CN116133830A - 用于制造用于涡轮机的复合部件的方法 - Google Patents

Abstract

用于制造用于涡轮机的由复合材料制成的部件的方法，该涡轮机特别是飞行器的涡轮机，该方法包括以下步骤：·b)将由纤维制成的预制件(10)布置在模具(12)中，·c)将可聚合树脂注射到模具(12)中，·d)对部件进行机加工，·e)对部件进行视觉检查，其特征在于，在步骤b)之前存在步骤a)，在步骤a)中，将至少一个符合性涂层(50)沉积在模具(12)中，该涂层(50)具有校准的厚度(X)和能由操作者识别的至少一个视觉外观，所述涂层(50)用于在步骤c)结束时覆盖预制件的至少一个区域并且通过所述树脂固定到所述至少一个区域，并且步骤e)包括由操作者核实外观在该区域中的存在。

Description

用于制造用于涡轮机的复合部件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造用于涡轮机(特别是飞行器涡轮机)的、由复合材料制成的部件的方法。

背景技术

现有技术特别地包括文献FR-A1-2 956 057、FR-A1-3 029 134、FR-A1-3 051386、WO-A1-2020/043980以及FR-A1-2 914 877。

特别地，由于复合材料在相对较低的质量下具有令人感兴趣的机械性能，因此复合材料的使用在航空工业中是有利的。

本领域技术人员公知的一种用于制造用于航空工业的复合部件的方法是树脂传递模塑(Resin Transfer Molding，RTM)成型方法。

这是一种用于制造由基于树脂浸渍纤维的复合材料制成的部件的方法。这种方法被用于例如制造风扇轮叶，并且包括在图1中示出的多个相继的步骤。

首先，将纤维编织在一起以获得三维预制坯件，然后将该坯件切开以获得预制件10，该预制件具有与要得到的轮叶大致相同的形状。然后将该预制件布置在闭合的注射模具12中。然后，通过在注射的树脂上保持压力来在液态下注射树脂，同时通过加热使树脂聚合。

所使用的树脂是非常易流动的树脂，该树脂即使当在减小的压力下注射时也能够很好地渗透预制件的纤维。在聚合期间，在加热作用下，注射的树脂相继地从液态转变为凝胶态，最后转变为固态。

轮叶的复合材料相对脆弱，并且特别地对冲击敏感，并且已知通过金属护套14来保护轮叶，金属护套被装配并附接到叶片的前缘。

通过在模具12中将护套布置在预制件10上使得护套通过树脂固定到轮叶，护套能够被附接到叶片。注射的树脂对预制件进行浸渍并且与护套发生接触以确保在聚合和固化之后护套附接到叶片。

在离开模具之后，轮叶16经受多次精加工操作。对轮叶16进行脱模和去毛刺，并且使轮叶通过喷砂S1来经受第一机加工操作，以使轮叶的表面状况适应于接下来的操作，即胶合步骤。将抗磨织物的条和聚氨酯薄膜(或者如果护套还没有被胶合，则甚至是护套14)胶合到轮叶16。使轮叶16通过喷砂S2来经受第二机加工操作，以使轮叶的表面状况适应于接下来的操作。在使轮叶通过带式磨削或修整来经受最后的机加工步骤S3之前，用粘合底漆18、然后用抗侵蚀涂料20对轮叶16进行涂覆。

为了不损坏轮叶，特别地为了保证轮叶的机械性能，特别地在轮叶的模制的拱腹面和拱背面上，通过机加工移除的材料的厚度不能超过最大厚度E_最大。该厚度相对较小，例如小于或等于200μm。

通过现有技术，难以控制在机加工操作期间移除的材料的厚度。一种解决方案是在每次机加工操作之前和之后对轮叶进行称重，以计算移除的材料的质量，并且基于轮叶的机加工区域的累积表面积来推算移除的材料的厚度。然而，该解决方案并不理想，因为该解决方案假设这些区域的机加工是均匀的，并且在这些区域中移除的材料的厚度是恒定的，但是并不一定如此，并且难以检查。

此外，轮叶的质量远大于通过机加工移除的材料的质量(约小于轮叶的质量的0.01％)。因此，该解决方案不能足够精确，因而有必要通过限制例如机加工操作的数量(特别是对每个轮叶进行喷砂操作的数量)来获得安全裕度。如果我们考虑喷砂操作通常移除材料厚度E，并且所采用的安全裕度Ms应为50％，则对每个轮叶进行机加工操作的最大数量N_最大将例如为：

N_最大＝Ms·E_最大/E＝50％·E_最大/E

例如，如果E_最大为40μm，并且E为10μm，则每个轮叶的机加工操作的数量N_最大为2。

因此，本技术的可能解决方案对于对在机加工操作期间移除的材料的厚度进行控制而言不是最佳的，并且本发明提出了针对该问题的简单、有效且经济的解决方案。

发明内容

本发明提出了一种用于制造用于涡轮机的复合材料部件的方法，该涡轮机特别是飞行器的涡轮机，该方法包括以下步骤：

b)将由三维编织纤维制成的预制件布置在模具中，

c)将可聚合树脂注射到模具中以对预制件进行浸渍，从而在固化之后形成该部件，

d)对该部件进行机加工，

e)由操作者对部件进行视觉检查以验证至少一个符合性(conformité)标准，

其特征在于，在步骤b)之前存在步骤a)，在步骤a)期间，将至少一个符合性涂层沉积在模具中，该涂层具有校准的厚度以及能由操作者识别的至少一个视觉外观，该涂层用于在步骤c)结束时覆盖预制件的至少一个区域并且通过树脂固定到该至少一个区域，

并且步骤e)包括由操作者核实所述外观在所述区域中的存在，以验证所述符合性标准。

因此，根据本发明的方法包括5个步骤，特别是初始步骤，该初始步骤旨在利于和优化对部件的符合性进行控制和检查的最后步骤。

符合性涂层是旨在被施加到部件、专用于对部件的符合性进行控制的附加层。为此，在将预制件沉积在模具中并且将树脂注射到模具中之前，将涂层沉积在用于部件的制造模具中。然后，树脂将对预制件进行浸渍，并确保使部件固化以及将涂层粘合到部件。

该涂层位于部件的一个或多个区域上，特别地位于旨在经受一个或多个机加工操作的一个或多个区域上。该涂层的特殊性之一是该涂层具有校准的(即预定的)且恒定的厚度。该涂层的另一个特殊性是该涂层具有操作者在控制步骤e)中可见的至少一个外观。

因此，应当理解，在控制步骤e)期间，如果操作者在整个一个或多个机加工区域上通过视觉识别到涂层的外表，这意味着该区域/这些区域的机加工操作未导致被移除的材料的厚度大于涂层的校准的厚度。还应理解，该校准的厚度等于轮叶上的必须通过机加工移除的材料的最大厚度，因此，在这种情况下，由于轮叶未受到机加工操作的负面影响，因而轮叶符合该符合性标准。

如果在步骤e)期间，操作者在一个或多个机加工区域上通过视觉识别到涂层的外观中的间隙(缺失)，这意味着该区域/这些区域上的机加工操作已导致被移除的材料的厚度大于涂层的校准的厚度，因此大于轮叶上的必须通过机加工移除的材料的最大厚度。因此，轮叶不满足符合性标准，并且由于轮叶的机械性能可能改变，因而轮叶应当被废弃。

根据本发明的方法可以包括被单独地采用或被彼此组合地采用的以下特征中的一项或多项：

-所述涂层具有恒定的厚度，该恒定的厚度介于10μm至100μm之间，

优选地介于20μm至60μm之间，更优选地为40μm；

-所述视觉外观是颜色或所述视觉外观包括相同表面图案的重复；

-所述涂层通过铺展或喷涂来沉积在模具中。

-所述涂层选自着色涂料、着色树脂、胶合剂膜、布材或以上各项的组合；

-该布材由玻璃纤维或碳纤维制成，该布材优选地是编织的，并且该布材优选地浸渍有可聚合树脂；

-所述涂层包括至少一种可聚合化合物，该可聚合化合物的聚合在步骤b)之前开始；

-所述涂层被沉积在模具的底部上；

-所述机加工通过喷砂执行；

-该方法在步骤a)之前包括将楔部布置在模具中的步骤i)，这些楔部各自的厚度等于所述校准的厚度，并且这些楔部用于在楔部之间限定用于沉积所述涂层的空间，并且该方法在步骤a)与步骤b)之间包括将楔部从模具移除的步骤ii)；

-该方法在步骤a)与步骤b)之间包括使所述涂层至少部分地聚合的步骤iii)；

-该方法在步骤a)与步骤b)之间包括例如通过涡流(Courants deFoucault)对所述涂层的厚度进行检查的步骤iv)；

-该部件是轮叶或壳体。

附图说明

通过以下详细描述并且为了理解该详细描述而参照附图，本发明的其他特征和优点将变得明显，在附图中：

[图1]图1是复合飞行器涡轮机轮叶的示意性透视图，该复合飞行器涡轮机轮叶在根据现有技术的制造方法期间经受了多次操作，

[图2]图2是复合飞行器涡轮机轮叶的示意性透视图，

[图3]图3是示出根据本发明的用于制造涡轮机部件的方法的步骤的框图，

[图4]图4是用于制造图2的轮叶的模具的示意性透视图，

[图5]图5包括在图1中示出的操作中的一些操作期间轮叶的高度示意性横截面视图，

[图6a-图6b]图6a和图6b分别是在图4中示出的类型的模具的示意性透视图和横截面视图，本发明的意义上的符合性涂层沉积在该模具中，

[图7a-图7b]图7a和图7b是模具的示意性横截面视图，根据本发明的两个替代实施例，符合性涂层沉积在该模具中，

[图8a-图8b]图8a和图8b是模具的示意性横截面视图，特别地包括树脂的涂层沉积在该模具中，

[图9a-图9b]图9a和图9b是模具的示意性横截面视图，包括预浸渍布材的涂层沉积在该模具中，

[图10a-图10b]图10a和图10b是模具的示意性横截面视图，特别地包括胶合剂的涂层沉积在该模具中，以及

[图11]图11是复合飞行器涡轮机壳体的示意性透视图。

具体实施方式

以上已经描述了图1。

参照图2，图2示出了用于涡轮机的复合材料轮叶16，在涡轮风扇发动机的情况下，该轮叶16例如为风扇轮叶或次级流的矫直器轮叶。

轮叶16包括叶片22，叶片通过支柱24连接到根部26，根部具有例如燕尾形状并且被形成为接合在转子盘的具有互补形状的单元中，以将轮叶保持在该盘上。

叶片22包括用于流动穿过涡轮机的气体的前缘16a和后缘16b。叶片22具有弯曲的或扭曲的空气动力学轮廓，并且包括在前缘16a与后缘16b之间延伸的拱腹28和拱背30。

叶片22由通过纤维(例如碳纤维)的三维编织得到的纤维预制件10(参见图1)制成。

叶片的前缘16a由附接到该前缘16a的金属护套14进行加固和保护。护套14例如由镍、钴和/或钛基合金制成。

该附接可以一方面通过将预制件10与护套14进行共同模塑来进行，另一方面通过用胶合剂34对护套14进行胶合来进行。

图3是示出在用于制造复合轮叶16(例如在图2中示出的复合轮叶)的方法中的步骤的流程图。

由虚线方框包围的步骤b)至步骤e)表示根据现有技术的制造方法。

现有技术的方法的第一步骤b)包括通过使用编织机(例如提花型编织机)对纤维进行编织(优选地，三维编织)来制造纤维预制件10。得到的预制件10是未处理的，并且可以经受诸如切割或压缩的操作。

然后，将预制件10布置在模具12(图4)中。

然后，例如通过未示出的反式模具(contre-moule)来闭合模具12，并且根据预定的加热循环将模具加热到如下的温度，该温度优选地介于160℃至200℃之间，例如为180℃。

该方法包括将可聚合树脂注射到模具12中的随后的步骤c)。

被注射到模具12中的树脂旨在对预制件10进行浸渍。

树脂例如为环氧基热固性树脂。

图5中左侧的图像示出了在轮叶离开模具12时轮叶16的表面状态。

然后，该方法包括优选地通过喷砂对轮叶16进行机加工的步骤d)。这对应于以上提到的如在图1中示出的第一喷砂操作S1。在图5中示出的示例中，左侧的第二个图像示出了两个面(即拱腹面16a和拱背面16b)都被机加工的轮叶16。一定厚度的材料被移除，这使轮叶的纤维38中的一些纤维暴露。

然后，该方法包括由操作者对该部件进行检查的步骤e)。在本发明的上下文中，该检查是视觉的，并且使得能够验证至少一个符合性(conformité)标准，根据该符合性标准，在初始机加工步骤d)期间移除的材料的厚度不超过对于轮叶的健康至关重要的某一阈值。

然后可以通过胶合将护套14装配并附接到预制件10的边缘。护套14在形状上通常是二面角的，并且护套限定了具有V形横截面的凹槽，预制件的边缘插入到该凹槽中。胶合剂可以被沉积在护套的凹槽中和/或预制件10的边缘上。

然后将聚氨酯膜40沉积在轮叶16上(在所示的示例中在拱背一侧上)，然后使轮叶经受上述第二机加工操作S2以改变轮叶的表面状况，特别是叶片的被膜40覆盖的区域的表面状况。然后将粘合底漆18和抗侵蚀涂料20沉积到叶片的面中的每一个面，然后使叶片经受机加工操作S3，该机加工操作包括带式磨削的精加工和磨削。

图3示出了在根据本发明的制造方法之前的附加步骤，附加步骤中的一些附加步骤是可选的。

因此，在步骤b)之前存在步骤a)，在步骤a)中，将至少一个符合性涂层50沉积在模具12中。该涂层50用于在步骤c)结束时覆盖预制件10的至少一个区域并且通过树脂固定到该区域。

该涂层50具有校准的厚度和能由操作者识别的至少一个视觉外观。

因此，应当理解，在步骤e)中，操作者必须检查该区域中该特定外观的存在，以验证轮叶的符合性。如果该外观不可见，这意味着被涂层50覆盖的区域已经被过度机加工，并且轮叶应该被废弃。

因此，涂层50具有校准的(即受控的)厚度。这意味着该厚度是已知的，并且在涂层的整个长度上是恒定的。该厚度例如介于10μm至100μm之间，优选地介于20μm至60μm之间，更优选地为40μm。

在本申请中，“视觉外观”是指肉眼可见的区别标志，该区别标志使得能够容易地识别轮叶的涂覆有该涂层的区域与未被涂覆的区域。

在本发明的特定实施例中，该视觉外观是颜色，例如黑色、蓝色、黄色等，这种颜色与轮叶的其他部分或其他层的颜色自然不同。

在实施例的一个变型中，该视觉外观包括相同表面图案的重复。例如，涂层可以包括自始至终重复的人字形图案。该图案可以通过例如布材来获得，并且特别地在编织布材的情况下通过该布材的特定编织图案来获得。替代地，该图案可以通过印刷的或有标记的布材来实现，该布材不一定是编织的。

如在图6a和图6b中可以看到，涂层50旨在通过铺展或喷涂来沉积在模具中，例如模具的底部上。图6b示出了该涂层50的校准的厚度X。

该校准例如可以通过在图3中示出的步骤i)和ii)来实现。

在步骤a)之前，该方法包括将楔部52布置在模具12中的步骤i)(图6b)。这些楔部52各自的厚度等于所述校准的厚度，并且用于在楔部之间限定用于沉积涂层50的空间。

在步骤a)和步骤b)之间，该方法还包括从模具12移除楔部52的步骤ii)。

根据涂层的性质并且如以下将结合实施例的更具体的示例来更详细地讨论的，涂层可以包括至少一种可聚合化合物。在这种情况下，为了限制涂层50在步骤b)和步骤c)期间的移位和变形，可以在步骤b)之前使该化合物和涂层至少部分地聚合。

因此，在图3中的方法在步骤a)与步骤b)之间示出了涂层50的至少部分聚合的步骤iii)。该聚合可以通过对涂层进行加热或烘烤来执行。该加热或该烘烤可以在涂层被沉积在模具12中之前或甚至之后进行。在该加热或该烘烤在涂层被沉积在模具中之后进行的情况下，模具对于该聚合用作涂层的支撑部。

在图3中的方法在步骤a)与步骤b)之间示出了例如通过涡流(Courants deFoucault)对涂层50的厚度X进行检查的另一可选步骤iv)。

图7a至图10b示出了制造方法的实施方式的多种变型。

在图7a和图7b中示出的变型实施例中，涂层50是具有预定颜色的涂料54，该涂料可以用由编织纤维或非编织纤维构成的布材56来增强。在获得的最终轮叶上将由操作员进行检查的视觉外观是涂料的颜色。

在图8a和图8b中示出的变型实施例中，涂层50是树脂58，该树脂可以是着色的，或者可以不是着色的，并且该树脂可以用编织纤维布材或非编织纤维布材增强。该视觉外观是例如树脂的颜色和/或布材的特定编织图案。

在图9a和图9b中示出的替代实施例中，涂层50是可以树脂预浸渍的布材62，该树脂预浸渍的布材用附加织物增强。该视觉外观是例如布材62或树脂的颜色和/或织物的特定图案。

在图10a和图10b中示出的变型实施例中，涂层50是可以用布材和/或织物68增强的胶合剂66。该视觉外观是例如胶合剂的颜色和/或织物68的特定图案。

最后，图11示出了根据本发明的制造方法不仅适用于轮叶，还可以被应用于涡轮机的其他复合部件，例如当壳体(特别是壳体的外圆柱形表面)经受机加工操作时，该制造方法被应用于壳体72。

Claims (13)

1.一种用于制造用于涡轮机的由复合材料制成的部件(16，72)的方法，所述涡轮机特别是飞行器的涡轮机，所述方法包括以下步骤：

b)将由三维编织纤维制成的预制件(10)布置在模具(12)中，

c)将可聚合树脂注射到所述模具中以对所述预制件进行浸渍，从而在固化之后形成所述部件，

d)对所述部件进行机加工，

e)由操作者对所述部件进行视觉检查以验证至少一个符合性标准，

其特征在于，在步骤b)之前存在步骤a)，在所述步骤a)期间，将至少一个符合性涂层(50)沉积在所述模具中，该涂层具有校准的厚度(X)以及能由操作者识别的至少一个视觉外观，该涂层用于在步骤c)结束时覆盖所述预制件的至少一个区域并且通过所述树脂固定到所述至少一个区域，

并且步骤e)包括由操作者核实所述外观在所述区域中的存在，以验证所述符合性标准。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂层(50)具有恒定的厚度(X)，所述恒定的厚度介于10μm至100μm之间，优选地介于20μm至60μm之间，更优选地为40μm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述视觉外观是颜色或所述视觉外观包括相同表面图案的重复。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂层(50)通过铺展或喷涂来沉积在所述模具(12)中。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂层(50)选自着色涂料、着色树脂、胶合剂膜、布材或以上各项的组合。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述布材由玻璃纤维或碳纤维制成，所述布材优选地是编织的，并且所述布材优选地浸渍有可聚合树脂。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂层(50)包括至少一种可聚合化合物，所述可聚合化合物的聚合在所述步骤b)之前开始。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述涂层(50)被沉积在所述模具(12)的底部上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述机加工通过喷砂执行。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法在所述步骤a)之前包括将楔部(52)布置在所述模具(12)中的步骤i)，这些楔部各自的厚度等于所述校准的厚度，并且这些楔部用于在所述楔部之间限定用于沉积所述涂层(50)的空间，并且所述方法在所述步骤a)与所述步骤b)之间包括将所述楔部从所述模具移除的步骤ii)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法在所述步骤a)与所述步骤b)之间包括使所述涂层(50)至少部分地聚合的步骤iii)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法在所述步骤a)与所述步骤b)之间包括例如通过涡流对所述涂层(50)的厚度(X)进行检查的步骤iv)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述部件是轮叶(16)或壳体(72)。

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