+N*R2^2)
其中R1＝陶瓷纤维的半径，R2金属细丝的半径
N＝金属细丝的数量
在单层绞股的情况下，数Vf根据细丝数量的变化如图5中所示，还包括比率R2/R1根据围绕周边的细丝数量的变化。
例如，由7个107μm直径的细丝环绕以及用3μm保护层涂覆的140μm直径的碳化硅纤维具有等于20％的碳化硅SiC纤维的百分数。
在围绕中心纤维1的金属合金细丝的绞股操作期间，中心纤维应该自由移动，而不会产生小于20mm的任何弯曲半径，以避免损坏中心纤维，这是必要的。为了获得这个，在绞股操作期间用于缠绕中心纤维的滑轮必须足够地大，以避免在中心纤维中产生小于20mm的弯曲半径。
如果股受到绕着中心纤维的膨胀现象，那么可以进行与绞股机器一致的细丝的小焊点。可以使用激光焊接或电子束技术。
而且，当细丝2由对氧化敏感的金属合金制造时，该方法可以包括步骤(c)，其中股涂覆有保护层。例如，当用于细丝2的金属合金基于铝时，保护层可以是铜纳米层。在下一个步骤期间该保护层消失。
该方法然后包括步骤(c)，其中股涂覆有金属加强层3。为了获得这个，将股浸入到飘浮熔化的液态金属浴中，该金属浴具有与细丝相同材料的填料，该细丝围绕中心纤维1螺旋地缠绕。因此，当细丝2由钛基合金制造时，液态金属浴的填料优选地包含钛。相似地，当细丝2由铝基金属合金制造时，填料优选地包含铝。使用液态金属浴的股涂覆方法是现有技术已知的。例如，在文献EP0931846或EP1995342中描述了这种方法。细丝2不会在涂覆步骤期间完全地再熔化。当完成该涂覆步骤(c)时，股涂覆有金属加强层3。该加强层3是连续的。
该方法然后包括加强插件的固化步骤，在该期间，加强插件变得刚性。
所获得的结果由此是根据本发明的一个实施方式的加强插件，其包括：
-股，该股包括：
·陶瓷中心纤维1；
·环绕中心纤维1的金属合金细丝2，以形成围绕中心纤维的螺旋；
-涂覆股的金属合金加强层3。
由此获得的加强插件易于制造，并且非常结实。而且，可以容易地修改其组分。
那么，由此获得的加强插件可以用于加强部件，特别地在航空学领域中的部件。为了实现这个，可以通过随后缠绕用于涡轮机的部件，并且特别地缠绕涡轮机壳体或圆盘形成加强插件。加强插件被放置在待要被加强的部件中。然后，由此所获得的组件可以通过热等静压压制被压制。结果是完全地压制的复合部件。
自然地，本发明不限于参考附图所描述的实施方式，并且可以设想变化形式而不超出本发明范围。
Claims (10)
1.一种复合加强插件，其包括：
-由围绕着中心纤维(1)螺旋地缠绕的金属合金细丝(2)环绕的陶瓷材料制造的中心纤维(1)组成的股；
-涂覆股的金属加强层(3)。
2.根据前述权利要求所述的加强插件，其中股包括N个细丝(2)，其中N大于或等于6，N优选地等于7、19或37个细丝(2)。
3.根据前述权利要求中一个权利要求所述的加强插件，其中中心纤维(1)由碳化硅制造。
4.根据前述权利要求中一个权利要求所述的加强插件，其中细丝(2)由基于钛、镍或铝的合金制造。
5.根据前述权利要求中一个权利要求所述的加强插件，其中加强层(3)由与形成细丝(2)的基本材料相同的材料制造。
6.由根据前述权利要求中一个权利要求所述的加强插件加强的涡轮机部件。
7.一种从中心陶瓷纤维(1)制造加强插件的方法，该方法包括下列步骤：
-(a)围绕中心纤维绞股金属合金细丝(2)，以形成股；
-(c)用保护金属层(3)涂覆股。
8.根据前述权利要求所述的方法，其中涂覆步骤包括将股浸入到飘浮熔化的液态金属浴中的步骤，飘浮熔化的液态金属包含填料，该填料具有与细丝的基本材料相同的材料。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，还包括通过点焊固定细丝的步骤(b)。
10.根据权利要求7至9中一个权利要求所述的方法，还包括在步骤(a)和步骤(c)之间股涂覆有抗氧化保护层的步骤。
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