RU2048254C1

RU2048254C1 - Method for manufacture of products from composite materials

Info

Publication number: RU2048254C1
Authority: RU
Inventors: Р.К. Валеев; И.Н. Кравцов
Original assignee: Валеев Рим Карамович
Priority date: 1991-11-14
Filing date: 1991-11-14
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: production of axial turbomachine blades from composite materials on metal matrix by liquid-phase method. SUBSTANCE: method involves effectuating preliminary reduction of a pack of cut reinforcing layers prior to placing into mold to sizes supposed by geometry of ready blade, with volume of reinforcing layers in fin profile being determined on the base of existing stresses in blade. Billet reduction process is carried out in enclosure, which will be later removed, and remaining volume is filled with matrix material in the process of liquid-phase molding of blade. EFFECT: increased efficiency and improved quality of blades. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области турбостроения и касается изготовления лопаток осевых турбомашин из композиционных материалов на металлической матрице жидкофазным способом. The invention relates to the field of turbine engineering and for the manufacture of axial turbomachine blades from composite materials on a metal matrix in a liquid-phase manner.

Известен способ изготовления изделий из волокнистых композиционных материалов жидкофазным методом [1] включающий укладку волокон в разъемную форму, погружение ее под зеркало расплава матрицы, вакуумирование формы, пропитку волокон расплавом и охлаждение формы в мелкодисперсном огнеупорном материале. A known method of manufacturing products from fibrous composite materials by the liquid-phase method [1] includes laying the fibers in a detachable form, immersing it under a mirror of a molten matrix, evacuating the mold, impregnating the fibers with a melt and cooling the mold in a finely divided refractory material.

Недостатком этого способа являются низкие физико-механические свойства изготовленной лопатки. The disadvantage of this method is the low physical and mechanical properties of the manufactured blades.

Известен способ изготовления лопатки турбомашины из композиционного материала, взятый за прототип [2] в котором связанные в слои армирующие волокна раскраивают, укладывают слоями в пакет, вводят в оболочку, после чего производят пропитку связующей матрицей. There is a method of manufacturing a turbomachine blade from a composite material, taken as a prototype [2] in which the reinforcing fibers bound into layers are cut, laid in layers in a bag, introduced into the shell, and then impregnated with a binder matrix.

Недостатком данного способа является неплотное наполнение пакета заготовки армирующими волокнами, что снижает предел прочности готовой лопатки. Это вызвано тем, что при использовании для сборки пакета лопатки, например, из плазменно-напыленного листа боралюминиевой композиции первоначальная его толщина (0,3-0,34 мм) почти в два раза больше теоретически расчетной (0,17 мм), определяемой из условия 50%-ного содержания волокон бора в материале. The disadvantage of this method is the loose filling of the billet package with reinforcing fibers, which reduces the tensile strength of the finished blade. This is because when using a blade for assembly of a package, for example, from a plasma-sprayed sheet of a boraluminium composition, its initial thickness (0.3-0.34 mm) is almost two times more than the theoretically calculated (0.17 mm) determined from conditions of a 50% content of boron fibers in the material.

Целью изобретения является повышение качества и надежности готовой лопатки. The aim of the invention is to improve the quality and reliability of the finished blades.

Указанная цель достигается тем, что заготовку в виде пакета раскроенных армирующих слоев перед укладкой в форму подвергают обжатию до размеров готовой лопатки, причем обжатие пакета производят в металлической оболочке, которую удаляют после обжатия, после чего заполняют матричным материалом в процессе жидкофазного формования лопатки. This goal is achieved by the fact that the preform in the form of a package of cut reinforcing layers is compressed to the dimensions of the finished blade before being placed into the mold, and the compression of the package is carried out in a metal shell, which is removed after compression, and then filled with matrix material in the process of liquid-phase molding of the blade.

Существенными признаками предложенного способа, отличительными от прототипа, являются механическое воздействие на пакет с армирующими слоями для формирования у заготовки необходимых размеров и геометрии готовой лопатки, а также устранение рыхлот и несплошностей в заготовке. При этом металлическая оболочка, в которую укладывается пакет со слоями, после обжатия удаляется, а занимаемый ею объем при пропитке заполняется матричным материалом, что обеспечивает качество внешней поверхности лопатки, равномерное распределение волокон, повышаются прочностные характеристики изделия, что в целом ведет к достижению поставленной цели. Significant features of the proposed method, distinguishing from the prototype, are the mechanical impact on the package with reinforcing layers to form the workpiece with the required dimensions and geometry of the finished blade, as well as the elimination of loosening and discontinuities in the workpiece. In this case, the metal shell into which the bag with layers is laid is removed after crimping, and the volume occupied by it is filled with matrix material during impregnation, which ensures the quality of the outer surface of the blade, uniform distribution of fibers, and the strength characteristics of the product increase, which generally leads to the achievement of the goal .

Совокупность существенных признаков авторами не обнаружена в доступных источниках, следовательно предложение соответствует критерию "существенные отличия". The authors did not find a set of essential features in available sources, therefore, the proposal meets the criterion of "significant differences".

На фиг.1 изображена заготовка лопатки перед обжатием; на фиг.2 поперечное сечение заготовки после обжатия на прессе; на фиг.3 поперечное сечение лопатки после пропитки слоев матричным материалом жидкофазным способом. Figure 1 shows the workpiece of the blade before compression; figure 2 is a cross section of the workpiece after crimping on the press; figure 3 is a cross section of the blade after impregnation of the layers of the matrix material with a liquid-phase method.

Улучшение физико-механических свойств изделия достигается за счет равномерного расположения волокон наполнители в композите и его расчетного объемного содержания, благодаря обжатию пакета заготовки лопатки перед пропиткой. Improvement of the physicomechanical properties of the product is achieved due to the uniform arrangement of filler fibers in the composite and its calculated volumetric content, due to compression of the blade blank package before impregnation.

Реализуется такая структура композита тем, что связанные плазменным напылением в слои 1 волокна 2 (фиг.1) удобно кроятся, укладываются в пакет и вводятся внутрь металлической оболочки 3. После введения в оболочку уложенных слоев производят обжатие пакета в среде повышенной температуры, давления в вакууме до расчетных размеров объемного наполнения лопатки волокнами (фиг. 2). После операции обжатия металлическую оболочку 3 (фиг.1, 2) удаляют, производят укладку в форму и производят пропитку заготовки металлической матрицей жидкофазным способом. При этом весь объем лопатки и удаленной металлической оболочки заполняется матрицей 4 (фиг.3). Прочность скрепления волокон 2 (фиг.3) в лопатке определяется режимом пропитки. Such a composite structure is realized in that the fibers 2 connected by plasma spraying into layers 1 (FIG. 1) are conveniently cut, laid in a bag and introduced into the metal shell 3. After the laid layers are introduced into the shell, the bag is compressed in an environment of elevated temperature, pressure in vacuum to the calculated dimensions of the volumetric filling of the blade with fibers (Fig. 2). After the crimping operation, the metal shell 3 (FIGS. 1, 2) is removed, laid in a mold, and the workpiece is impregnated with a metal matrix in a liquid-phase manner. In this case, the entire volume of the blade and the removed metal shell is filled with matrix 4 (Fig. 3). The strength of the fastening of the fibers 2 (figure 3) in the blade is determined by the mode of impregnation.

П р и м е р. Раскроенные армирующие слои собирали в пакет, вводили в металлическую оболочку. Затем производили обжатие при температуре 420±10^оС, удельном давлении 2-3 кгс/мм² в условиях вакуума в течение 10-15 мин до расчетных размеров объемного наполнения лопатки волокнами. После обжатия металлическую оболочку удаляли, заготовку помещали в форму и производили пропитку металлической матрицей.PRI me R. Cut reinforcing layers were collected in a package, introduced into a metal shell. Then, compression was performed at a temperature of 420 ± 10 ^о С, specific pressure of 2-3 kgf / mm ² under vacuum for 10-15 minutes to the calculated dimensions of the volumetric filling of the blade with fibers. After crimping, the metal shell was removed, the preform was placed in the mold, and the metal matrix was impregnated.

Сравнительные статические испытания образцов рабочих лопаток показали, что по сравнению с аналогичными лопатками, изготовленными без обжатия, обжатые лопатки имеют повышенные прочностные характеристики. Так, разрушающее усилие, действующее на необжатую лопатку, равнялось 25 кгс, а лопатки, изготовленные с дополнительным обжатием пакета, разрушались при усилии со средним значением 30 кгс. Comparative static tests of samples of working blades showed that, compared to similar blades made without crimping, crimped blades have increased strength characteristics. So, the destructive force acting on the uncompressed blade was 25 kgf, and the blades made with additional compression of the package were destroyed with a force of 30 kgf on average.

Результаты ультразвукового неразрушающего контроля также показали увеличение плотности и более равномерную структуpу лопаток, изготовленных с обжатием. The results of ultrasonic non-destructive testing also showed an increase in density and a more uniform structure of the blades made with compression.

Таким образом, использование предложенного способа по сравнению с известными позволит достигнуть повышенных физико-механических свойств изделия за счет равномерного и оптимального по объему наполнения композита волокнами, а также более качественную внешнюю поверхность лопатки. Thus, the use of the proposed method in comparison with the known will allow to achieve improved physical and mechanical properties of the product due to the uniform and optimal volume filling of the composite with fibers, as well as a better outer surface of the blade.

Claims

METHOD FOR PRODUCING PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS, for example, turbomachine blades, by the liquid-phase method, including the operations of cutting reinforcing layers of variable geometry, their assembly into a bag, insertion into a metal shell, laying in a detachable form and fixing, immersion of the mold under the mirror melt matrix, impregnation of the layers with melt, cooling the mold in a finely divided refractory material, and moving it to the cooling position is carried out in the same material reduced to the fluidized state, characterized in that the pack Before cutting, the reinforced layers in the shell are crimped to the dimensions of the finished blade, after which the shell is removed.