CN114174576B - 用于制造环扇形件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维编织的多层纤维结构(20)，该纤维结构具有在沿经线方向的任何层次上编织的相同数量的经纱，该纤维结构(20)在该经线方向上包括第一部位(22)和第二部位(24)，该第一部位(22)在垂直于该经线方向和纬线方向的方向上测量的厚度大于该第二部位(24)，其特征在于，沿该经线方向的两个纬线平面之间的间距在该第二部位中比在该第一部位(22)中大，并且纬纱的数量在该第二部位(24)中比该第一部位(22)中小。

Description

用于制造环扇形件的方法
技术领域
本发明涉及纤维结构的制造，该纤维结构用于生产旨在集成在例如涡轮机中的复合材料部件。
现有技术
复合材料部件，特别是陶瓷基复合材料(CMC)部件，越来越多地用于替代涡轮机中的金属部件。实际上，CMC部件在高温下具有特别有趣的机械性能，对于例如涡轮喷嘴或定子的设计是理想的。在这两个实例中，扇形的CMC部件被布置和组装在金属外壳上并且通过紧密接合彼此连接，以便确保脉络的紧密性，而不管由高操作温度生成的热膨胀。
在航空领域中，对于上述应用，所使用的CMC材料基于碳化硅纤维和碳化硅基质。
碳化硅纤维例如通过三维编织以纤维结构的形式集成到CMC材料中。这是使用多层纬纱和多层经纱的多层编织，其中经纱将不同层的纬纱粘合在一起。可以使用不同类型的3D编织，例如互锁、多缎纹、多编织、多斜纹编织。
图1示出了定子扇形件2，该定子扇形件2旨在与移动叶片的尖端径向相对安装。它包括两个径向凸缘4，其彼此轴向间隔开并且在内部连接到环形壁扇形件6，该环形壁扇形件6包括连接两个凸缘4的中心部分8和从中心部分8的轴向端部沿相反方向延伸的整流罩10。术语“径向”和“轴向”相对于角扇区的轴线A来考虑，该轴线对应于多个扇形件旨在围绕其布置以环绕叶轮的轴线。
在图1中可以看出，中心部分8，也称为浴缸，具有的厚度epc大于整流罩的厚度eb。该厚度是沿径向测量的。这与纤维结构12的制造工艺直接相关。
为了生产图1的环扇形件2，首先生产如图2所示的纤维结构12。
该纤维结构12包括中心部位14，该中心部位14在其每个端部处连接到第一部分16和第二部分18，在它们之间散开。纤维结构12的中心部分14旨在形成环扇形件2的中心部位8并且第一部分16和第二部分18旨在形成环扇形件2的整流罩10和凸缘4。
中心部位14包括x编织的经线层、各自包括z编织的经线层的第一部分16以及各自包括y编织的经线层的第二部分18。经线层以一定的厚度布置，在图中由方向E表示。
在第一部分16和第二部分18之间没有厚度连接，允许它们在结构上彼此独立并且因此在模具中的不同方向上成形。
因此，一旦获得纤维结构12，就将其成形为具有与所需部件类似的形状，即在如图3所示的实例中的“Pi”。在中心部位14的任一侧上的第一部分16因此被展开，以便获得具有图1中所示的环扇形件2的“Pi”拓扑的纤维预成型件。
利用当今的编织技术，在编织件的所有点上经线/纬线比率是相同的。因此，中心部位14的经线层的数量取决于第一部分16和第二部分18的经线层的数量，并且通过以下公式x＝y+z关联。
在经线/纬线比率不变的情况下，中心部位14和第一部分16以及第二部分18的经线和纬线的层的数量以及因此它们各自的厚度相互依赖，在中心部位14处生成在功能上不必要的厚度。实际上，中心部位8在功能上需要与整流罩10的厚度eb相等的最小厚度epc。中心部位8的厚度epc还可能大幅度大于整流罩10的厚度eb。这种超量的厚度导致在功能上不必要的纤维材料量的使用，而纤维材料是一种昂贵的元件。
由于成本以及质量的缘故，因此有必要减小纤维结构12的中心部位14的厚度，并且从而获得厚度可变的纤维结构12。
在有机基质复合材料(OMC)叶片的设计中使用称为“修整(trimming)”的技术方案。该方法包括通过改变编织物从纤维结构中除去经纱和纬纱。然后切割离开的纱线，形成具有沿经线方向展开的厚度的纤维结构。
此类方法不能用于CMC陶瓷基质复合材料部件，特别是因为所用纤维的脆性。修整方法会将削弱所产生的纤维结构，并且因此削弱预成型件。
此外，上述部件的小尺寸意味着预成型件小，并且难以生产接下来将使用修整工艺切割的经纱。
本发明的目的是以简单、可靠并且便宜的方式弥补此些缺点。
发明内容
本文件首先涉及三维编织的多层纤维结构，所述纤维结构具有在沿经线方向的任何层次上编织的相同数量的经纱，该纤维结构在经线方向上包括第一部位和第二部位，第一部位在垂直于经线方向和纬线方向的方向上测量的厚度大于第二部位，其特征在于，沿经线方向的两个纬线平面之间的间距在第二部位中比在第一部位中的大，并且纬纱的数量在第二部位中比在第一部位中小。
因此，通过调节两个参数，即沿经线方向的两个连续纬线列之间的间距和纬纱的局部插入或分离，来改变经线-纬线比率，第二部位的厚度不再取决于第一部位的厚度。然后通过三维编织获得的纤维结构的第一部位的厚度大于第二部位的厚度。
第二部位的每个纬线平面的纬纱的数量可以小于第一部位的每个纬线平面的纬纱的数量。
因此，该方法与CMC部件的纤维结构的生产兼容，因为它不需要使用修整方法来改变厚度。
纤维结构的第一部位可以包括第一部分和第二部分，第一部分在垂直方向上被布置在第二部分上，并且在结构上独立于第二部分，第一部位的第一部分和第二部分在从第一部位到第二部位的过渡处被编织到第二部位。
特别地，纤维结构的第一部分和第二部分构成纤维结构的元件，其在成形时将形成环扇形件的整流罩和凸缘。该结构的独立性允许第一部分和第二部分在优选垂直的方向上的构造。
在第一部分或第二部分中，纬纱的数量可以大于经纱的数量。
减小第二部位的厚度的另一种可能性是改变第一部位，即第一部位的第一部分和第二部分的经线-纬线比率。这减小了要在第二部位中编织的经线层的数量。
在第二部位中，纬纱的数量可以小于经纱的数量。
因此，不插入存在于基础编织中的某些纬纱是为了通过在75/25比率的限度内更改或不更改纬线列之间的间距来更改经线/纬线比率，从而使得与第一部位的厚度相比有可能减小厚度。
两个经线平面之间的距离在第一部位和第二部位之间可以是相同的。实际上，这比可变间距更容易实现。
两个纬线平面之间的间距在第一部位和第二部位之间可以是相同的，并且两个经线平面之间的间距可以是不同的。
在与本文件中呈现的定向成90°的编织部件(未示出)的特定情况下，可以利用两个连续的经线平面之间的间距并且保持两个连续的纬线平面之间的间距恒定。
实际上，更容易在织机上改变纬线参数。这使得更容易设置与两个连续链层之间的间距以及第一部位和第二部位中的链的数量有关的参数。
纤维结构可以包括与第一部位一样并且沿与第一部位相反的经线方向编织到第二部位的第三部位。
纤维结构的第一部位可以包括第一部分和第二部分，第一部分在垂直方向上被布置在第二部分上，并且在结构上独立于第二部分，第一部位的第一部分和第二部分在从第一部位到第二部位的过渡处被编织到第二部位。
第二部位的每个纬线平面的纬纱的数量可以小于第一部位的每个纬线平面的纬纱的数量。在该实例中，纤维结构具有对称轴，类似于以上所示的环扇形件。因此，纤维结构成形为接近所需环扇形件的“Pi”形状。因此，此类纤维结构可以形成在第二部位处的厚度可以小于或等于第一部位和第三部位的厚度的预成型件。然后，形成纤维预成型件中的中心部位或浴缸的第二部位具有适合并且足以满足使用该部位所必需的热和机械要求的厚度。
本文件还涉及用于制造如上所述的纤维结构的方法，其中在经线方向上从纤维结构的第一部位过渡到纤维结构的第二部位期间，减少纬纱的数量，并且增加沿经线方向的两个连续的纬线平面之间的间距。
本文件还涉及用于制造如上所述的纤维结构的方法，其中在经线方向上从纤维结构的第二部位过渡到纤维结构的第一部位期间，增加纬纱的数量，并且减小沿经线方向的两个连续的纬线平面之间的间距。
本文件还涉及用于制造复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
a)凭借如上所述的方法获得纤维结构；
b)使该纤维结构成形；
c)通过将基质注入纤维结构来获得复合材料。
所产生的复合材料然后包括减小量的纤维材料，从而减小其生产成本和质量。
参考附图阅读以下作为非限制性实例给出的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特性和优点将显而易见。
附图说明
[图1]是前文所述的根据现有技术的环扇形件的透视图；
[图2]是前文所述的用于制造根据现有技术获得的图1的环扇形件的纤维结构的示意图；
[图3]是前文所述的环扇形件的纤维结构的3D Pi构造的示意图；
[图4]是根据本发明的纤维结构的示意图；
[图5]是结合图4的纤维结构的环扇形件的图。
具体实施方式
在下面详述的实施例中，由碳化硅纤维编织的纤维结构优选具有按体积计介于25％至50％之间的目标纤维含量。
图5是根据本发明的纤维结构20的图，其中示出了经线方向C和纬线方向T以及方向E，这些方向彼此垂直。该纤维结构20具有相同数量的经纱，该经纱沿经线方向C在纤维结构的任何层次上编织。
纤维结构20包括沿经线方向C的第一部位22、第二部位24和第三部位26，在成形前的纤维结构20的示意图中充分显示。第一部位22、第二部位24和第三部位26各自具有在垂直于经线方向和纬线方向的方向E上测量的厚度e1、e2、e3。在该实例中，纤维结构20包括第二部位24，其厚度e2小于第一部位22和第三部位26中的每一个的厚度e1、e2。
第一部位22和第三部位26各自包括第一部分16和第二部分18。一旦纤维结构20已经形成如图5所见的Pi形状，第一部位22和第三部位26的第一部分16被布置成分别与第一部位22和第三部位26的第二部分18形成非零角度，优选地介于0°至45°之间。
在纤维结构20的这种成形之前，即在三维编织结束时，对于第一部位22和第三部位26中的每一个，第一部分16沿E方向，也称为厚度方向，布置在第二部分18之上。虽然第一部分16和第二部分18是同时编织的，但是它们在结构上是独立的，即它们不是相互编织的，这允许第一部分16相对于第二部分18和第二部位24以非零角度布置。第一部位22和第三部位26的第一部分16和第二部分18在E方向上的各自的厚度分别为ep11、ep12、ep31和ep32，使得ep11+ep12＝e1且ep31+ep32＝e3。
在下文中，将假设第一部分和第二部分的厚度对于第一部位和第三部位是一样的，即ep11＝ep31且ep12＝ep32。
当然，厚度e1和e3有可能不同，并且厚度ep11,ep31,ep12和ep32还有可能成对地彼此不同。
第一部位22的第一部分16和第二部分18在从第一部位22到第二部位24的过渡处被编织到第二部位24。第三部位26的第一部分16和第二部分18在从第三部位26到第二部位24的过渡处被编织到第二部位24。由两个方框A和B表示的这些过渡对应于来自第一部位22的第一部分16和第二部分18的线的交织，以形成第二部位24。
纤维结构20的特征在于，沿经线方向C的两个纬线平面之间的间距在第二部位24中比在第一部位22和第三部位26中大。此外，纬纱的数量在第二部位24中比第一部位22和第三部位26中小。第二部位的每个纬线平面的纬纱的数量可以小于第一部位的每个纬线平面的纬纱的数量。第二部位的每个纬线平面的纬纱的数量可以小于第一部位的每个纬线平面的纬纱的数量。这允许第一部位22和第三部位26的经线-纬线比率相对于第二部位24的经线-纬线比率受到影响，以限制第二部位24的厚度，而无需修整。纤维结构20的第二部位24因此具有使得e2≤e1且e2≤e3的厚度。
下面表1图示了根据现有技术的纤维结构12的实例，该纤维结构12包括第一部位和第二部位，该第一部位包括第一部分16和第二部分18，其中第二部位14具有厚度e2>ep12，并且特别是其中e1＝e2。
[表1]
在先前技术中由21个纺织品层通过纤维结构12的三维多层编织制成的该纤维结构12在纤维结构12的不同部位中具有50/50不变的经线-纬线比率。
在这种情况下，第二部位14中的层、经线和纬线平面的数量分别等于第二部位14(和第三部位，如果适用的话)的第一部分16和第二部分18中的层、经线和纬线平面的数量之和。
根据本发明的纤维结构20使其有可能限制旨在形成浴缸的第二部位24的厚度e2，使得其厚度e2接近于第一部位22(和第三部位26，如果适用的话)的第二部分18的厚度ep12。换句话说，e1、e2和e3因此可以是不同的并且这无需修整。
表2图示了根据本发明的第一实施例的纤维结构20，其包括第一部位22和第二部位24，该第一部位22包括第一部分16和第二部分18：
[表2]
该纤维结构20的第二部位24的厚度e2一旦成形就减小到4.1mm，第一部位22的第一部分16和第二部分18的参数与图示现有技术的表1相比没有变化。为此，沿经线方向的两个纬线平面之间的间距从1.25mm增加到1.5mm，使得其大于第一部位22中，特别是第一部位22的第一部分16和第二部分18中的两个不间断的纬线平面之间的间距。此外，第二部位24的纬纱的数量小于第一部位22的纬纱的数量之和，即第一部位22的第一部分16和第二部分18的纬纱的总数，通过在第一部位22和第二部位24之间的过渡段A处局部分离纬纱，以便实现接近于75/25极限的经线-纬线比率。
因此，将增加两个不间断的纬线平面之间的间距和不局部插入纬纱相结合以便减小纬线平面，会使经线-纬线比率失衡，在实例中示出达74/26。与在表2中图示的现有技术的纤维结构12相比，这允许旨在形成环扇形件的浴缸的纤维结构20的第二部位24的厚度e2减小1.9mm。
因此，在纤维结构20的第二部位24中，纬纱的数量小于经纱的数量，分别为9和21。由于实际原因，经线-纬线比率的不平衡是通过调节两个连续纬线平面之间的间距而不是两个连续经线平面之间的间距来实现的。结果，两个经线平面之间的距离在第一部位22和第二部位24之间是一样的。
在与本文件中呈现的定向成90°的编织部件(未示出)的特定情况下，可以利用两个连续经线平面之间的间距并且保持两个连续纬线平面之间的间距恒定。
尽管这里所图示的实例描述了具有第一部位22和第二部位24的纤维结构20的特定情况，但纤维结构20可以包括与第一部位22一样并且沿与第一部位22相反的经线方向编织到第二部位24的第三部位26。
表3图示了根据本发明的第一实施例的纤维结构20，其包括第一部位22和第二部位24，该第一部位22包括第一部分16和第二部分18：
[表3]
在该结构20中，经线-纬线比率在第一部位22的第一部分16和第二部分18中变化，以便减小随后在第二部位24中编织的纺织品层的数量。
因此，在第一部位22的第二部分18中，纬线平面的数量大于经线平面的数量。在第一部位22的第一部分16中，纬线平面的数量是经线平面的数量的1.5倍。第一部分16和第二部分18中的两个连续纬线平面之间的间距减小到1mm。
这些参数的更改，使第一部分16和第二部分18的经线-纬线比率分别失衡至41/59和35/65，并增加了两个连续纬线平面之间的间距，由于成形的纤维结构20的第一部分16和第二部分18分别为2.1mm和4.1mm的厚度，因此有可能获得等于4.2mm的第二部位24的厚度e2。
在纤维结构20的该实例中，在纤维结构20的第一部位22的第一部分16和第二部分18中，纬纱的数量大于经纱的数量。
本发明还涉及纤维结构22，其第二部位24的厚度e2小于第一部分22的厚度，即第一部分16和第二部分18的厚度之和。表4图示了本发明的第三实施例：
[表4]
保持表3中实例的纤维结构20的第一部位22的第一部分16和第二部分18的参数，第二部位24的厚度进一步减小，通过将纤维结构20的第二部位24的纬线平面的数量从16减小到7，将经线-纬线比率改变为73/27。
然后，与参照表3描述的结构的4.2mm相比，该第二部位24获得3.1mm的厚度。
因此，本发明还涉及参照表2至4所描述的制作纤维结构20的方法。
因此，用于制造根据本发明的纤维结构20的编织物的方法包括由在经线方向上从纤维结构的第一部位过渡到纤维结构20的第二部位24期间，该第二部位24的厚度大于第一部位22的厚度，减少沿经线方向的两个连续纬线平面之间的间距，并且减少纬纱的数量组成的步骤。
该制造工艺还包括在经线方向上从纤维结构20的第二部位24过渡到纤维结构20的第一部位22期间，增加纬纱的数量并且减少沿经线方向的两个连续纬线平面之间的间距的步骤。
所产生的纤维结构20然后可以用于制造复合材料部件，例如如上所述的定子扇形件12。
因此，本发明还涉及用于制造复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
a)凭借如上呈现的方法获得纤维结构20；
b)使该纤维结构20成形；
c)通过在纤维结构内部注射或致密化基质来获得复合材料。
步骤b)在于从纤维结构20获得旨在形成复合材料部件的纤维增强物的纤维预成型件。该纤维预成型件具有类似于复合材料部件的形状。因此，在如上所述的定子扇形件12的实例中，编织的纤维结构20是“Pi”形的，也就是说，纤维结构20的第一部位22和第三部位26的第一部分16被布置成以便与第一部位22和第三部位26的第二部分18以及第二部位24(后三者基本对齐)形成角度。这能够在成形工具的帮助下完成，允许预成型件保持在接近于待制造部件的形状。
然后通过使纤维预成型件致密化，即通过将基质注入成形的纤维结构内部来获得复合材料部件。该基质可以是树脂，或者在热结构复合材料的情况下，可以是耐火材料诸如碳或陶瓷。
该基质注射可以例如通过化学气相渗透(CVI)、通过由已知的首字母缩略词为PIP的聚合物渗透和热解(Polymer Infiltration and Pyrolysis)的工艺或任何其它通常已知的用于CMC部件设计的工艺实施。

Claims (9)

1.三维编织的多层纤维结构(20)，所述纤维结构(20)具有在沿经线方向的任何层次上编织的相同数量的经纱，所述纤维结构(20)在经线方向上包括第一部位(22)和第二部位(24)，所述第一部位(22)在垂直于经线方向和纬线方向的方向上测量的厚度大于所述第二部位(24)，其特征在于，沿经线方向的两个纬线平面之间的间距在所述第二部位中比在所述第一部位(22)中大，并且所述第二部位的每个纬线平面的纬纱的数量小于所述第一部位的每个纬线平面的纬纱的数量，所述纤维结构(20)的第一部位(22)包括第一部分(16)和第二部分(18)，所述第一部分(16)在垂直方向上被布置在第二部分(18)上，并且在结构上独立于所述第二部分(18)，所述第一部位(22)的第一部分(16)和第二部分(18)在从所述第一部位(22)到所述第二部位(24)的过渡处被编织到所述第二部位(24)。
2.根据权利要求1所述的纤维结构(20)，其特征在于，在所述第一部分(16)和所述第二部分(18)中的一个和/或另一个中，纬纱的数量大于经纱的数量。
3.根据权利要求1或2所述的纤维结构(20)，其特征在于，在所述第二部位(24)中，纬纱的数量小于经纱的数量。
4.根据权利要求1或2所述的纤维结构(20)，其特征在于，两个经线平面之间的间距在所述第一部位(22)和所述第二部位(24)之间是一样的。
5.根据权利要求1或2所述的纤维结构(20)，其特征在于，两个经线平面之间的间距在所述第一部位(22)和所述第二部位(24)之间是不同的。
6.根据权利要求1或2所述的纤维结构(20)，其包括第三部位(26)，所述第三部位(26)与所述第一部位(22)一样，并且沿与所述第一部位(22)相反的经线方向编织到所述第二部位(24)。
7.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的纤维结构(20)的方法，其中在经线方向上从所述纤维结构(20)的第一部位(22)过渡到所述纤维结构(20)的第二部位(24)期间，减小纬纱的数量，并且增加沿经线方向的两个连续纬线平面之间的间距。
8.用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的纤维结构(20)的方法，其中在经线方向上从所述纤维结构(20)的第二部位(24)过渡到所述纤维结构(20)的第一部位(22)期间，增加纬纱的数量，并且减小沿经线方向的两个连续纬线平面之间的间距。
9.用于制造复合材料的方法，其包括以下步骤：
a)凭借根据权利要求7或8所述的方法获得纤维结构(20)；
b)使所述纤维结构(20)成形；
c)通过将基质注入所述纤维结构(20)内部来获得复合材料。
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