CN115379946A - 用于由复合材料制成的涡轮机部件的预制件的制造方法和相应部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及由复合材料制成的部件(12)的制造方法，该部件特别是涡轮机(1)的部件，该方法包括以下步骤：‑生产具有纤维增强体的预制件(20)，该预制件包括第一纤维部分(21)和第二纤维部分(22)，‑将受压的基体注射到注射模具(40)的注射腔室(41)中，预制件(20)布置在所述注射腔室中，以及‑聚合预制件(20)。根据本发明，所述方法在注射步骤之前包括定位柔性袋(30)的步骤，所述柔性袋装有流体并且布置在第一纤维部分(21)和第二纤维部分(22)之间，流体旨在在聚合步骤期间对流体的预制件(20)施加额外的压力。

Description

用于由复合材料制成的涡轮机部件的预制件的制造方法和相 应部件

技术领域

本发明涉及由复合材料制成的部件的领域，该复合材料来自由基体致密化的纤维增强体，该部件特别是涡轮机部件。

背景技术

现有技术包括文献EP-A1-0 465 169、US-A-4 720 244、US-A-4 169 749和FR-A1-2 940 173。

众所周知，各种涡轮机部件，特别是飞行器涡轮机部件，可以由复合材料制成，以提高它们的热机械阻力能力并减轻它们的重量。复合材料可由预制件或织物制成，该预制件或织物旨在形成纤维增强体并嵌入基体中。

复合材料可以是整体类型的或者它可以包括芯部以便形成复合夹层材料。复合夹层材料为最终部件提供了刚度和轻便性，并且长期以来一直是允许结合这两个特性的唯一方案。实际上，在两个整体纤维增强皮或层(由树脂致密化或未由树脂浸渍)之间***蜂窝状芯部，例如蜂窝状结构或泡沫，一方面可以显著增加最终部件的弯曲刚度，另一方面，通过在机械负荷较低的中心(用于芯部)引入低密度材料来同时控制质量。然而，由于制造问题、过度应力或对表面的冲击，夹层复合材料可能具有低抗分层性。

对于结构涡轮机部件，例如出口导向扇叶(Outlet Guide Vane，OGV)，其抗分层性必须很高，该出口导向叶片旨在在气体发生器和支撑气体发生器的机舱之间传递力，并对通过气体发生器的外壳和机舱界定的次级管道中的次级气流进行整流。使用通过三维编织物(三维编织物的线相互缠绕并在厚度上变化)生产并嵌入液体注射式基体(例如树脂传递模塑(Resin Transfer Moulding，RTM)方法)以及充当芯部的泡沫中的纤维增强材料的使用是一种令人关注的方案，以降低多层结构的分层的敏感性，同时提供所需的弯曲刚度。在将基体注射到包括预制件的注射壳体中期间，由基体注射装置施加以便输送基体的压力可能不足以使基体的浸渍均匀。这会导致多孔区域，从而弱化最终部件，甚至导致最终部件报废。另一方面，太大的压力会导致注射装置上的应力更高，这会导致基体泄漏或最终部件的几何形状错误。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够改进复合涡轮机部件的制造方法的方案，以在简单且经济的同时减少特别是由复合材料制成的部件中的孔隙率缺陷。

根据本发明，这通过用于制造由复合材料制成的特别是用于涡轮机的部件的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-生产具有纤维增强体的预制件，该预制件包括第一纤维部分和第二纤维部分，

-在压力下将基体注射到注射模具的注射壳体中，预制件布置在该注射壳体中，以及

-聚合预制件，

该方法在注射步骤之前包括定位容纳流体并且布置在第一纤维部分和第二纤维部分之间的柔性袋的步骤，该流体旨在在聚合步骤期间对预制件施加额外的压力。

因此，该解决方案使得能够实现上述目的。特别是，充满流体的这种柔性袋，例如囊，使得能够改进注射基体的过程，使基体有效地浸渍预制件的所有纤维，从而显著减少孔隙面积和孔隙率。用这种解决方案获得的孔隙率小于1％，而在现有技术中，传统的孔隙率在1％到3％之间。实际上，除了基体的注射压力之外，流体还直接从预制件内部提供额外的压力。此外，由于避免或甚至消除了在维持基体的注射压力时发生堵塞的风险，因此有利地改进了该方法。对注射***没有进行结构修改，这意味着该方案经济、适用于所有部件且简单。应该注意的是，这种方法可以获得中空部件，这也可以提高质量改进。质量减少到仅为部件的结构强度所需的纤维增强体的质量。

该方法还包括单独或组合采用的以下特征和/或步骤中的一种或多种：

-流体在压力下容纳在柔性袋中。

-额外的压力是通过袋中的流体的热膨胀获得的。

-聚合步骤之后是刺穿柔性袋以移出流体的步骤。

-刺穿在涡轮机部件的无负载区域进行。

-柔性袋中的额外的压力通过与柔性袋连接的加压装置进行监测和控制。

-导管旨在将袋连接到加压装置，并且导管布置在部件的无负载区域中。

-流体通过导管从柔性袋中排出。

-纤维增强体通过三维编织或二维编织获得。

-纤维增强体生产成一体件，并且预制件包括第一纤维部分和第二纤维部分，该第一纤维部分和第二纤维部分在第一区域和第二结合区域中编织在一起的，预制件包括由第一非结合线界定的非结合区域，在非结合区域中，第一部分和第二部分相互分开，非结合区域沿纵向方向L设置在第一非结合区域和第二非结合区域之间。

-袋是不可渗透的。

-柔性袋中的额外的压力由手动或电子控制***监测和控制。

-三维编织具有互锁结构。

-编织步骤以平纹编织的方式进行。

-编织步骤之后是成形预制件的步骤，以获得所需涡轮机部件的几何形状。

-流体是气体或液体。

本发明还涉及一种由复合材料制成的涡轮机部件，该复合材料包括由基体致密化的纤维增强体，该涡轮机部件通过上述方法生产并且包括第一壁和第二壁，封闭在第一壁与第二壁之间的柔性袋施加到第一壁的内表面和第二壁的内表面，柔性袋界定空的内部腔。

在进一步的特征中，涡轮机部件是涡轮机扇叶，涡轮机扇叶包括叶片，叶片具有内弧表面和外弧表面，内弧表面和外弧表面沿横向轴线彼此相对，内弧表面和外弧表面在上游通过前缘连接并且在下游通过后缘连接，扇叶包括延伸到叶片中的中空的内部腔。

本发明还涉及一种涡轮机，包括至少一个如上所述的由复合材料制成的部件。

附图说明

通过阅读以下作为纯说明性和非限制性示例给出的本发明的实施例的以下详细说明性描述并参考示意性附图，将更好的理解本发明，且本发明的其他目的、细节、特征和优点更加清楚，在附图中：

[图1]图1是应用本发明的涡轮机的示例的局部轴向截面图；

[图2]图2是根据本发明的涡轮机扇叶的横截面图；

[图3]图3是用于生产涡轮机扇叶叶片的预制件的示例性实施例的示意性剖视图，该预制件具有呈单个部件的编织的纤维增强体；

[图4]图4是涡轮机扇叶的预制件在成形之后该预制件的示例的轴向截面示意图；

[图5]图5是根据本发明在垂直于纵向方向的径向平面中的横截面示意图；和

[图6]图6是根据本发明的包括基体注塑模具和用于驱动模具压力和固化基体的装置的注射***的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有纵向轴线X的涡轮机1的轴向和局部横截面，该涡轮机1包括可以由复合材料制成的各种构件(诸如扇叶)。当然，本发明适用于可以由复合材料制成的所有类型的部件。

图1中的涡轮机1是用于安装在飞行器上的双流双体涡轮机。涡轮机1包括风扇2，风扇2沿着涡轮机中的气体流动并且在此沿着纵向轴线X(并且甚至在图1中从左到右)安装在气体发生器3或发动机的上游。气体发生器从上游到下游包括低压压缩机4a、高压压缩机4b、燃烧室5、高压涡轮6a和低压涡轮6b。风扇2包括沿径向轴线Z、围绕纵向轴线X延伸的多个风扇扇叶7，风扇扇叶的自由端部被风扇外壳8包围。风扇外壳8由机舱9承载，机舱9和风扇外壳8以纵向轴线X为中心。风扇2将进入涡轮机的空气分成主气流和次级气流，该主气流穿过气体发生器，特别是进入主管道10中，次级气流围绕气体发生器在次级管道11中流通。导向扇叶(OGV)12位于风扇扇叶7的下游，围绕纵向轴线X并穿过次级管道11延伸以整流次级气流。

在该示例性实施例中，涡轮机的某些部件或构件由复合材料制成，复合材料具有纤维增强体，该纤维增强体嵌入基体中。由复合材料制造复合材料部件(特别是涡轮机部件)的方法包括以下步骤：

-生产具有纤维增强体的预制件(或纤维质地或织物或层)，

-将基体注射到注射壳体中，预制件布置在该注射壳体中，

-聚合或固化基体以获得刚性的最终部件。

在生产预制件的第一步骤中，纤维增强体旨在为最终部件、特别是结构部件(例如OGV扇叶12)提供强度。

参考图2，每个OGV扇叶12包括气动叶片13，该气动叶片13沿着与此处的径向轴线Z平行的堆叠轴线延伸。叶片13包括内弧表面14和外弧表面15，内弧表面14和外弧表面15沿横向轴线Y(垂直于纵向轴线X)彼此相对，所述内弧表面和所述外弧表面在上游通过前缘16连接并且在下游通过后缘17连接。OGV扇叶12还包括连接到叶片的径向内端部的径向内部平台(未示出)和连接到叶片的径向外端部的径向外部平台(未示出)。径向内部平台固定到管道间外壳18(将主管道和次级管道分开)，而径向外部平台固定到机舱9的外壳。在该示例中，叶片是中空的。

通过线的三维编织(或3D编织)或二维编织(2D编织)获得预制件的纤维增强体。在本发明中，术语“三维编织”或“3D编织”被理解为是指一种编织方法，其中经线以多层连接到纬线。优选地，纤维增强体的编织是三维的，这提供了更好的抗分层性。优选但非限制性地，3D编织具有互锁结构(或框架)。特别是与2D编织相比，互锁编织具有改进的抗冲击性。类似地，预制件被编织成一体件。

预制件的编织是通过包括织机的编织设备(未示出)进行的，该织机被配置用于三维和/或二维编织。纤维增强体包括多条经线和多条纬线，这些经线和纬线在彼此垂直的方向上定向(在平面上或在3D编织的厚度上)。编织有利地沿大体纵向方向以平纹编织的方式进行。

用于进行编织的线或股线包括碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、凯夫拉纤维、聚酰胺纤维、氧化铝纤维或这些纤维的混合物。

预制件20包括多个纤维部分，这些纤维部分包括在编织过程中产生的结合区域和非结合区域。预制件的部分各自包编织在一起的多层线或纤维层。在本说明书中，术语“非结合部”用于表示有意由未局部连接或编织在一起的线层形成的区域。特别地，非结合部允许层或纤维部分在非结合部区域处展开或与其他相邻层或纤维部分分离。

在图3中，以用于获得作为最终部件的OGV扇叶的叶片的预制件20为例，一体式编织预制件的纤维增强体具有大体平行六面体形状(矩形平行六面体)。我们使用术语纵向方向L、径向方向R和横向方向T来定义其尺寸。这些方向相互垂直。预制件20至少包括旨在形成OGV扇叶的内弧壁(承载内弧表面14)的第一纤维部分21和旨在形成OGV扇叶的外弧壁(承载外弧表面15)的第二纤维部分22。这些第一部分21和第二部分22在纵向方向L上延伸并且在横向方向T上叠覆。第一部分21和第二部分22被编织以形成至少两个结合区域(称为第一结合区域23和第二结合区域24)和至少一个非结合区域25。第一纤维部分21和第二纤维部分2在旨在形成前缘16的第一区域23上和旨在形成后缘17的第二区域24上编织在一起或彼此连接。第一纤维部分21和第二纤维部分22在预制件的非结合区域25中非结合，该非结合区域25沿纵向方向L位于第一结合区域和第二结合区域之间。非结合部允许将第一纤维部分与第二部分分开。非结合区域由第一非结合线26和第二非结合线27轴向界定。非结合线在预制件的整个高度上沿径向延伸。线26、27被限定在同一平面中。还提供了如下所述的纤维部分以形成扇叶的径向内部平台和径向外部平台。这些纤维部分与第一部分21和第二部分22编织并通过非结合部形成。

编织步骤之后可以是切割纤维增强体的边缘的步骤，使得预制件的轮廓尽可能接近最终部件(这里是扇叶的叶片)的轮廓。

该方法还可以包括润湿步骤，在润湿步骤中，预制件的纤维增强体例如用水弄湿，使得更容易处理，特别是改变经线相对于纬线的取向(移位)，然后是预制件的成形步骤，在成形步骤中，操作员移动线以便将纤维增强体成形为所需叶片的轮廓。替代地，成形步骤与润湿步骤同时进行。然后将预制件干燥，以便从预制件移出用于润湿的水。预制件在干燥后***，并保持操作员实施的形状。该步骤可以通过在合适的腔室中加热纤维增强体来进行。

根据另一替代实施例，预制件成形步骤(在下文说明的基体注射之前)在注射模具中进行。

然后，该方法包括将柔性、不可渗透的袋30(例如囊)定位在预制件20中的步骤。特别地，如图4和图5(示出了在模具中成型的预制件)所示，柔性袋30是布置在第一纤维部分21和第二纤维部分22之间的袋30。在图4中可以看出，袋30布置在允许第一纤维部分21和第二纤维部分22分开的非结合区域25的位置处。更具体地，预制件还包括***非结合区域，袋30通过该***非结合区域***第一纤维部分21和第二纤维部分22之间。柔性袋具有细长形状，其长度与预制件的高度(沿径向方向)相同或基本相同。袋30由与被注射的基体兼容的材料制成。袋的材料包括例如硅弹性体。有利地，这种硅弹性体是RTV类型的(即它是从在室温下交联的组合物获得的)。

在本示例中，柔性袋30容纳可以是气体或液体的流体。气体的示例是空气、氮气或氦气。液体包括例如油或乙二醇。例如，如果所用基体的聚合温度低于100℃，也可以使用水。

有利地但非限制性地，流体在压力下被注射到柔性袋中。

在一个实施例中，袋连接到加压装置31。具体地，柔性袋内的流体的压力可以通过连接到柔性袋的加压装置31在其中被调节和/或控制。加压装置被配置为由操作员(手动)或由电子控制***50驱动。

在图4中，预制件20包括穿过第三纤维部分28和第四纤维部分29的孔口32，所述第三纤维部分28和第四纤维部分29旨在形成扇叶的径向内部平台或径向外部平台。孔口32、32’位于用于形成第三纤维部分28和第四纤维部分29的非结合部的位置处和用于***袋30的非结合区域的位置处。在图5所示的替代实施例中，贯通孔口32”设置在第一纤维部分和第二纤维部分之一中。

在袋滑动到预制件20内部之后，填充材料33可用于填充(或封闭)贯通孔口32、32’。填充材料还使得能够提高部件在压缩中的刚度。有利地，填充材料33在注射干燥的预制件之前和成形干燥的预制件之后安装在模具中。

在通过外部压力对袋加压的情况下，提供导管(35)以将柔性袋连接到加压装置31。更准确地说，用于将加压装置31的导管35连接到柔性袋的通道可选地布置在填充材料的位置处。贯通孔口32、32’中的至少一个可以连接到导管，导管本身连接到加压装置31。

加压装置31在此包括泵。

在注射步骤中，具有柔性袋30的预制件20先前安装在注射壳体41中，基体将注射到该注射壳体中，以便进行致密化并获得最终部件(OGV扇叶)。一旦预制件单独安装在模具中，袋就可以放置在预制件20和注射模具42中。有利地，基体通过液体方式并使用RTM技术注射。注射壳体41由图6示意性示出的注射***40的注射模具42形成。在该示例中，注射模具42包括第一部分43，第一部分43具有第一凹部45以容纳预制件并提供所需部件的形状的一部分。注射模具42先前由形成相反模具的第二部分44封闭，该第二部分包括形成所需最终部件的形状的另一部分的第二凹部46。第一凹部和第二凹部形成注射壳体41，该注射壳体被密封以用于注射。

基体是根据所需的应用选择的，这里是针对OGV扇叶选择的。允许纤维增强体致密化的基体可以是聚合物基体，例如环氧基热固性树脂或酚醛树脂，例如聚双马来酰亚胺(BMI)。聚合物基体也可以是热塑性树脂。在本说明书中，术语“树脂”和“基体”是对等的。注射模具通过管线48的阵列连接到注射装置47。这些管线和注射模具42通过适当的方式是真空的，并且基体被注射到注射壳体中。

基体在基体具有最低粘度的温度(例如在100°至200℃之间)下并且有利地低于其聚合温度下注射。对于环氧基树脂，注射温度例如在100°至160°C之间。对于酚醛树脂(BMI)，注射温度例如在160°至200℃之间。流入壳体中的基体浸渍预制件的所有纤维。为了促进这种浸渍，在注射壳体内施加压力。该压力介于1巴至20巴之间。压力有利地由注射装置47施加。有利地，袋30中的压力高于壳体内部的压力。

最后，在聚合或固化步骤中，树脂被加热，这使得树脂硬化成刚性的最终部件。在树脂注射过程中施加的压力在聚合过程中被保持，以降低最终部件的孔隙率。特别地，在聚合步骤期间，柔性袋30内的流体膨胀，这在预制件20的内表面34上产生额外的压力，从而将进一步降低孔隙率。正是在注射后温度升高并达到聚合水平(palier)的过程中，袋中所限制的流体膨胀。由于袋30是柔性的并且抵抗力由预制件的纤维提供，因此流体的膨胀导致压力增加，这取决于在聚合过程中施加的温度。由于热膨胀产生的额外压力均匀地分布在预制件20的整个表面上，这改进了该方法。

袋30中的内部压力可以在聚合步骤期间通过用加压装置31驱动袋而被控制。在这种情况下，这种压力控制仅在聚合的初步阶段(在基体从液态变为凝胶状态之前)进行。

在通过热膨胀获得额外压力的情况下，袋中流体的压力根据公式P/T＝k增加(其中P是压力，T是温度，k是常数)。注射温度和聚合温度之间的温度变化在大约20°到50℃，这转化为+7％至+20％之间的压力变化。

当然，其他方法如灌注、轻型RTM或Polyflex也是可能的。在Polyflex技术的范围内，在容纳在模具中的预制件上设置外部膜，以用于关闭注射模具。外部膜的作用是对基体施加压力，以改善向模具和预制件中的注射，并确保压力足够和必要，以减少孔隙面积和孔隙率。

在该聚合步骤结束时，将柔性袋刺穿以移出其中容纳的流体。为此目的，在部件的有利地无负载的区域中执行刺穿，例如在径向内部平台和径向外部平台之一的位置处执行刺穿。术语“无负载”是指机械应力较小的区域。有利地，刺穿是通过扇叶的平台或扇叶的中心(在内表面和外表面之一的位置处)进行的。一旦袋排空，它就会留在叶片中。

替代地，当袋中的压力通过由加压装置31保持在压力下的流体实现时，不需要刺穿袋。然而，允许加压的导管35必须放置在部件的无负载区域中。然后通过该导管35将流体从柔性袋中排出。

如有必要，在方法结束时对获得的最终刚性部件进行机加工。

参考图2，最终部件(在这种情况下为OGV扇叶，其横截面如图所示)是整体部件(生产为一体件)，且包括由基体致密化的三维纤维增强体和由已排空的柔性袋限定的内部腔19。

Claims (12)

1.一种用于制造由复合材料制成的部件(12)的方法，所述部件特别是用于涡轮机(1)的部件，所述方法包括以下步骤：

-生产具有纤维增强体的预制件(20)，所述预制件包括第一纤维部分(21)和第二纤维部分(22)，

-在压力下将基体注射到注射模具(40)的注射壳体(41)中，所述预制件(20)布置在所述注射壳体中，以及

-聚合所述预制件(20)，

其特征在于，所述方法在注射步骤之前包括定位柔性袋(30)的步骤，所述柔性袋容纳流体并且布置在所述第一纤维部分(21)和所述第二纤维部分(22)之间，所述流体旨在在聚合步骤期间对所述预制件(20)施加额外的压力。

2.根据前一项权利要求所述的制造方法，其特征在于，所述流体在压力下容纳在所述柔性袋(30)中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述额外的压力通过所述袋中的流体的热膨胀来获得。

4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述聚合步骤之后是刺穿所述柔性袋以移出所述流体的步骤。

5.根据前一项权利要求所述的制造方法，其特征在于，所述刺穿是在所得到的部件(12)的无负载区域中进行的。

6.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述柔性袋(30)中的额外的压力通过连接到所述柔性袋(30)的加压装置(31)来监测和控制。

7.根据前一项权利要求所述的制造方法，其特征在于，导管(35)旨在将所述袋(30)连接到所述加压装置(31)，并且所述导管布置在所述部件的无负载区域中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述纤维增强体通过三维编织或二维编织获得。

9.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述纤维增强体生产成一体件并且所述预制件包括在第一结合区域(23)和第二结合区域(24)中编织在一起的所述第一纤维部分(21)和所述第二纤维部分(22)，所述预制件(20)包括由第一非结合线和第二非结合线(26，27)界定的非结合区域(25)，在所述非结合区域中，第一部分和第二部分是彼此分开的，所述非结合区域(25)沿纵向方向L布置在所述第一非结合区域和所述第二非结合区域之间。

10.一种由复合材料制成的涡轮机部件(12)，所述复合材料包括由基体致密化的纤维增强体，所述涡轮机部件通过根据前述权利要求中任一项所述的方法生产并且包括第一壁和第二壁，封闭在所述第一壁和所述第二壁之间的柔性袋被施加到所述第一壁的内表面和所述第二壁的内表面，所述柔性袋界定空的内部腔(19)。

11.根据前一项权利要求所述的涡轮机部件(12)，其特征在于，所述涡轮机部件是涡轮机扇叶，所述涡轮机扇叶包括叶片(13)，所述叶片具有由所述第一壁承载的内弧表面(14)和由所述第二壁承载的外弧表面(15)，所述内弧表面和所述外弧表面沿着横向轴线彼此相对，所述内弧表面和所述外弧表面在上游通过前缘(16)连接并且在下游通过后缘(17)连接，所述扇叶包括在所述叶片内部延伸的中空的内部腔(19)。

12.一种涡轮机(1)，包括根据权利要求10或11所述的由复合材料制成的部件。

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