CN1951664A - 一种复合涡轮叶片的制造方法和由该方法制造的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明说明了一种复合涡轮发动机叶片的制造方法，包括以下几步：运用三维编制制造一个粗加工成品，标志纱要在粗加工成品的表面；切割上述粗加工成品让一系列完整无缺的标志纱位于粗加工成品的参考表面；对已切割的粗加工成品进行预变形处理；对上述预变形处理的粗加工成品进行压缩和硬化处理；为对硬化后的粗加工成品准备一个注塑模；加热注塑模；在注塑模中注入包括热硬化树脂的粘合剂；从模型中提取一个能充分体现叶片形状和尺寸的合成模型。这项发明可用于制造风扇叶片。

Description

一种复合涡轮叶片的制造方法和由该方法制造的叶片
技术领域
本发明涉及一种复合涡轮叶片的制造方法，以及由该方法制造得到的叶片。
背景技术
叶片叶片
通常情况下，复合材料叶片、尤其是碳素纤维制成的叶片，都是由一堆预先浸渍过的单方向的纤维层构成的；而通过将连续的方向各异的纤维层放进一个模型中，并且在堆积的同时在高压锅内被压紧、聚合就形成了单方向的纤维层。这种技术难度非常高并且需要人工来完成纤维层的堆积操作，因而很耗时并且成本昂贵。
有人提议使用干纤维来作为粗加工成品所需的纺织材料，在将树脂注入一个封闭的模型之前，这些干纤维都预先被缝在了一起。一种可供选择的方法可用来制作单个的纺织材料粗加工成品，它在注入树脂之前镶嵌了一个或更多个固体插入物。然而，这类解决方法(美国专利号5672417和5013216)也表现出了缺点：需要将很多个部分聚集在一起；同时会产生聚集区，而这往往是比较脆弱的区域。例如，由于分层会在材料的机械力学性能方面造成很大伤害，尤其会对材料的承载冲击能力造成伤害。
为了克服上述缺点，法国专利文献FR2861143中讲到用三维的纺织纤维或纱线来制造这种粗加工成品，在注塑(切割之后随意的浇铸)之后它能克服自己本身的缺点。这种方法制造出的粗加工成品最后成为了组成涡轮叶片的所有部分，它没有依赖于使用固体插入物或者其他的成份。
然而，在这样的情况下，若不考虑聚合粗加工成品(一种预先浸渍过的碾压制品或者三维的纺织材料粗加工成品)的来源，在注塑之后得到的中间产物未造型之后，仍然有好多步操作需要去完成从而得到最终的产品。
这些操作包括精确的加工，尤其是主要边缘的轮廓，蔓伸边缘的轮廓以及底部的轮廓。这些区域需要满足非常精确的结构尺寸，因此在加工叶片底部的关联表面(也就是在旋转的过程中承受高压力的表面，因为他们要接触到腔体的侧面)的时候需要特别的注意。尤其的，接触磨损或者称为接触腐蚀会在那些相互接触的表面之间发生，这也就是机器的一个部分和另一个部分之间反复摩擦的结果。
由此产生的摩擦力因生热而加强了材料的损坏并且导致了材料各种疲劳的产生。
同样，在后续的操作中，采用了各种保护要素来加强复合叶片的热机械强度。因此，主要边缘得到了金属保护物的保护，例如以一种钛的形式和主要边缘的整个表面粘合以及和压力壁、吸气壁的外表面的前面部分粘合。压力壁的外表面也通过保护膜来加强，这种保护膜能够用合成材料(例如聚亚安酯)做成，然后直接用粘合剂粘结在中间媒介物之上。
当需要在每一个叶片上完成这些操作，也可能需要在大多数的低压压缩机的全部叶片上完成这些操作的时候，从经济学角度讲，这就导致了制造周期的冗长以及制造过程的复杂。
再者，当加工聚合粗加工成品的时候，那些不太确定的区域会被削弱，因为加工过程会切过部分组成粗加工成品的最初的纺织材料纤维。
发明专利内容
本发明的一个目的就是提供一种方法使得上面的各种缺点得到克服，尤其是使得纤维的完整性在注塑之后、特别是在后续加工之后能够得到更好的保存。通过在粗加工成品注塑成型的过程中加入一些保护成分，这是完全可能做到的。
这种叶片是一种包含粗加工成品的复合叶片。而此处的粗加工成品是由三维的纺织纤维或纱线以及用来维持纺织纤维和粗加工成品之间的排列关系的粘合剂构成的，它由经纱和纬纱编织而成，经纱的方向形成了最后粗加工成品的纵向方向。
特别地，本发明涉及到一种涡轮机组的叶片，尤其是涡轮喷气式飞机的叶片。然而，在当前发明的背景之下，我们仍然可以想象制造一种用于低压压缩机的叶片是可能的；并且在这种类型的叶片的热机械强度下，处于运转中的压缩机内的温度仍然是稳定的。
在注塑成型步骤以后，本发明试图寻找得到一个和最终成品更加接近的塑造实物。
最后，依照本发明，这种方法的特点可以描述为包含以下几个步骤：
a)用纱线通过三维纺织做成一个粗加工成品。上述粗加工成品既包含螺旋桨又包含叶片根部；而纱线包含有一种在视觉上可见的、并且至少被布置在粗加工成品表面的标志纱。
b)当在粗加工成品的相关表面留下一系列完整的标志纱后，将上述粗加工成品裁剪，从而提供一个裁剪过的适合最后成型以及尺寸的叶片组成粗加工成品。
c)对上述裁剪过的粗加工成品预变形以提供一个经过预变形处理的粗加工成品。
d)加压、硬化上述经过预变形处理的粗加工成品。
e)提供一个注塑模型，并将经过硬化处理的粗加工成品放入该模型中。
f)将包含一种热硬化树脂粘合剂注入上述模型中，以便注入整个经过硬化和预变形处理的粗加工成品，从而来维持上述纱线和粗加工成品之间的相关位置关系。
g)加热上述注塑模型。
h)从模型中提取一个能充分体现叶片形状和尺寸的合成模型。
通过这种方法，将不会沿着相关表面切断标志纱的连续性，也就是不会切断沿粗加工成品纵向方向扩展的经纱的连续性，因此最终成品的上述相关表面的机械聚合特性得到了改善。
另外，通过将裁减过的粗加工成品进行预变形，就可以确保粗加工成品的一个区域和另一个相关区域完全地被布置和导向；这使得完成整个制作变的更加容易，同时由纺织和裁剪步骤得到的粗加工成品变得相对灵活。考虑到叶片的不同部分以及他们特定的位置和方向，变形能够通过很多步骤来完成。其后，预变形的位置在步骤d中确定，依靠一个加压步骤使得相关的硬化过程成为可能，因为有覆盖纱线以促进纺织的润滑油制剂的存在。这些润滑油制剂可能是用来增加黏合性的，例如稀浓度的环氧粘合剂。
这保证了最大数量的标志纱在采用树脂转移成型技术(RTM)注塑的时候，被妥善安置。结果是，最大数量的纱线在接下来被平安保存下来。既是因为这一部分没有加工工序，也是因为加工残余量严格平行标志纱线。因而，可以保证平行于标志纱的纱线不会被裁短长度。
总的来说，依靠现在发明的方法，可以制造叶片，特别是风扇叶片。在注塑步骤之后，各部分的形状和尺寸就非常接近于最终的了。
本项发明的其他优点和特征可以通过阅读以下的内容来了解，下面会通过举例的方法并伴以图示来描述。
附图说明
图1是切割之前的粗加工成品的概括性的透视图；
图2至图6是展示本次发明的方法的各个步骤。
具体实施方式
本次发明的实现起始于一种三维编制方法得到的粗加工成品，它符合法国专利文献FR2861143。第一个步骤a)的方法是制造一个三维编制的粗加工成品，粗加工成品由经纱和纬纱构成。在这两种纱线中，在粗加工成品表面规则排列的标志纱可以用肉眼区分开来。
粗加工的成品可方便的由经纱和纬纱构成，经纱的方向构成粗加工成品的纵向方向，粗加工成品的第一部分用第一种编织方法构成了螺旋桨的叶片，第二部分则用第二种编织方法构成叶片的底部，第一部分和第二部分通过过渡区域结合起来，即第一部分逐步的加工到第二部分，由此使得叶片第一和第二部分的厚度的变化量最小。
编织用的纱是由以下一组物质构成的：碳纤维，玻璃纤维，硅纤维，碳化硅纤维，铝纤维，人造纤维和芬芳聚酰胺纤维。
作为一个个体，粗加工成品的编织就是切割，与制作方法中的b步骤一致；更准确地说，编织粗加工成品是将它放在一个预先设计好的三维夹具上沿着它轮廓的进行切割，而得到变形物体。粗加工成品与最终成型的轮廓一致。切割可以由水割，或者机械方法(弯曲，切割，锯)，或激光切割来实现。
产生的切割粗加工成品10a如图1所示。由图可以看到构成螺旋桨12和叶片底部14的部分。特别的，用作三维编织的经纱和纬纱20成份为碳纤维，在粗加工成品表面的标志纱22成份为玻璃或克伦沃(Kelvar)纤维，它们沿着平行于经纱的主方向和垂直于纬纱的方向扩散。在这种方式下，标志纱22在粗加工黑色部分中呈现出白色，所以标志纱22的可见度很高。另外，这些标志纱可以由传统的检测技术(X射线探测或超声层析成象法)探测到，以便检查最终成品是否符合要求。
特别的，这些标志纱22可以在叶片叶面的表面(压力侧墙17和吸力侧墙18)所见，它处于预计的位置当作参考点为切割和下文所提到的后续加工起到定位的作用。
与现存的制作方法相同，在切割这一步骤中，要使标志纱处于沿着参考面16的粗加工成品的表面，在例子中可见此表面，它构成了主边缘。
此后，与现有的制作方法相同，c步骤就是将切割的的粗加工成品10a进行预变形。
更详细的说，在c步骤，预变形就是将切割的粗加工成品10a放入一个成形模24中，成形模24显示了各种不同的部分，在它们中间制作了一个腔，使其容纳切割的粗加工成品10a，并且显示了作为定位用的标记，以标志纱的形式出现。
不同的标示定位系统都可以用于切割的粗加工成品10a，特别是一个激光发射机26，它能够产生激光射线到一个精确的位置，与标志纱22相互配合，给出预计定位。或者说，标志复制了所有的或一些被布置在粗加工成品上的标志纱22的轮廓或位置，来确定它们处于正确位置。
我们就很好理解了，将粗加工成品10a放置在成形模中的做法是要获得足够精确的变形，使叶片达到我们所需要的最终形状。这也是可行的。方便的，可将c步骤作为几个分步骤的集合。
特别的，在c步骤中，进行预变形首先要清楚它的各种因素，这是将粗加工成品放在成形模24中加工的重点。比如说，安装在飞机上的叶片，它平行于主纵向方向的弯曲变形方向，就是要考虑的因素。
然后，经过弯曲变形的粗加工成品10b就被放置在变形模中了，粗加工成品就被加工成为了一个新的形式。同时在与主方向平行的XX’坐标上旋转(沿箭头25a)，进一步进行变形。
成形模24提供了一个活动部件24a，它能够滑动，是为了使活动的粗加工成品的底部14处于它的位置而设计的，它产生了一个力来完成部件14预期的变形，或是避免粗加工成品10b在其它部分变形时，这个部分特定形式的变形。
我们就容易理解，在将粗加工成品10a放入成形模24并以标志纱辅助定位进行变形的过程中，将会有各种各样的可能性出现。
将粗加工成品10a放入成形模24变形的策略也考虑到了侧面的轮廓，正如前面切割的步骤依赖于参考面的选择，特别是底部，尖端，主边缘16，蔓生边缘或是其他任何预先决定的区域的选择。
在这种环境下，进一步划分变形步骤，使其成为几个分步骤的集合，就像前文描述的一样，将弯曲和旋转分开，这样更有利于粗加工成品的各个部分处于精确的位置，特别是粗加工成品尺寸更大的时候。
因此，如图3所示，变形后的粗加工成品10b的底部14的底面14a并不规则，由于沿着14b两边的面必然产生的弯曲和旋转，它不能够被刨平，14b两边产生的弯曲和旋转可由标志纱22表示出来，标志纱不呈直线(连锁虚线)围绕的方向，而是呈现出曲线的轮廓，这是在c步骤中预变形时的弯曲(沿箭头25c)和旋转(沿箭头25a)导致的。
接下来进行步骤d挤压可以使粗加工成品10b变硬。挤压模28就是为了实现了这个目的，如图4所示，用适合的设备并联系成型模24可以方便的制作出来。当挤压模进行排空来吸收蒸发的溶剂时，挤压模要能够承受100℃的高温。
在这个步骤中，硬化是将油剂将覆盖在纱的表面以便于编织。硬化固定了切割的粗加工成品10a的形状，使得它能够容易的被放入注入模中，而不产生大的形状变化。
需要在粗加工成品内添加粘合剂，比如说稀释的树脂，特别是环氧型的，加入粘合剂是为了在步骤d产生的热和压力的作用下将编织好的碳纤维粘合起来，这就确保了预变形的粗加工成品10b没有遭受后续的变形，特别是在注入这一步骤。
挤压模28具有能够容纳编制好的粗加工成品的大小和体积，使占其体积55％到58％的纤维被压缩，使其达到与最终产品相一致的高密度。在所描述的步骤中，传统的挤压模28在某位置进行修改，使其能够配合参考面16构成主边缘。
在这个位置，挤压模的大小将被调整使得可以进行另一个将纤维密度变为65％的挤压。或者，这个进一步的挤压可以在挤压和硬化后，在不调整的压缩模中实现，借助于一个特别的工具，单独的进行这个附加的压缩使粗加工成品10b的这个区域形成主边缘。
在图5所示的步骤中，要把重点放在注入这个步骤中，在前面所描述的再挤压步骤后，要为挤压好的粗加工成品10c设置一些保护措施。
为了这个目的，首先使用一些胶粘剂确保在主边缘上安全装置30的安全性，比如说钛制作的安全装置可以确保在再压缩的参考面16的可靠性。
安全装置30构成了一个纵向扩展的半套筒，它固定了粗加工成品10c的再挤压区域，并且在主边缘16的尖端处有一个很大的厚度，它的两边分别还有附加的凸缘30a和30b。
从以上的解释，可见步骤d)的下列子步骤在硬化之前，期间或之后履行：
d1)在预变形的粗加工成品10c边缘位置进行再压缩；
d2)保护边缘的金属元件30安装在预变形的粗加工成品10c边缘位置，这种元件在压力侧和吸入侧壁的上面部分形成两个突缘。
更确切地说，在步骤d2)中为了让保护元件30更容易到位，上述的保护元件30放置在装置40位置，此设备适合张开突缘30a，30b(箭头31)。然后上述的装置40放在预变形的粗加工成品10c上，上述30号保护元件的30a，30b两突缘依赖预变形的粗加工成品10c的再压缩边缘的两侧，然后上述突缘30a，30b就被释放掉。
应当观测先前所在相应预变形的粗加工成品10c的再压缩边缘16的表面位置上的粘合剂。
装置40是以模子的形式，包括一个张开保护元件的突缘的吊具，为了让粗加工成品10c更容易插进去，在机架内部由保护元件30来界定。
为了这个目的，装置40要适合由部分撤出体系33来撤出，所以金属保护元件30在装置40的内部机架用减小压力以适合张开保护元件(见箭头31)的突缘30a，30b来布置，因而可以更容易的把粗加工成品10c或更准确的说是此粗加工成品的边缘组成部分16插入到位于突缘30a，30b之间的保护元件30中去。
此外，在图中显示中，在步骤d2)之前，包括边缘的压力侧壁有一层覆盖粗加工成品表面的保护薄膜32保护。这种保护薄膜32，由聚亚胺脂制成，更适宜保护粘合剂，更适合保护压力侧墙不受侵蚀，不受进入叶片内部的气流影响。
这种保护薄膜32也有利于加强压力侧墙17表面的机械性能。它是叶片的组成部分，且第一个受到进入气流的影响。
接下来有必要在保护薄膜32下使用一种粘合剂，举个例子说，聚亚胺脂粘合剂，它呈现出低粘性而且能抵挡住注塑和固化温度(分别是160度和18度)。
在图5的描述中可见，分界面元件34是在保护薄膜32和粗加工成品10c之间。分界面形成额外的厚度在保护薄膜32之下、位于粗加工成品表面上的纱线20之上。分界面元件34力求将保护薄膜32由于粗加工成品的表面的编织纱线的位置和直径形成的表面状态引起的变形避免或至少将变形降低到最小。
为达到上述目的，分界面元件34要用一种柔韧的材料以适合在编织纱线20和保护薄膜32之间。例如一种预浸渍的干织物或一种非织造织物，用碳纤维更适合。还可以用一种树脂制成的更具有刚性的外壳，或者一种树脂和纤维的混合物。
在所有试验结束后，得到一个刚性的粗加工成品最终的样子(图中无表示)。适合多种保护元件，也就是边缘上的金属保护元件30和压力墙侧17上的保护薄膜32，还有在它们之间的分界面元件34。
在步骤e)中规定要为注塑模至少准备一个间隔装置(图中无表示)，变硬的粗加工成品的表面在注塑模中处理以形成叶片根部的基础。
在这种情况下，步骤f)，g)中注塑模成型时，上述间隔装置在变硬的粗加工成品的表面在注塑模中处理以形成叶片根部的基础保持一个不变的压力常量。特别的，表面14a形成一个活动支承表面的底部(见图3)。举个例子，在图2中可见，一个间隔装置由类似于型模24中滑块24a的部件组成，适合于在叶片的主要方向纵向平行滑动。
这使得可以在间隔装置上加以适当的压力以保证根部14的表面是合适的模型。我们了解到使用这样一个间隔装置来取代以前的技术，以前是在底部放置由八到十五个预浸渍的薄片以在底部基础成型的时候形成适当的厚度。但是还常常结合机械校正尺寸，首先组成额外的嵌入物例如纤维/纱线或至少不粘着粗加工成品的剩余物，因而这会导致冒分层的风险，这会形成脆弱区域。
最后一个步骤在注塑模树脂填充到注塑模这个常规步骤中，在这个特殊步骤中包括预变形的粗加工成品10c适合它的保护元件。
要了解到，在步骤f)期间，当模子热的时候，在步骤d)和d1)中硬化的再压缩区域16会软化，也就是说预变形的粗加工成品10c的再压缩边缘会软化。织物组织不是很严格，因而可以占据注塑模中另外可用的空间，从而保证边缘、粘合剂和保护元件之间的紧密接触，特别是边缘和保护元件30内部的机架之间的紧密接触。以防万一，注塑模还可以有其它的间隔装置，特别是位于机架连接粗加工成品的间隔装置，间隔装置在注塑后，加工期间最初是可移动的，以避免减少压力、弱化叶片。特别是在某些区域，因为组成模子的材料，特别是金属材料和注塑树脂的热膨胀系数不同。
这样，可以了解到这种方法与目前创造发明方法一致。所以可以移除注塑模获得叶片，完全适合已保护的边缘和压力侧壁，底部各表面都有他们各自的最终制造尺寸。

Claims (16)

1.一种制造复合涡轮叶片的方法，其特征在于：
a)粗加工半成品由纱线(20)三维编制而成，且该粗加工成品包括机翼(12)和叶片的根部(14)，纱线应该有置于半成品表面的可见标志纱(22)；
b)切割出粗加工半成品，但要使其参考表面(16)保留有完整的标志纱(22)，进行裁减从而提供一个适合叶片预制形状尺寸的切割粗加工成品(10a)；
c)预变形上述的切割粗加工成品(10a)来制造一个变形后的粗加工成品(10)；
d)加压，硬化上述的变形后的粗加工成品(10b)；
e)为上述的硬化粗加工成品(10c)提供注塑模型；
f)将可热硬化的树脂材料构成的粘合剂注入上述的注塑模型，以便于注入整个硬化半成品(10c)并维持其上纱线(20)的位置关系；
g)加热上述的注塑模型；
h)从模型中提取一个能充分体现叶片形状和尺寸的复合模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于标志纱(22)应与其他的纱线(20)有着不同的特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤c)中的预变形是指将切割半成品(10a)置于注塑模型(24)中进行加工。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于注塑模型(24)应保证将切割半成品(10a)放置于合适的位置从而使它能绕着与主方向平行的轴旋转。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在步骤c)中，在将切割半成品(10a)放置于注塑模型(24)中之前，应进行预备处理：沿平行于切割半成品(10a)的主方向剪切并使切割半成品(10a)在一个平面上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤d)中，在硬化前后要进行以下处理：
d1)将预变形后的粗加工成品(10b)的主边缘进行再压缩；
d2)在预变形后的粗加工成品上安装金属保护元件(30)，且该保护元件有两个凸缘(30a，30b)且它们可以接触压力侧和吸入侧。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于在步骤d2)中提到的保护元件(30)应先放置于能张开保护元件(30)两个凸缘(30a，30b)的装置(40)上，然后再将装置(40)放置于预变形过的粗加工成品(10b)上且保证两个凸缘(30a，30b)放到再压缩过的粗加工成品的主边缘，最后释放这两个凸缘。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在步骤d2)之前，在粗加工成品(10b)的压力侧包括边缘部分应涂上一层保护膜(32)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于保护膜(32)由聚亚安酯制成。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于在保护膜(32)和变形后的粗加工成品(10b)中间插入一层接触元件(34)，且该接触元件(34)在粗加工成品的纱线上形成额外的厚度。
11.根据前面的权利要求任意一项所述的方法，其特征在于在步骤e)中，要在注塑模型中至少放一个间隔装置(24a)并使其顶住硬化后的粗加工成品的一个表面，且这个表面将是叶片根部的底端。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于在步骤f)和步骤g)中，间隔装置(24a)顶住硬化后的粗加工成品的表面(14a)要保持恒定的压力。
13.叶片遵循前述的权利要求的方法制造的风叶片片。
14.根据权利要求13所述的叶片，其特征在于粗加工成品要由经纱和纬纱组成，沿粗加工成品的纵向为经纱的方向，粗加工成品至少有两部分构成，第一部分由一次编织形成叶片的机翼，第二部分由二次编织形成叶片的根部，第一部分和第二部分在过渡区域被连接起来，在该区域，一次编织被逐渐修改为二次编织，因此，该缩减区的厚度至少在第一部分和第二部分之间。
15.根据权利要求14所述的叶片，其特征在于纱线应由以下材料制成：碳化纤维；玻璃纤维；石英纤维；金刚砂纤维；氧化铝纤维；芳族聚酸胺纤维；芬芳聚酰胺。
16.根据权利要求15所述的叶片，其特征在于经纱和纬纱应采用碳化纤维，标志纱采用玻璃纤维。
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