CN118139740A - 用于制造包括加强腔体的叶片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造涡轮机叶片的方法，涡轮机叶片由复合材料制成并且具有腔体，该方法至少包括：‑形成具有待制造的叶片的腔体形状的芯部(1)，所述芯部包括仅占据芯部一部分体积的加强结构(11)，该芯部还包括限定所述芯部的外表面的密封包封层(10)；和‑在芯部(1)周围形成复合材料蒙皮。

Description

用于制造包括加强腔体的叶片的方法

技术领域

本发明总体上涉及具有内部腔体的由复合材料制成的叶片、螺旋桨或叶片装置的领域。

背景技术

在航空发动机领域，涡轮发动机叶片可采用复合材料制成，以获得与金属相当或大于金属的强度，但总质量较低。事实上，涡轮发动机性能的改进，特别是在能耗方面，需要减小质量。

对于通过三维编织获得的复合材料叶片，位于叶片芯部中的复合材料对零件的机械性能影响很小，但会占到叶片质量不可忽略的部分。因此，通过三维编织制造包括复合材料蒙皮的中空叶片是有利的。例如，在文献US2015040396A1中描述了这种制造方法。

然而，叶片内部存在腔体可能是有害的，特别是在长叶片和大尺寸腔体的情况下。更具体地，在这种情况下，叶片的薄复合材料蒙皮具有低的固有振动模式，其接近于运行中的发动机的振动模式。因此，薄复合材料蒙皮会开始振动，甚至转入共振。

此外，叶片内部存在大尺寸腔体降低了抗扭性能和抗空气动力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够生产具有加强内部腔体的由复合材料制成的涡轮发动机叶片的解决方案，从而克服上述缺点。

为此，本发明提出了一种制造由复合材料制成并具有腔体的涡轮机叶片的方法，所述方法至少包括：

-生产具有待制造的叶片的腔体形状的芯部，所述芯部包括仅占据芯部体积一部分的加强结构，所述芯部还包括限定所述芯部的外表面的密封包封层；和

-在芯部周围形成复合材料蒙皮。

因此，以与所提出的第一种制造方法类似的方式，通过加强结构加强所获得的叶片的腔体，从而赋予叶片更好的机械强度并降低蒙皮振动的风险。通过占据叶片腔体的有限容积，加强结构不会给叶片增加太大的质量。使用限定芯部的外表面的包封层可以允许使用部分中空且轻质的芯部，同时避免用于形成蒙皮的树脂朝向芯部的内部迁移的任何风险。

根据本发明的一个特定特征，芯部的其余部分的体积包括弹性体材料，以获得这样的复合材料叶片：其腔体由弹性体材料和加强结构占据。

因此，可以获得一种叶片，其腔体由加强结构加强并且由弹性体材料占据。存在于叶片内部的弹性体材料能够缓冲机械应力，同时保持比复合材料轻得多。

根据本发明的另一特定特征，加强结构至少部分地具有网格结构。

根据本发明的另一特定特征，加强结构包括将包封层的两个对向内壁结合的至少一个支承元件。

例如，该支承元件可采用骨架、板或实心体的形式。在最终叶片上，这些支承元件可同时支承形成叶片的内弧面和外弧面的两个蒙皮，从而提高叶片的机械强度并限制蒙皮振动的风险。

根据本发明的另一特定特征，支承元件定位在腔体壁的固有振动模式的一个或多个波腹处。

通过将一个或多个支承元件放置在固有振动模式的波腹处，可以利用更小且更轻的支承元件来有效地加强叶片或叶片装置的腔体。

根据本发明的另一特定特征，支承元件是与包封层的一部分的内部形状匹配的实心体。

根据本发明的另一特定特征，包封层包括朝向芯部的外侧突出的突起。

这些突出的突起确保加强结构与叶片的复合材料蒙皮之间更好的机械连接。

根据本发明的另一特定特征，复合材料蒙皮是通过将基体前体树脂注射到覆盖芯部的纤维预制件中来形成的，该方法还包括处理所述树脂以获得蒙皮——其中所述蒙皮包含通过所述基体致密化的纤维加强结构。

根据本发明的另一特定特征，通过将芯部插入纤维坯件的分离区域中来形成纤维预制件，该纤维坯件通过纱线的三维编织而制成单件。

根据本发明的另一特定特征，纤维预制件是通过围绕芯部铺放纤维层而获得的。

根据本发明的另一特定特征，通过将用基体前体树脂预浸渍的纤维层围绕所述芯部铺放来形成复合材料蒙皮，该方法还包括处理所述树脂以获得包含通过所述基体致密化的纤维加强结构的蒙皮。

附图说明

[图1]图1是根据本发明的包封层和加强网格结构的示意性三维视图。

[图2]图2是根据本发明的芯部的示意性三维视图，包括图1的包封层和加强结构。

[图3]图3是根据本发明的包封层和包括骨架的加强结构的示意性三维视图。

[图4]图4是根据本发明的芯部的示意性三维视图，包括图3的包封层和加强结构。

[图5]图5是根据本发明的包封层以及包括骨架和实心体的加强结构的示意性三维视图。

[图6]图6是根据本发明的芯部的示意性三维视图，包括图5的包封层和加强结构。

[图7]图7是根据本发明的包封层以及包括网格、骨架和实心体的加强结构的示意性三维视图。

[图8]图8是根据本发明的芯部的示意性三维视图，包括图7的包封层和加强结构。

[图9]图9是根据本发明的一个实施例的用于通过RTM注射生产叶片的编织纤维坯件的示意性平面图。

[图10]图10是图9的纤维坯件的剖视图。

[图11]图11是通过将根据本发明的芯部插入到图9和10的纤维坯件中而生产的纤维预制件的示意图。

具体实施方式

本发明广泛地应用于包括内部腔体的各种类型的复合材料部件。本发明有利地应用于涡轮发动机叶片装置、特别是用于出口导向叶片(OGV)类型的燃气涡轮航空发动机的叶片或定子。

所生产的芯部具有待生产的复合材料叶片的内部腔体的形状，并且包括加强结构和密封包封层。

如图1和2所示，加强结构可采用网格形式并由三维条杆的组件组成。图1示出了包括包封层10和具有网格形状的加强结构11的芯部1。网格11在多个点处连接包封层10的内壁。

如图2所示，弹性体材料5可浇铸或注射到包封层10内部以及加强结构11的元件之间。将弹性体材料结合入加强结构内部使得可以在待制造的复合材料叶片内部存在芯部时吸收某些应力。因此，在于复合材料叶片的制造方法结束时，结合入芯部1中的弹性体材料5并不被移除。

在图1和2所示的示例中，网格的条杆是直的并且具有恒定的横截面。条杆可以具有不恒定的横截面或者是弯曲的。

如图3和4所示，加强结构可包括骨架22形状的部分。图3示出了包括包封层20和加强结构22的芯部2。

骨架形状的部分可以巧妙地放置，以便支承或加强叶片的特定区域。根据本发明的一个特定实施例，可以对叶片蒙皮的振动模式进行预先研究，以便确定振动模式的波腹位置。优选地，寻求确定简单的弯曲和扭转模式。因此，骨架形状的部分优选地被放置成与蒙皮上对应于波腹的位置正交。

在图3和4所示的示例中，骨架形状的部分22垂直于芯部2的旨在与叶片装置的蒙皮接触的两个表面2a和2b定位，所述两个表面将对应于叶片的内弧面和外弧面。因此，加强结构将能够支承和加强叶片装置的两个蒙皮，以限制它们的振动。

骨架形状的部分还可定位在叶片装置的具有最大厚度的区域中。另外，从声学角度来看，骨架形状的部分也可具有有利的几何形状，例如用于减少噪音污染。

如图4所示，弹性体材料5可浇铸或注射到包封层20内部以及加强结构22的两侧。将弹性体材料结合入加强结构内部，使得可以在芯部位于待制造的复合材料叶片内部时吸收某些应力。因此，在复合材料叶片的制造方法结束时，不打算移除结合入芯部2中的弹性体材料5。

加强结构还可包括与叶片腔体一部分的形状匹配的实心体。图5示出了包括包封层30和加强结构的芯部3，该加强结构由骨架32和实心体33组成。实心体33与包封层30一部分的形状匹配，以便同时支承芯部3的旨在与叶片装置的蒙皮接触的两个表面3a和3b，所述两个表面将对应于叶片的内弧面和外弧面。

加强结构的实心体可以巧妙地放置，以便支承或加强叶片的特定区域。然而，如果加强结构由金属制成，则试图限制金属加强结构中实心体的存在和尺寸，以便限制其质量。

如图6所示，弹性体材料5可浇注或注射到包封层30内部以及骨架形状部分32的任一侧。将弹性体材料结合入加强结构内部，使得可以在芯部位于待制造的复合材料叶片内部时吸收某些应力。因此，在复合材料叶片的制造方法结束时，不打算移除结合入芯部3中的弹性体材料5。

加强结构可以包括并组合不同类型的加强件。因此，如图7和图8所示，加强结构可包括网格部分、骨架形状部分和实心体。图7示出了芯部4，其包括包封层40以及由网格形部分41、骨架形状部分42和实心体43组成的加强结构。网格形部分能够以优选的方式用于芯部的具有大体积的部分。实心体能够以优选的方式用于芯部的具有有限体积的部分。

如图8所示，弹性体材料5可浇注或注射到包封层40内部以及加强结构的元件41、42和43之间。在加强结构内部结合入弹性体材料，使得可以在芯部位于待制造的复合材料叶片内部时吸收某些应力。因此，在复合材料叶片的制造方法结束时，不打算移除结合入芯部4中的弹性体材料5。

如图1和2所示，包封层可包括从芯部的外表面突出并指向外部的突起10a。这些突出的突起10a的目的是确保叶片的包封层和复合材料蒙皮之间的机械附接。这些突出的突出部10a能够以特别有利的方式设置，以便确保机械附接在具有腔体的复合材料叶片的蒙皮上。例如，在叶片装置的情况下，突出的突起10a将主要定位成确保包封层与叶片装置的内弧面和外弧面之间的机械连接。

在图1和2所示的示例中，突出的突起垂直于芯部的表面定向。如果打算将芯部例如穿过分离区域插入到纤维预制件中，则这种突出的突起会在芯部被最终放好之前通过钩住预制件的纤维而阻碍芯部的插入。因此，根据本发明的一个特定实施例，如果芯部首先穿过第一表面插入，则突出的突起将以背对所述表面的方式定向。因此，芯部将能够穿过所述表面插入，而突起不会“抓住”纤维。当芯部被正确地放置在纤维预制件中的适当位置时，突出的突起能够实现机械附接，特别是在与芯部的插入方向相反的方向上。

网格结构使得诸如电缆、管道、导管或纱线之类的功能元件能够轻松地进入内部并穿过叶片的加强内部结构。另一方面，可能需要在骨架形状结构或实心体内部产生孔，以便允许叶片的这些功能元件通过。

现在将描述根据本发明的包括包封层和加强结构的芯部的制造。

根据本发明的芯部的第一实施例，生产加强结构和单独的包封层，然后组装。

加强结构可由金属制成。具有低热膨胀系数的金属优选用于制造加强结构，以限制复合材料叶片内部的应力。加强结构的金属可以例如是钛、铬镍铁合金或不锈钢。

金属加强结构可通过金属增材制造来生产。金属加强结构还可以通过根据常规方式组装多个金属部分来制造。各个部分的组装可以例如通过焊接或粘合来进行。

加强结构还可以由聚合物或复合材料制成。用于制造该结构的聚合物可以包含不连续或连续纤维。纤维可以是玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维。树脂可以是热固性或热塑性的。优选地，聚合物或复合材料加强结构应当能够承受复合材料蒙皮的处理温度而不发生改变。因此，加强结构优选能够承受高达180℃的温度而不发生改变。

复合材料加强结构可通过复合增材制造来生产。复合材料加强结构还可以通过多个复合材料部分的组装(例如通过粘合)来制造。

包封层可由金属制成。具有低热膨胀系数的金属可优选用于制造包封层，以限制复合材料叶片内部的应力。例如，包封层的金属可以是钛、铬镍铁合金或不锈钢。

包封层还可以由聚合物或复合材料制成。用于制造包封层的聚合物可以包含不连续或连续的纤维。纤维可以是玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维。树脂可以是热固性或热塑性的。优选地，聚合物或复合包封层应当能够承受复合材料蒙皮的处理温度而不发生改变。因此，包封层优选地能够承受高达180℃的温度而不发生改变。

复合材料加强结构可以通过复合增材制造来生产。

用于生产包封层的材料可以与用于生产加强结构的材料相同。

然后，根据常规方式组装包封层和加强结构，例如通过焊接或粘合。

根据本发明的芯部的第二实施例，首先生产加强结构，然后直接在加强结构周围生产包封层。

根据上述方式，加强结构可以由金属、复合材料或聚合物制成。

类似地，根据上述方式，包封层可以由金属、复合材料或聚合物制成。

包封层例如通过成型两个半体来生产，旨在组装这两个半体以形成包封层。之后将两个半体设置在加强结构周围，然后组装到加强结构上、组装至加强结构之间以形成芯部。

根据本发明的芯部的第三实施例，加强结构和包封层被制成(一体的)单件。例如，加强结构和包封层是通过一种或多种材料的增材制造来生产的。可使用不同材料来制造包封层和加强结构，或者制造加强结构的各种元件。

加强结构和包封层还可以由金属、聚合物或复合材料制成。加强结构和包封层可由相同的材料制成。

一旦生产了加强结构和包封层，就可以将弹性体材料铸造或注射到包封层内，如上所述。

当已经生产了具有复合材料叶片的内部腔体形状的芯部时，芯部被用于制造所述复合材料叶片。

在下面呈现的本发明的芯部的三个实施例中，重要的是芯部的表面以及因此包封层的表面被密封。更具体地，在用于制造具有内部腔体的复合材料叶片的方法期间，树脂向芯部内部的蠕变会通过用不期望的材料填充内部腔体而增加叶片的质量。另外，树脂朝向芯部内部的蠕变可能导致在外侧复合材料中形成空隙或干燥区。

可以对如上所述制造的芯部进行精加工操作，以改善芯部的表面状况或密封。这种精加工操作对于3D打印生产的芯部特别有利。该精加工操作可以是退火、机械操作或化学处理，任选地包括添加树脂膜，然后进行固化。

现在已经描述了叶片的各种实施例，其包括根据本发明的加强腔体。

根据图9至11所示的本发明方法的第一实施例，生产了旨在围绕芯部的纤维坯件100。该纤维坯件能够在芯部周围形成复合材料蒙皮，换言之，在芯部的密封包封层周围形成复合材料蒙皮。

坯件100是由通过三维(3D)或多层编织而编织成的条带101获得的，条带101大致沿与待制造叶片的纵向方向相对应的方向L延伸。例如，用沿L方向延伸的经纱进行编织。

分离区域102基本上形成在条带101的中间、在纵向边缘101c和101d之间的纤维坯件100的至少一部分长度上、位于边界102c和102d之间。优选地，分离区域102必须至少延伸到横向边缘101a和101b。在图9和10所示的示例中，分离区域在横向边缘101a和101b之间沿着纤维坯件100的整个长度延伸。该分离区域102使得可以在纤维坯件100中形成内部腔体，其旨在允许先前生产的芯部通过。

纤维坯件可以通过具有互锁编织的3D编织——其包括分离区域——来生产。这里，术语“互锁”编织是指这样的编织：其中每层纬纱连接多层经纱，并且同一纬纱列的所有纱线在编织平面中具有相同的运动。以公知方式，分离区域通过在对位于分离区域两侧的经纱层进行绑扎期间不使纬纱穿过分离区域而被布置在两层经纱之间。

纤维坯件100包括除在分离区域102处之外通过3D编织连接的多个经纱层。在分离区域102之外，坯件100的经纱层全部连接在一起。

为了编织陶瓷纱线，特别可以使用碳化硅(SiC)纱线，例如由日本公司NipponCarbon以名称“Nicalon”供应的纱线。可以使用其他陶瓷纱线，特别是耐火氧化物纱线，例如基于氧化铝Al₂O₃的纱线，特别是用于氧化物-氧化物型CMC材料(纤维加强的纤维和耐火氧化物基体)。碳纱线优选用于编织，例如用于具有碳纤维加强的CMC材料。

如已知的，可对纤维条带进行处理以消除纤维上存在的胶料和纤维表面处氧化物的存在。

还已知的是，然后可以通过化学气相渗透(CVI)在纤维条带的纤维上形成脆化释放界面覆层的薄层。中间相材料例如为热解碳PyC、氮化硼BN或掺硼碳BC。所形成的层的厚度例如在10纳米至100纳米之间，以保持纤维坯件的变形能力。

然后用固结组分(通常是碳前体树脂或陶瓷前体树脂，可选地稀释在溶剂中)浸渍纤维条带。固结可以在烘箱中进行。

根据本发明的该第一实施例，芯部经分离区域102被引入到纤维坯件100中，从而形成如图11所示的纤维预制件200。如果芯部在其外表面上具有突出的突起，则这些突起插入纤维坯件的纱线之间。

然后，通过用构成基体的材料填充预制件的孔隙——填充全部或部分容积，实现纤维预制件200的致密化。待制造零件的复合材料的基体可以根据液体方法以本身已知的方式获得。

优选地在将芯部插入到纤维预制件中之后可以进行成型步骤。该成型步骤可以减少预制件的膨胀。该成型步骤优选在热状态下进行，纤维预制件是湿的或干的。

液体方法包括用含有基体材料的有机前体的液体组分浸渍预制件。有机前体通常具有聚合物的形式，例如树脂，其可选地稀释在溶剂中。将设置在芯部周围的预制件放置在模具中，该模具可以通过凹部密封地封闭——该凹部具有最终成型件的形状，并且特别地能够具有与待制造零件的最终形状相对应的扭曲形状。然后封闭模具，并将基体前体液体(例如树脂)注入到所有凹部中，以便浸渍预制件的所有纤维部分。

前体转化为有机基体(即聚合)是通过热处理进行的，通常在通过在除去所有溶剂和聚合物交联之后加热模具来进行，预制件始终保持在模具中——模具具有与空气动力学轮廓的结构相对应的形状。有机基体尤其可以从环氧树脂获得，例如由CYTEC以参考号PR520出售的高性能环氧树脂，或者从碳或陶瓷基体的液体前体获得。

在形成碳陶瓷基体的情况下，热处理包括热解有机前体，以便根据所使用的前体和热解条件将有机基体转化为碳或陶瓷基体。举例来说，碳液体前体可以是具有相对高的焦炭含量的树脂，例如酚醛树脂，而陶瓷液体前体(特别是SiC的前体)可以是聚碳硅烷(PCS)或聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)树脂。从浸渍到热处理可以进行几个连续的循环，以达到所需的致密化程度。

纤维预制件的致密化优选通过众所周知的树脂转移成型(RTM)法进行。根据RTM法，在具有所需零件的外部形状的模具中，纤维预制件放置在芯部周围。芯部可起到反凸模的作用。将热固性树脂注入到限定于刚性材料部件与模具之间的内部空间中，并且该内部空间包括纤维预制件。通常，在该内部空间中，在注入树脂的位置和用于去除树脂的孔口之间建立压力梯度，以便控制和优化树脂对预制件的浸渍。

所使用的树脂例如可以是环氧树脂。适用于RTM法的树脂是众所周知的。它们优选具有低粘度，以便于注入到纤维中。树脂的温度等级和/或化学性质的选择优选地根据叶片必须经受的热机械应力来确定。一旦树脂注入到整个加强件中，就根据RTM方法通过热处理进行聚合。

以这种方式，获得了具有由加强结构和包封层加强的内部腔体的复合材料叶片。如果包封层包括突出的突起，则这些突起被插入到复合材料的纱线之间，以便在加强结构与通过RTM法制造的复合材料叶片的部分之间产生机械附接。复合材料叶片的内部腔体可以完全或部分地由弹性体材料填充，以实现其减振特性。

根据本发明的方法的第二实施例(未示出的变型)，具有内部腔体的复合材料叶片通过铺层以已知的方式生产。因此，纤维层被施加到先前生产的芯部上，换言之，纤维层被施加到芯部的密封包封层上。纤维层可以用前体树脂基体预浸渍，或者可以是干燥的层，其在铺层后通过树脂致密化。纤维层可以是一维、二维或三维编织，只要它们具有允许铺层的厚度即可。纤维层也可以是具有受控或随机分布的长不连续纤维层。

用于浸渍所述层的一种或多种树脂通过对纤维层组件进行热处理而交联。这样，获得了由围绕芯部的复合材料制成的包封层。

复合材料叶片还可以以已知的方式通过层压件的热压缩来获得。

这样，获得了具有由加强结构和包封层加强的内部腔体的复合材料叶片。如果包封层包括突出的突起，则这些突起被插入到复合材料的纱线之间，以便在叶片的加强结构和复合材料蒙皮之间产生机械附接。复合材料叶片的内部腔体可以完全或部分地由弹性体材料填充，以实现其减振特性。

Claims (10)

1.一种用于制造涡轮机叶片的方法，所述涡轮机叶片由复合材料制成并且具有腔体，所述方法至少包括：

-形成具有待制造叶片的腔体形状的芯部(1；2；3；4)，所述芯部包括仅占据所述芯部的一部分体积的加强结构(11；22；32；33；41；42；43)，所述加强结构(11；41)至少部分地具有网格结构，所述芯部还包括限定所述芯部的外表面的密封包封层(10；20；30；40)；和

-在所述芯部(1；2；3；4)周围形成复合材料蒙皮。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述芯部(1；2；3；4)的其余部分的体积包括弹性体材料(5)，从而获得这样的复合材料叶片：其腔体由所述弹性体材料(5)和所述加强结构(11；22；32；33；41；42；43)占据。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述加强结构包括结合所述包封层的两个对向内壁的至少一个支承元件(22；32；33；42；43)。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其中，所述支承元件(22；32；33；42；43)定位在所述腔体的壁的固有振动模式的一个或多个波腹处。

5.根据权利要求3或4所述的制造方法，其中，所述支承元件(33；43)是与所述包封层(30；40)的一部分的内部形状匹配的实心体。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其中，所述包封层(10)包括朝向所述芯部(1)的外侧突出的突起(10a)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法，其中，通过将基体前体树脂注射到覆盖所述芯部的纤维预制件中来形成所述复合材料蒙皮，所述方法还包括处理所述树脂以获得这样的蒙皮：其包括通过所述基体致密化的纤维加强结构。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，通过将所述芯部插入纤维坯件的分离区域中来形成所述纤维预制件，其中，所述纤维坯件通过纱线的三维编织而以单件形成。

9.根据权利要求7所述的制造方法，其中，所述纤维预制件是通过围绕所述芯部铺放纤维层而获得的。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的制造方法，其中，通过将用基体前体树脂预浸渍的纤维层围绕所述芯部铺放来形成所述复合材料蒙皮，所述方法还包括处理所述树脂以获得这样的蒙皮：其包括通过所述基体致密化的纤维加强结构。