CN118159413A - 用于制造包括增强型空腔的叶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造由复合材料制成且具有空腔的叶片(300)的方法，该方法至少包括：‑制造具有待制造叶片(300)的空腔的形状的芯体(1；2；3；4)，所述芯体包括仅占据所述芯体的体积的一部分的增强结构(10；20；30；40)，芯体的其余体积由易消材料(6)占据，‑围绕所述芯体(1；2；3；4)形成复合材料蒙皮，以及‑移除所述易消材料(6)以获得具有由复合材料(300)制成的具有由所述增强结构(10；20；30；40)增强的空腔的叶片(300)。
Description
技术领域
本发明涉及具有内部空腔的复合材料叶片、螺旋桨或叶片组件的一般领域。
背景技术
在航空发动机领域，涡轮机叶片可以由复合材料制成，以获得大于或等于金属的阻力，但总质量较低。事实上，提高涡轮机的性能(特别是在消耗方面)需要减小质量。
在通过三维编织获得的复合材料叶片的情况下，尽管位于叶片芯体的复合材料占叶片质量的很大一部分，但它对部件的机械性能只有较小的影响。因此，感兴趣的是制造包括由三维编织获得的复合材料蒙皮的中空叶片。这种制造方法例如在文献US2015040396A1中描述。
然而，叶片内部存在空腔可能是有害的，特别是在长叶片和大空腔的情况下。事实上，在这种情况下，叶片的薄复合材料蒙皮呈现出低的固有振动模式，其接近于运行中的发动机的固有模式。因此，薄的复合材料蒙皮可能开始振动，或者进入共振。
此外，叶片内部存在大空腔则减小了对扭转和空气动力的阻力。
发明内容
本发明旨在通过克服上述缺点，提出一种用于制造具有增强型内部空腔的复合材料涡轮机叶片的方案。
为此，本发明提出了一种用于制造由复合材料制成并具有空腔的涡轮机叶片的方法，该方法至少包括：
-制作具有待制造叶片的空腔的形状的芯体，所述芯体包括仅占据芯体体积的一部分的增强结构，芯体的其余体积由易消材料占据，
-围绕所述芯体形成复合材料蒙皮，以及
-移除所述易消材料以获得具有由增强结构增强的空腔的复合材料叶片。
因此，所获得的叶片的空腔通过增强结构来增强，赋予叶片更好的机械阻力并降低蒙皮振动的风险。通过占据叶片空腔的有限体积，增强结构不会给叶片增加太多质量。
所谓“易消材料”，在这里指的是一种可以机械、化学或热消除的材料。
根据本发明的一个特定特征，增强结构至少部分具有网格结构。
根据本发明的另一个特定特征，增强结构包括至少一个支撑元件，该支撑元件连接空腔的两个彼此面对的壁。
该支撑元件例如可以采取壳体、板或实心体的形式。在最终的叶片上，这些支撑元件可以同时支撑形成叶片内弧面和外弧面的两个蒙皮，从而增加叶片的机械阻力并限制蒙皮振动的风险。
根据本发明的另一特定特征，支撑元件定位在空腔的壁的固有振动模式的一个或多个波腹上。
通过将一个或多个支撑元件放置在固有振动模式的波腹上，可以用较少且轻的支撑元件有效地增强叶片的空腔或叶片组件的空腔。
根据本发明的另一特定特征，支撑元件是与空腔的一部分的形状相匹配的实心体。
根据本发明的另一个特定特征，增强结构包括朝向芯体的外部突出的突起。
这些突出的突起确保了叶片的复合材料蒙皮和增强结构之间更好的机械连接。
根据本发明的另一个特定特征，复合材料蒙皮是通过将基体前体树脂注入覆盖芯体的纤维预成型件中而制成的，该方法还包括处理所述树脂以获得包括由所述基体致密化的纤维增强件的蒙皮。
根据本发明的另一个特定特征，纤维预成型件是通过将芯体插入由纱线的三维编织制成一体的纤维坯件的非互连中而制成的。
根据本发明的另一个特定特征，纤维预成型件是通过在芯体周围包覆纤维层而获得的。
根据本发明的另一个特定特征，复合材料蒙皮是通过在芯体周围包覆预先浸渍有基体前体树脂的纤维层而制成的，该方法还包括处理所述树脂以获得包括由所述基体致密化的纤维增强件的蒙皮。
附图说明
【图1】图1是根据本发明的网格增强结构的示意性三维图。
【图2】图2是根据本发明的包括图1的增强结构的芯体的示意性三维图。
【图3】图3是根据本发明的包括壳体的增强结构的示意性三维图。
【图4】图4是根据本发明的包括图3的增强结构的芯体的示意性三维图。
【图5】图5是根据本发明的包括壳体和实心体的增强结构的示意性三维图。
【图6】图6是根据本发明的包括图5的增强结构的芯体的示意性三维图。
【图7】图7是根据本发明的包括网格、壳体和实心体的增强结构的示意性三维图。
【图8】图8是根据本发明的包括图7的增强结构的芯体的示意性三维图。
【图9】图9是根据本发明一个实施方案的用于经由RTM注入制造叶片的编织纤维坯件的示意性平面图。
【图10】图10是图9的纤维坯件的截面图。
【图11】图11是通过将根据本发明的芯体插入图9和图10的纤维坯件中制成的纤维预成型件的示意图。
【图12】图12是由图11的纤维预成型件制成的叶片的示意性三维图。
具体实施方式
本发明通常适用于不同类型的包括内部空腔的复合材料部件。本发明发现了涡轮机的叶片组件的有利应用，特别是用于出口导向叶片或OGV型的航空燃气涡轮发动机的叶片或定子。
制造了芯体，所述芯体具有待制造复合材料叶片的内部空腔的形状且包括增强结构。
如图1和图2所示，增强结构可以采用网格的形式，并由一组三维钢筋组成。图1和图2分别示出了增强结构10和包括增强结构10的芯体1。网格10的尺寸与待制造芯体的尺寸相同，以使增强结构与芯体的外表面齐平，如图2所示。在图1和图2所示的实施例中，钢筋是直的，且具有恒定的截面。钢筋可以具有非恒定的截面，或者是弯曲的。
如图3和图4所示，增强结构可以包括一个或多个壳形部分20。图3和图4分别示出了增强结构20和包括增强结构20的芯体2。增强结构20与芯体的表面齐平。
壳形部分可以被明智地放置以支撑或增强叶片的特定区域。根据本发明的一个特定实施方案，可以对叶片蒙皮的振动模式进行初步研究，以确定振动模式的波腹的位置。优选地，将确定弯曲模式和简单扭转模式。因此，壳形部分将优选正交地放置在蒙皮的对应于波腹的位置处。
在图3和图4所示的实施例中，壳形增强结构20可包括中心部分21a和垂直地定位在中心部分21a两侧的两个支撑部分21b。中心部分21a垂直于芯体2的两个表面2a和2b定位，这两个表面旨在与叶片组件的蒙皮接触，其将对应于叶片的内弧面和外弧面。因此，增强结构将能够支撑和增强叶片组件的两个蒙皮，以限制它们的振动。中心部分21a和两个支撑部分21b的尺寸可能与图3和图4中所示的尺寸不同。优选地，为了减小质量，甚至会选择较薄厚度的中心部分21a和支撑部分21b。
壳形部分也可以定位在具有更大厚度的叶片组件的区域的水平处。此外，从声学的角度来看，壳形部分也可以具有有趣的几何形状，例如以减小噪声污染。
增强结构还可以包括实心体，其将与叶片空腔的一部分的形状相匹配。图5和图6分别示出了增强结构30和包括增强结构20的芯体3。
如图5和图6所示，增强结构30包括实心体32和壳形部分31。特别地，壳形部分31包括中心部分31a和垂直地定位在所述中心部分31a两侧的两个支撑部分31b。中心部分31a垂直于芯体3的两个表面3a和3b定位，这两个表面旨在与叶片组件的蒙皮接触，其将对应于叶片的内弧面和外弧面。中心部分31a和两个支撑部分31b的尺寸可能与图5和图6所示的不同。优选地，为了减小质量，甚至会选择较薄厚度的中心部分31a和支撑部分31b。
增强结构的实心体可以被明智地放置以便支撑或增强叶片的特定区域。然而，如果增强结构由金属制成，则将限制金属增强结构中实心体的存在和尺寸，以限制其质量。
增强结构可以包括并组合不同类型的增强件。因此，如图7和图8所示，增强结构可以包括网格部分43、壳形部分41和实心体42。图7和图8分别示出了增强结构40和包括增强结构40的芯体4。网格部分可以以优选的方式用于具有大体积的芯体的部分。实心体可以以优选的方式用于具有受限体积的芯体的部分。
如图1和图2所示，增强结构可以包括从芯体的外表面突出并指向外部的突起11。这些突出的突起11旨在确保叶片的复合材料蒙皮和增强结构之间的机械夹持(grip)。这些突出的突起11可以以特别令人感兴趣的方式设置，以确保在具有空腔的复合材料叶片的蒙皮的水平处的机械夹持。例如，在叶片组件的情况下，突出的突起11将主要定位成确保增强结构与叶片组件的内弧面和外弧面之间的机械连接。
在图1和图2所示的实施例中，所述突出的突起的方向垂直于芯体的表面。如果芯体打算插入纤维预成型件中，例如通过这种突出的突起的非互连，可以通过在最终放置芯体之前夹持到预成型件的纤维中来阻碍芯体的插入。因此，根据本发明的一个特定实施方案，如果芯体首先通过第一表面插入，则所述突出的突起将指向与所述表面相反的方向。因此，芯体可以通过所述表面插入，而不会被突起“抓住”纤维。当芯体正确地定位在纤维预成型件中时，所述突出的突起允许机械夹持，特别是在与芯体插入方向相反的方向上。
网格结构容易地允许功能元件如牵引绳、管道、导管或纱线的在叶片的内部增强结构的内部通过并穿过叶片的内部增强结构。另一方面，可能需要在壳形结构或实心体内部钻孔，以允许叶片的这些功能元件穿过。
根据本发明芯体的第一实施方案，增强结构由金属制成。
为了限制复合材料叶片内部的应力，具有低热膨胀系数的金属将有利于制造增强结构。增强结构的金属例如可以是钛、铬镍铁合金或不锈钢。
金属增强结构可以通过金属增材制造来制造。金属增强结构也可以通过根据传统方法组装多个金属部分来制造。不同部分的组装可以例如通过焊接或粘合来进行。
然后将如此制造的金属增强结构引入具有待制造叶片的内部空腔的形状的工具中。将易消材料6注入或浇铸到工具中，以便形成具有待制造叶片的空腔的形状并包括金属增强结构的芯体。易消材料可以在高温下浇铸或注入，例如在400℃以上的温度下。事实上，由于增强结构是金属的，因此可以在相对高的温度下处理易消材料而不会损坏增强结构。如果金属增强结构具有突出的突起，则浇铸或注入工具允许容纳这些突出的突起。
易消材料可以是盐或盐的混合物，例如氯化钾和碳酸钾的混合物。易消材料可以是沙子或沙子的混合物。例如在文献EP0192507B1中描述了使用这种易消材料来产生芯体。
根据一个变型，完整的芯体可以在单个步骤中制造，即，金属增强结构与芯体的其余部分同时制造。芯体通过至少两种材料的增材制造而制成，第一材料是旨在制成增强结构的金属，第二材料旨在制成芯体的易消部分6。第二材料可以是例如Stratasys公司销售的ST-130TM FDM类型的材料，其溶解在碱性溶液中而不会损坏待制造叶片的复合材料。在该变型中，旨在制成芯体的易消部分6的第二材料可以仅设置在空腔的表面上，围绕金属增强结构。因此，芯体不一定是实心芯体。部分空心的芯体的使用使得可以在其移除阶段更快地移除易消部分6，这将在后面的描述中描述。
根据本发明芯体的第二实施方案，增强结构由聚合物或复合物制成。用于制成该结构的聚合物可以包含不连续或连续的纤维。纤维可以由玻璃、碳或芳族聚酰胺制成。树脂可以是热固性的或热塑性的。优选地，聚合物或复合增强结构必须能够承受复合材料蒙皮的处理温度而不会发生变化。因此，增强结构可优选能承受高达180℃的温度而不会发生变化。
复合增强结构可以通过复合增材制造来制造。复合材料增强结构也可以通过组装多个复合材料部分来制造，例如通过粘合。
然后将如此制成的复合增强结构引入具有待制造叶片的内部空腔的形状的工具中。将易消材料6注入、浇铸或压缩到工具中，以形成具有待制造叶片的空腔的形状并包括复合增强结构的芯体。优选地，易消材料必须在不损坏复合材料增强结构的温度下浇铸、注入或压缩。例如，材料是一种陶瓷材料，可以用作形成芯体的易消材料，因为它在高压下聚集，且只需要在100℃以下的温度下进行后固化。易消材料可以是基于盐或沙子的材料，或者混合物。如果复合增强结构具有突出的突起，则浇铸或注入工具允许容纳这些突出的突起。
根据一个变型，完整的芯体可以在单个步骤中制造，即，制造复合增强结构的同时制造芯体的其余部分。
根据该变型的第一实施例，芯体通过至少两种材料的增材制造制成，第一材料旨在制成增强结构的复合材料，第二材料旨在制成芯体的易消部分6。第二材料可以是例如Stratasys公司销售的ST-130TM FDM类型的材料，其溶解在碱性溶液中而不会损坏待制造叶片的复合材料。在该变型中，旨在制成芯体的易消部分6的第二材料可以仅设置在空腔的表面上，围绕复合增强结构。因此，芯体不一定是实心芯体。部分空心的芯体的使用使得可以在其移除步骤期间更快地移除易消部分6，这将在后面的描述中描述。
根据该变型的第二实施例，芯体可以通过烧结至少两种粉末来制造，第一粉末旨在形成增强结构的复合材料，第二粉末旨在形成芯体的易消部分6。
当制造了具有复合材料叶片的内部空腔形状的芯体时，它用于制造所述复合材料叶片。
在上述本发明芯体的实施方案中，重要的是将芯体的表面密封。事实上，在制造具有内部空腔的复合材料叶片的方法期间，树脂向芯体内部的蔓延(creep)将通过内部空腔被不需要的材料填充而增加叶片的质量。此外，树脂向芯体内部的蔓延可能导致在外部复合材料中形成孔隙或干燥区域。
可以对如上所述制造的芯体进行精加工操作，以改善芯体的表面状况或密封性。这种精加工操作对于通过3D打印制成的芯体来说尤其感兴趣。
现在将描述根据本发明方法的包括增强型空腔的叶片的不同实施方案。
根据图9至图12所示的本发明方法的第一实施方案，制造用于包裹芯体的纤维坯件100。
坯件100由通过三维(3D)或多层编织而编织的带101获得，带101通常在与待制造叶片的纵向相对应的方向L上延伸。编织是例如用在L方向上延伸的经纱进行的。
非互连102基本上形成在带101的中间，在纤维坯件100的在纵向边缘101c和101d之间的长度的至少一部分上，在极限102c和102d之间。优选地，非互连102必须至少延伸到横向边缘101a和101b中的一个。在图9和图10所示的实施例中，非互连在纤维坯件100的整个长度上，在横向边缘101a和101b之间延伸。这种非互连102使得可以在纤维坯件100中形成内部空腔，旨在允许先前制造的芯体通过。
纤维坯件可以通过使用互锁编织的包括非互连的3D编织来制造。所谓“互锁”编织，在这里是指每层纬纱与多层经纱互连的编织，同一纬纱列中的所有纱线在编织平面中具有相同的运动。以公知的方式，通过省略使纬纱穿过非互连区域以互连位于非互连两侧的经纱层，而在两层经纱之间提供非互连。
纤维坯件100包括多个经纱层，这些经纱层通过3D编织互连，除了在非互连102的水平处。除了非互连102之外，坯件100的经纱层全部互连在一起。
陶瓷纱线可用于编织，特别是基于碳化硅(SiC)的纱线，例如由日本NipponCarbon公司以名称“Nicalon”提供的那些。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，特别用于氧化物/氧化物型CMC材料(耐火氧化物基体和纤维增强件的纤维)。优选地，碳纱线将用于编织，例如用于具有由碳制成的纤维增强件的CMC材料。
可以对纤维带进行处理以消除纤维上存在的上浆和纤维表面上存在的氧化物，这是本身已知的。
同样本身已知的是，然后可以通过化学气相渗透(Chemical VaporInflitration)或CVI在纤维带的纤维上形成脆化释放界面涂层的薄层。界面材料例如是热解碳PyC、氮化硼BN或掺硼碳BC。所形成的层的厚度例如为10纳米至100纳米，以保持纤维坯件的变形能力。
然后用固结组合物浸渍纤维带，固结组合物通常是任选在溶剂中稀释的碳前体树脂或陶瓷前体树脂。固结可以在烘箱中进行。
根据本发明的第一实施方案，通过非互连102将芯体引入纤维坯件100中，以形成如图11所示的纤维预成型件200。如果芯体的外表面上有突出的突起，则这些突出的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成型件的体积的全部或部分中的孔隙，使纤维预成型件200致密化。可以根据液体工艺以本身已知的方式获得待制造部件的复合材料基体。
成形步骤可以优选地在将芯体插入纤维预成型件中之后进行。该成形步骤使得可以减少预成型件的膨胀。该成形步骤优选在加热下进行，纤维预成型件是湿的或干的。
液体工艺包括用含有基体材料的有机前体的液体组合物浸渍预成型件。有机前体通常是聚合物的形式，如树脂，任选在溶剂中稀释。围绕芯体设置的预成型件被放置在具有最终模制部件的形状的壳体的模具中，该模具能够以密封的方式闭合，该壳体尤其能够具有与待制造部件的最终形状相对应的扭曲形状。然后，关闭模具，将液体基体前体(例如树脂)注入整个壳体，以浸渍预成型件的整个纤维部分。
有机基体前体的转化，即其聚合，通过热处理进行，通常通过加热模具，在消除可能的溶剂且聚合物交联之后进行，预成型件总是保持在模具中，模具的形状对应于空气动力学轮廓结构的形状。有机基体尤其可以由环氧树脂获得，如由CYTEC公司以参考号PR 520出售的高性能环氧树脂，或者由碳或陶瓷基体的液体前体获得。
在形成碳或陶瓷基体的情况下，热处理包括热解有机前体以将有机基体转化为碳或陶瓷基体，这取决于所使用的前体和热解条件。例如，液体碳前体可以是具有相对高的焦炭率(coke rate)的树脂，如酚醛树脂，而液体陶瓷前体，特别是SiC，可以是聚碳硅烷(PCS)或聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)类型的树脂。可以进行从浸渍到热处理的几个连续循环，以实现所需的致密化度。
纤维预成型件的致密化优选通过公知的树脂传递模成形(RTM)工艺进行。根据RTM工艺，将围绕芯体设置的纤维预成型件放置在具有所需部件的外部形状的模具中。芯体可以起到反模的作用。将热固性树脂注入刚性材料部件和模具之间限定的内部空间中，该内部空间包括纤维预成型件。在注入树脂的位置和树脂的排放口之间的内部空间中通常建立压力梯度，以便监测和优化树脂对预成型件的浸渍。
所使用的树脂可以是例如环氧树脂。适用于RTM工艺的树脂是公知的。它们优选具有低粘度，以便于它们注入纤维中。温度等级和/或树脂的化学性质的选择是根据叶片所承受的热机械载荷来确定的。一旦树脂被注入到整个增强件，就根据RTM工艺通过热处理进行聚合。
然后，芯体的易消部分6被移除。如果不能直接接近芯体的所有易消部分，则可以在复合材料叶片的非功能部分中钻孔。例如，在防涡流挡板(flow straightener)的情况下，将选择在平台上钻孔。
使合适的溶液与芯体的易消部分6接触，以便能够移除它们。例如，为了移除基于沙子的易消部分，溶液可以含有至少一种有机溶剂，如二甲基甲酰胺、哌啶、四氢呋喃或丁酮。也可以使用碱性溶液，例如移除由Stratasys公司销售的ST-130TM FDM类型的材料制成的易消部分。在水溶性易消部分的情况下，使用加压水足以移除易消部分。
由此获得了一种具有由增强结构10增强的内部空腔的复合材料叶片300，如图12所示。如果增强结构包括突出的突起，则这些突出的突起插入复合材料的纱线之间，以在增强结构和复合材料叶片的通过RTM工艺制造的部分之间产生机械夹持。
根据本发明方法的第二实施方案(未示出的变型)，具有内部空腔的复合材料叶片以公知的方式通过包覆(draping)制成。由此，纤维层被施加到预先制造的芯体上。纤维层可以用基体前体树脂预先浸渍，或者可以是干燥的层，其在包覆后将被树脂致密化。纤维层可以是一维、二维或三维织物，只要它们具有允许包覆的厚度。纤维层也可以具有受控或随机分布的不连续长纤维网。
浸渍所述层的树脂通过对所有纤维层进行相同的热处理而交联。由此可以获得围绕芯体的复合材料包层。
复合材料叶片也可以通过层压热压以公知的方式获得。
然后，芯体的易消部分6被移除。如果不能直接接近芯体的所有易消部分，则可以在复合材料叶片的非功能部分中钻孔。例如，在防涡流挡板的情况下，将选择在平台上钻孔。
使合适的溶液与芯体的易消部分接触，从而可以移除易消部分。例如，为了移除基于沙子的易消部分，溶液可以含有至少一种有机溶剂，如二甲基甲酰胺、哌啶、四氢呋喃或丁酮。也可以使用碱性溶液，例如移除由Stratasys公司销售的ST-130TM FDM类型的材料制成的易消部分。在水溶性易消部分的情况下，使用水足以移除易消部分。
由此获得了一种具有由增强结构增强的内部空腔的复合材料叶片。如果增强结构包括突出的突起，则这些突出的突起插入复合材料的纱线之间，以在增强结构和叶片的复合材料蒙皮之间产生机械夹持。
Claims (9)
1.一种制造涡轮机叶片(300)的方法，所述涡轮机叶片由复合材料制成并具有空腔，所述方法至少包括：
-制造具有待制造叶片(300)的空腔的形状的芯体(1；2；3；4)，所述芯体包括仅占据所述芯体的体积的一部分的增强结构(10；20；30；40)，芯体的其余体积由易消材料(6)占据，所述增强结构(10；40)至少部分具有网格结构，
-围绕所述芯体(1；2；3；4)形成复合材料蒙皮，以及
-移除所述易消材料(6)以获得具有由所述增强结构(10；20；30；40)增强的空腔的复合材料叶片(300)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述增强结构(20；30；40)包括至少一个支撑元件(20；31；32；41；42)，所述支撑元件连接所述空腔的彼此面对的两个壁。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中，所述支撑元件(20；31；41)定位在所述空腔的壁的固有振动模式的一个或多个波腹上。
4.根据权利要求2或3所述的制造方法，其中，所述支撑元件(32；42)是与所述空腔的一部分的形状相匹配的实心体。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的制造方法，其中，所述增强结构(10)包括朝向所述芯体(1)的外部突出的突起(11)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其中，所述复合材料蒙皮通过将基体前体树脂注入覆盖所述芯体(1)的纤维预成型件(200)中而制成，所述方法还包括处理所述树脂以获得包括由所述基体致密化的纤维增强件的蒙皮。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述纤维预成型件(200)通过将所述芯体(1)插入经由纱线的三维编织制成一体的纤维坯件(100)的非互连(102)中而制成。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其中，所述纤维预成型件通过将纤维层包覆在所述芯体周围而获得。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的制造方法，其中，所述复合材料蒙皮通过将预先浸渍有基体前体树脂的纤维层包覆在芯体周围而制成，所述方法还包括处理所述树脂以获得包括由所述基体致密化的纤维增强件的蒙皮。
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