CN108367524A - 制造具有与一个或多个平台形成一体的主体的复合材料部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造具有主体的复合材料制成的部件的方法,该主体与存在于所述主体的一端处的至少一个平台构成一体,该方法包括:‑从纤维坯料通过在第一部分的任一侧上将第二部分和第三部分(106a;116a)的未与第一部分互连的段(104a;114a)折叠,通过成形第二部分的折叠段(104a;114a)和第三部分的折叠段(106a;116a)以形成待制造部件的平台的预制件部分,并且通过在其自身上折叠第一部分的段(102a;112a)以填充存在于第二部分和第三部分之间的间隙中的凹槽(108;118)来形成待制造部件的预制件;‑用基质致密化预制件,以获得具有至少一个一体平台的、由复合材料制成的部件。

Description

制造具有与一个或多个平台形成一体的主体的复合材料部件 的方法
技术领域
本发明涉及由复合材料制成的部件,所述部件包括实心主体以及存在于其端部之一处的至少一个平台。这些部件具体地但非排它性地涉及用于涡轮喷嘴或压缩机导向叶片组的具有一体内平台和/或外平台的涡轮发动机叶片。
背景技术
文献WO2013/079860描述了具有一体形成在其中的内平台和外平台的、由复合材料制造的涡轮发动机叶片。
如图14所示,具有一体形成在其中的内平台和外平台的叶片由通过三维(3D)编织或多层编织、例如使用碳化硅纤维或碳纤维的纱线获得的纤维坯料500制成。坯料500具有待形成叶片的翼型的部分510,并且在部分510中,所有的纱线层互连。纤维坯料还包括非互连区域,以在其每个端部处提供成对部分511和512。如图15所示,内平台和外平台可以通过将这些部分511和512垂直于待形成叶片翼型的部分510展开而制成。以这种方式获得的预制件接着以已知的方式用基质、例如由陶瓷、氧化物或有机物(热塑性、热固性…)的材料制成的基质致密化。
一旦部分511和512已经展开,凹槽或凹陷513就出现在两个展开部分511和512之间。如果未被填充,则凹槽513可能形成弱化区,当部件机械受压时,该弱化区可能导致纤维断裂。可以通过安装填料元件来填充凹槽,该填料元件可以包括其本身的树脂或者用树脂浸渍的纤维增强物(编织物、粗纱等)。
尽管如此,虽然这种方式的填充用于提高在两个平台部分分离的区域中的叶片的机械强度,但是仍然存在某些缺点。具体而言,添加所安装的填料元件使得部件的制造更加复杂,因为它增加了制造部件的固有操作外的操作(用于在待制造的部件上形成和插入填料元件的二次操作)。这导致部件的制造成本更高。此外,虽然添加这种填料元件确实真正用于提高部件的压缩强度,但其牵引强度仍然存在问题,因为它们连结叶片的翼型部分的平台部分所具有的半径在牵引应力下变形,这会导致内聚力损失并导致填料元件与叶片的其余部分分开。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种制造具有一体形成在其中的至少一个平台的复合材料部件的简化方法,该部件在压缩和牵引两方面上均具有良好的强度。
为此,本发明提供了一种制造具有主体的复合材料部件的方法,该主体固定到存在于所述主体一端处的至少一个平台,该方法包括:
-在多层经纱之间使用多层编织来形成纤维坯料,该纤维坯料的纵向方向对应于待制造的部件的主体的纵向方向,所述纤维坯料在邻接其端部之一的至少一个非互连区域中沿其厚度方向分成第一部分、第二部分和第三部分,第一部分位于第二部分与第三部分之间,第一部分在所述至少一个非互连区域外通过编织连接到第二部分和第三部分;
-使用纤维坯料通过在第一部分的相对两侧上将第二部分和第三部分的未与第一部分互连的段折叠,通过成形第二部分和第三部分的折叠段以形成用于待制造部件的平台的预制件部分,并且通过向下折叠第一部分的段以便填充存在于第二部分和第三部分之间的间隙中的凹槽来形成待制造部件的预制件;以及
-用基质致密化预制件,以获得具有至少一个一体平台的、由复合材料制成的部件。
利用本发明的方法,存在于待形成平台的纤维坯料的折叠部分之间的凹槽用直接来自坯料并附接至其上的纤维织物填充,因此能够避免添加任何单独的填充元件。因此,简化了部件的制造方法,并且提高了部件的牵引和压缩强度,因为该元件不仅通过纤维而且通过基质与部件的主体连结。
此外,利用本发明的方法,填充存在于第二部分和第三部分之间的间隙中的凹槽所需的操作次数少于包括添加单独的填充元件的现有技术中的解决方案。因此,本发明的方法在复合材料部件的制造方面带来经济节约。
在具体实施例中,第一部分、第二部分和第三部分一起具有与位于所述至少一个非互连区域之外的纤维坯料的其余部分相同数量的经纱层。该实施例由于其制造简单而具有经济优势,其制造不需要将额外的纱线引入部件的各个部分中。
在另一具体实施例中,第一部分、第二部分和第三部分一起包括多个经纱层,所述经纱层的数量大于存在于位于所述至少一个非互连区域之外的纤维坯料的其余部分中的经纱层的数量。在这种情况下,一层或多层额外经纱层可以与至少第二和第三部分的经纱层编织在一起。该实施例能够增加部件的某些部分、例如平台的厚度,从而使其能够传递更大的力。
在又一具体实施例中,第一部分、第二部分和第三部分一起包括多个经纱层,所述经纱层的数量少于存在于位于所述至少一个非互连区域之外的纤维坯料的其余部分中的经纱层的数量。在这种情况下,一层或多层经纱层在编织至少所述第二和第三部分期间撤出。该实施例能够减小部件的非结构部分的厚度或者力低的部分的厚度,由此通过减小其整体重量使部件更容易一体形成。
附图说明
本发明的其它特征和优点从以下作为非限制性示例给出的并参考附图的本发明的具体实施例的描述中显现出来,附图中:
-图1是涡轮发动机叶片的示意性立体图;
-图2是制造用于图1所示类型的叶片的纤维预制件所使用的编织纤维坯料的示意性平面图;
-图3是图2的坯料的侧视图;
-图4是图2的平面IV-IV的示意剖视图;
-图5和6是在图2的平面V-V和VI-VI的剖视图中的图2的坯料的编织平面的放大示意图;
-图7至9是示出由图2至6的纤维坯料制造叶片预制件的步骤的示意图;
-图10是用于制造图1所示类型的叶片的纤维预制件的编织纤维坯料的另一实施例的局部侧视图;
-图11是关于图10的坯料的编织平面的放大示意图;
-图12是用于制造图1所示类型的叶片的纤维预制件的编织纤维坯料的另一个实施例的局部侧视图;
-图13是图12的坯料的编织平面的放大示意图;
-图14是现有技术中用于制造叶片的纤维预制件的纤维坯料的示意性立体图;以及
-图15是在展开坯料的待形成内平台和外平台的部分之后的图14的纤维坯料的侧视图。
具体实施方式
图1是叶片10、例如用于引导航空涡轮发动机的旁路流的出口导向叶片(OGV)的高度示意性视图。叶片10包括翼型12以及内平台14和外平台16。
在整个说明书中,术语“内”和“外”参照相对于涡轮发动机的轴线的径向位置来使用。
在叶片10已经安装在涡轮机壳体中之后,平台14的外表面14b和平台16的内表面16a用于限定气体通过涡轮机的流动通道。
翼型12在平台14和16之间延伸,并且固定到平台14和16上。在所示的示例中,平台14和16在它们的上游端和下游端之间沿大致方向延伸,所述方向相对于与翼型12的纵向方向垂直的平面形成非零角度。
叶片10由复合材料制成。叶片的制造包括形成与叶片的形状相对应的形状的纤维预制件,并用基质致密化该预制件。
图2是纤维坯料101的平面图,叶片10的纤维预制件可以由该纤维坯料101形成。
可以从通过三维(3D)编织或多层编织织成的条带100获得坯料101,条带100以通常方式沿与待制造的叶片的纵向方向相对应的方向X延伸。举例来说,用沿方向X延伸的经纱进行编织,应该理解,用沿该方向延伸的纬纱编织也是可能的。多个坯料101可以沿方向X一个接一个地进行编织。同时编织多个并行排的坯料101也是可能的。
在图2至图6的实施例中,坯料101包括在其厚度方向上且在其每个端部101a和101b处的第一部分102、112、第二部分104、114和第三部分106、116。部分102位于部分104和部分106之间,并且通过在待形成叶片的翼型的区域120中通过3D编织与部分104和106互连,并且在非互连部区域103中不与部分104和106互连,非互连区域103包括在部分102和部分104之间的第一非互连部103a和在部分102和部分106之间的第二非互连部103b。非互连部103a、103b从坯料101的端部101a向非互连部103c、103d的底部延伸坯料101的整个宽度(纬向尺寸)。非互连部103c和103d的底部沿相对于纬向形成非零角度的方向在坯料101的纵向边缘101c和101d之间延伸,以符合内平台14的取向。
部分112位于部分114和部分116之间,并且其在待形成叶片翼型的区域120中通过3D编织与部分114和116互连,而在非互连区域105不与部分114和116互连,该非互连区域105包括在部分112和部分114之间的第一非互连部105a以及在部分112和部分116之间的第二非互连部105b。非互连部105a、105b从坯料101的端部101b向非互连部105c、105d的底部延伸坯料101的整个宽度。非互连部105c和105d的底部沿相对于纬向形成非零角度的方向在坯料101的纵向边缘101c和101d之间延伸,以符合外平台16的取向。
以众所周知的方式,通过不将纬纱穿过非互连区域到位于非互连部任一侧上的经纱层的互连纱线以在两层经纱之间提供非互连部。
图5和6的平面图示出了用互锁编织和用非互连部105a和105b进行3D编织的示例,非互连部103a和103b以与非互连部105a和105b相同的方式获得。在图6中,非互连部用虚线表示。部分112包括通过3D编织互连的多个经纱层(在所示示例中为三层)。部分114和116中的每个均包括通过3D编织互连的多个经纱层(在所示的例子中为五层)。在由非互连部103c和103d的底部限定的非互连部区域103与由非互连部105c和105d的底部限定的非互连区域105之间,部分102、112,104、114和106、116中的经纱层在所示的示例(图5)中全部彼此互连。
在编织之后,不与部分102和112互连的部分104、106、114和116的段104a、114a和106a、116a被折叠或展开,如图7所示,以形成用于平台14、16的预制件部分,其中段104a、114a与非互连部103a、105a相邻,并且段106a、116a与非互连部103b、105b相邻。折叠发生在非互连部的底部。
如图7所示,折叠部分104和106的段104a和106a导致凹槽108形成在部分104和106之间,在凹槽108,部分104和106在坯料101中变为分离,段102a和部分102从凹槽108的中心延伸。类似地,折叠部分114和116的段114a和116a导致凹槽118形成在部分114和116之间,在凹槽118,部分114和116在坯料101中变为分离,部分112的段112a从凹槽118的底部延伸。
根据本发明,通过将段102a向下折叠到凹槽118中来填充所述凹槽,同时通过将段112a向下折叠到凹槽118中来填充所述凹槽。段102a和112a可以以各种方式向下折叠。举例来说,它们可以在相应的槽中卷起,对于段102,具有逐渐增大半径,如图7所示,或者它们可以在相应槽中卷起,对于存在于展开段114a'和116a'之间的凹槽118'中卷起的段112a',具有基本平行于槽的边缘的直线部分,如图8所示。
待制造的叶片的纤维预制件接着通过使用构造工具进行模制来制造,从而使其变形以获得所需空心翼型轮廓和所需平台形状。这产生了预制件210(图9),该预制件210具有通过成型段120a(图7)获得的翼型的预制件部分220以及如通过成形段104a、106a、114a和116a获得的内平台和外平台的预制件部分214和216。与凹槽118的位置对应的预制件部分216的顶面216a的中央部分由通过成形段112a而获得的预制件部分218填充,如上所述。类似地,与凹槽108的位置对应的预制件部分214的底面的中央部分由通过成形段102a(在图9中未示出)而获得的预制件部分填充。
如图1所示的中空CMC叶片可以如下制造。
纤维条带100通过三维编织织成,由例如沿经向延伸的多个纤维坯料101以及非互连区域构成,如图2所示。编织可以使用由陶瓷制成的纱线,特别是基于碳化硅(SiC)的纱线,例如由日本供应商Nippon Carbon以名称“Nicalon”提供的纱线来进行。可以将其它陶瓷纱线、特别是由耐火氧化物制成的纱线,例如基于氧化铝Al2O3的纱线,特别地用于氧化物/氧化物类型的CMC材料(均由耐火氧化物制成的纤维增强纤维和基质)。将碳纤维用于具有碳纤维增强材料的CMC材料也是可行的。
以已知的方式,纤维条带可处理成消除存在于纤维上的胶料并消除纤维表面上氧化物的存在。
同样以已知的方式,薄的脆化释放界面相涂层接着可以通过化学气相渗透(CVI)形成在纤维条带的纤维上。举例来说,界面相材料可以是热解碳PyC、氮化硼BN或硼掺杂碳BC。举例来说,所形成的层的厚度可以在10纳米(nm)至100nm的范围内,以便过滤坯料保持变形能力。
此后,纤维条带可以用可能在溶剂中稀释的、通常为碳前体树脂或陶瓷前体树脂的固结组合物浸渍。在干燥之后,单个纤维坯料被切开。每个坯料被成形(如图7至9所示)并放置在工具中,用于成形对应于翼型的预制件部分以及对应于内平台和外平台的预制件部分。
此后,树脂被固化,并接着在预制件从构造工具中移除之后热解,以获得通过热解残余物固结的叶片预制件。固结树脂的量选择成足够但不过量,使得热解残余物将预制件的纤维结合在一起,从而使其能够在保持其形状的情况下进行处理,而无需工具的帮助。
第二脆化释放界面相涂层可以由CVI形成,例如,由PyC、BN或BC形成。在文献EP2154119中描述了在固结之前和之后将界面相涂层制成两层。
固结的预制件接着用陶瓷基质致密化,例如,通过CVI致密化。基质可以由SiC制成或其可以是具有由热解碳PyC、碳化硼B4C或三元Si-B-C系统制成的基质相的自修复基质,如具体在文献US5246756和US5965266中所述。可以设想特别用于氧化物/氧化物类型的CMC材料的其它类型的陶瓷基质,特别是由耐火氧化物制成的基质,例如由氧化铝制成的基质。
致密化优选在两个步骤中进行,所述两个步骤通过将叶片机械加工到其所需尺寸,具体地以获得所需平台14、16的最终形状并且还能够以便获得翼型12的所需轮廓的步骤分开。
叶片也可以由有机基质复合材料(OMC)材料制成,有机基质复合材料(OMC)材料可以是热塑性或热固性的,由任何类型的纤维预制件制成。在这种情况下,所得到的纤维预制件使用液体技术以常规方式致密化。
液体技术包括用树脂浸渍纤维预制件。预制件放置在模具中,该模具可以以密封的方式闭合,以具有最终成型部件形状的凹部。此后,注入树脂、例如热塑性树脂或热固性树脂,以填充整个凹部并浸渍预制件的所有纤维部分。
聚合通过热处理(通常通过加热模具)进行。由于预制件仍保持在模具内,因此其形状与待制造的部件的形状相匹配。具体地可以使用环氧树脂获得有机基质。
在上述实施例中,第一部分102、112,第二部分104、114和第三部分106、116一起具有与位于非互连区域103和105之外的、即遍及区域120的纤维坯料101的其余部分相同数量的经纱层。在图5和6所示的示例中,第二部分114和第三部分116各自包括五层经纱,而第一部分112包括三层经纱。这同样适用于图5和6中未示出的第一部分102、第二部分104和第三部分106。
在本发明的另一个实施例中,第一部分、第二部分和第三部分一起具有多个经纱层,所述经纱层的数量大于存在于位于纤维坯料中的非互连区之外的纤维坯料的其余部分中的经纱层的数量。在这种情况下,一层或多层额外经纱与在至少第二部分和第三部分中的经纱层编织在一起。
图10和11示出了纤维坯料301的端部301b,其与如上所述并且如图6和7所示的纤维坯料101的端部101b不同之处在于,额外经纱层与待形成叶片的外平台的第二部分314和第三部分316编织在一起。更确切地说,在非互连区域305中,具有三个额外经纱层的层片315已经从第一部分312与第二部分314分开的非互连部305a开始与第二部分314编织在一起,并且包括三个额外经纱层的层片317从第一部分312与第三部分316分开的非互连部305b开始与第三部分316编织在一起。如上面关于坯料101的部分112描述的,第一部分312用于向下折叠以填充形成在部分314和316的折叠段之间的凹槽318。因此,在非互连区域305中,坯料301具有第一部分312、第二部分314和第三部分316,它们一起具有多个经纱层,所述经纱层的数量大于存在于位于纤维坯料的非互连区域之外的区域120中的经纱层的数量。
在本发明的又一实施例中,第一部分、第二部分和第三部分一起具有多个经纱层,所述经纱层的数量小于存在于位于纤维坯料的非互连区之外的纤维坯料的其余部分中的经纱层的数量。在这种情况下,一层或多层经纱撤出,即它们不编织并且它们从在坯料的非互连区域中的坯料中抽出。
图12和13示出了纤维坯料401的端部401b,其与上述并如图6和7所示的加热坯料101的端部101b不同之处在于,经纱层已经在具有在第一部分412和第二部分414之间的非互连部405a和在第一部分412和第三部分416之间的非互连部405b的非互连区域405中被移除,第二部分414和第三部分416用于形成叶片的外平台。更确切地说,从非互连区域405开始,两层经纱C1和C2不再与用于形成第一部分412的经纱层编织在一起(图13)。层C1和C2因此可以在非互连区域405中撤出,使得第一部分412仅具有三层经纱,而第二和第三部分414和416各自具有六层经纱。第一部分412、第二部分414和第三部分416的相应总累积厚度e1、e2和e3小于待形成叶片翼型的预制件的坯料的部分420的厚度e4。如上面对于坯料101的段112a所述的,第一部分412用于向下折叠以填充形成在第二部分414和第三部分416的折叠段之间的凹槽418。
上面参照制造涡轮发动机的一组导叶中的出口导向叶片(OGV)描述了本发明的方法。然而,本发明的方法可以特别适用于制造包括具有至少一个一体平台的主体的任何航空部件。本发明的方法可以特别用于制造涡轮发动机的动叶片、加强件和配件。

Claims (7)

1.一种制造具有主体(12)的复合材料部件(10)的方法,所述主体(12)固定到存在于所述主体一端处的至少一个平台(14;16),所述方法包括:
-在多层经纱之间使用多层编织来形成纤维坯料(101),所述纤维坯料(101)的纵向方向对应于待制造的所述部件(10)的所述主体(12)的纵向方向,所述纤维坯料在邻接其端部之一的至少一个非互连区域(103;105)中沿其厚度方向分成第一部分(102;112)、第二部分(104;114)和第三部分(106;116),所述第一部分(102;112)位于所述第二部分(104;114)与所述第三部分(106;116)之间,所述第一部分在所述至少一个非互连区域(103;105)之外通过编织连接到所述第二部分和所述第三部分;
-使用所述纤维坯料(101)通过在所述第一部分的相对两侧上将所述第二部分和所述第三部分的未与所述第一部分互连的段(104a、106a;114a、116a)折叠,通过成形所述第二部分和所述第三部分的折叠段(104a、106a;114a、116a)以形成用于所述待制造部件(10)的平台(14;16)的预制件部分,并且通过向下折叠所述第一部分的所述段(102;112a)以便填充存在于所述第二部分和所述第三部分(104、106;114、116)之间的间隙中的凹槽(108;118)来形成待制造部件的预制件;以及
-用基质致密化所述预制件,以获得具有至少一个一体平台(14;16)的、由复合材料制成的部件(10)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一部分、第二部分和第三部分(102、104、106;112、114、116)一起具有与位于所述至少一个非互连区域(103;105)之外的所述纤维坯料(101)的其余部分相同数量的经纱层。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一部分、第二部分和第三部分(312、314、316)一起包括多个经纱层,所述经纱层的数量大于存在于位于所述至少一个非互连区域(305)之外的所述纤维坯料(301)的其余部分(320)中的经纱层的数量。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,一层或多层额外经纱层与至少所述第二和第三部分(314、316)的经纱层编织在一起。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一部分、第二部分和第三部分(412、414、416)一起包括多个经纱层,所述经纱层的数量少于存在于位于所述至少一个非互连区域(405)之外的所述纤维坯料(401)的其余部分(420)中的经纱层的数量。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,一层或多层经纱层在编织至少所述第二和第三部分(414、416)期间撤出。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法,其特征在于,所述复合材料部件对应于选自下列部件中的至少一个的航空部件:涡轮发动机叶片、涡轮发动机叶片、加强件和配件。
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