專利名稱：線/纖維環(huán)狀物及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線/纖維環(huán)狀物，更具體地，涉及一種具有改進(jìn)的空洞和纖維 結(jié)構(gòu)的改良基體復(fù)合型線/纖維環(huán)狀物，以及制造所述改良的基體復(fù)合型線/纖 維環(huán)狀物的方法。
背景技術(shù)：
4大基復(fù)合材料(Titanium matrix composite, TMC )環(huán)狀物使用于在高溫 中轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，例如使用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中特定的硬度和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)中的 關(guān)鍵因素。雖然使用TMC制造方法生產(chǎn)這些材料已普遍地受到資金短缺的妨礙， 一種TMC制造方法成為了希望。根據(jù)這種方法，將鈦絲(titani麗wire)和 碳化硅(SiC )纖維結(jié)合起來以形成一個(gè)環(huán)形增強(qiáng)體陣列(hoop reinforcement array )。美國專利第5763079號(hào)(申請(qǐng)人為Hamisiak)以及5460774號(hào)(申請(qǐng) 人為Bachelet )已經(jīng)描述了利用這種方式制造TMC環(huán)狀物的方法。這兩個(gè)專利 描述了達(dá)到相同目的的不同方法。但是，這兩個(gè)專利在設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)上都限 制了生產(chǎn)的靈活性。
圖1A-1C展示了 Hanusiak的方法。在這種方法中，線^]大物3和纖維4的 結(jié)合比例被限制于l: 1,但是只要線狀物3的直徑比纖維4的直徑大，線狀物 的直徑與纖維的直徑就可以不同。通過選擇線狀物及纖維的直徑可以確定纖維 在所生成復(fù)合物中的含量(fraction )。例如，使用直徑為0.007英寸的線狀 物和直徑為0.0056英寸的纖維可生產(chǎn)出纖維含量為30%的合成物。根據(jù) Hanusiak的發(fā)明，纟且4牛(assembly )由——個(gè)全是線^1大4勿元4牛的帶條(tape )牙口 一個(gè)全是纖維元件的帶條組成，這兩個(gè)帶條結(jié)合起來使每疊(ply)有兩層(layer )。每個(gè)帶條由尺寸相同的元件組成，但是第一帶條中元件的尺寸不一 定必須和第二帶條中元件的尺寸相同。所述組件是以相鄰的纖維4之間相互不 發(fā)生接觸的方式將每種類型的帶條交替地施加到纏繞芯體(winding core)而 形成的。根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于線狀物和纖維 直徑的比例可以變化，所以可以輕易制造出纖維含量為35%-45%的合成物。這 種范圍內(nèi)的纖維含量對(duì)于有效的環(huán)狀物構(gòu)建是特別合適的。但是，根據(jù) Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于裝配后的陣列(assembled array)含約20%的空洞(void),這種空洞對(duì)較厚的零件是特別有害的，因?yàn)?它允許在金屬移動(dòng)時(shí)形成不希望出現(xiàn)的尖點(diǎn)(cusp)。另外，才艮據(jù)Hanusiak等 人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯示出在固化循環(huán)中組織性不穩(wěn)定的特性，所述固 化過程是用來消除TMC零件中的空洞含量。
圖1A展示了才艮據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明所制造的復(fù)合材料環(huán)狀物 (composite ring)結(jié)構(gòu)的剖面圖。在該結(jié)構(gòu)中，線狀物3之間只在高度方向 上互相接觸，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在最大的纖維間距。圖IB展示了 Hanusiak等人的 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中有適中的纖維間距以便纖維被等寬等高地分開。圖1C 描述了 Hanusiak等人的發(fā)明的另一個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，其中有最小的纖維間距， 使得線狀物3只在側(cè)面或?qū)挾确较蛏舷嗷ソ佑|。
圖2A-2C闡述了 Bachelet描述的方法。根據(jù)該方法，線狀物/纖維的結(jié)合 被限制到2: 1或3: 1的比例。另外，在Bachelet揭露的所有例子中，線狀 物的直徑被限制到與纖維的直徑相同的尺寸。所有組件都利用每疊兩層的結(jié) 構(gòu)，并分成如圖2A-2C所示的三種類型。
更具體地，如圖2A所示，每個(gè)第一層由纖維4組成，這些纖維4被兩個(gè) 直徑相等的線狀物3互相間隔開來，并且第二層^y黃向地編排(laterally indexed )以使纖維4放置在下層的兩個(gè)線狀物3之間。
如圖2B和2C所示，在Bachelet所揭露結(jié)構(gòu)的其他實(shí)施例中，其中第一層由纖維4組成，這些纖維4被一個(gè)直徑相等的線狀物3互相分開。第二層全
部由與第一層中纖維4直徑相同的線狀物3組成。Bachelet方法的優(yōu)點(diǎn)在于 空洞的含量只有約10%，而且明顯地，此陣列在后續(xù)的固化步驟中具有組織穩(wěn) 定性。而且，Bachelet的方法可以適用于較厚的零件，因?yàn)樵摲椒óa(chǎn)生相對(duì)較 低的空洞含量，因?yàn)檠豑MC周長(perimeter )形成尖點(diǎn)的趨勢(shì)較低。但是， Bachelet方法的缺點(diǎn)在于，在其實(shí)施例中將線狀物和纖維限定為線狀物具有相 同的直徑，因此使纖維的含量限制在25°/。-33%之間。從設(shè)計(jì)的角度來i兌，這樣 的纖維含量不是最理想的范圍。即，在很多設(shè)計(jì)中，需要4oy。的纖維含量來實(shí) 現(xiàn)有用的性能提高。
此夕卜，在Hanusiak等人和Bachelet所揭露的實(shí)施例中，任何單層中元件 的尺寸都^it限定為相等。雖然這些文獻(xiàn)中沒有特別排除在一層中的元件可以具 有不同直徑的情況，但這些文獻(xiàn)都沒有解決與此結(jié)構(gòu)相關(guān)的特殊問題。即，當(dāng) 在單層中使用不同尺寸的元件，并且所有在一個(gè)層上的元件都被同時(shí)施加于纏 繞芯體時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生固有的堆疊(stacking),或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。
要求。Bachelet顯然通過這個(gè)限制來控制第一層元件之間的間距，因?yàn)樵撐墨I(xiàn) 中沒有描述任何其他在纏繞心軸上控制第一層中元件的方法。這也暗示在第一 層中的元件之間是接觸的，以便有效地實(shí)現(xiàn)控制位置的目標(biāo)。后續(xù)層中元件的 位置由第一層中元件之間構(gòu)成的間隙確定。4叚如第一層中的元件相互"t妻觸，并 且線狀物和纖維的直徑不相似，則后續(xù)層中的元件將由于放置位置的不確定性 而無法定位，且組件將排列混亂。圖3A- 3C描述了具有尺寸不同的元件的第 二層是如何被放置到含有尺寸不同的元件的第一層之上的，以及最終地，如此 放置幾層后，實(shí)質(zhì)上所有位置都已錯(cuò)亂(圖3C)。即，如果后續(xù)層中的元件同 時(shí)到達(dá)，則在指定層中元件的尺寸不相等將產(chǎn)生對(duì)放置位置的竟?fàn)帯?br>
所以，有必要提供一種改良的方法，它可以在穩(wěn)定的排列中實(shí)現(xiàn)空洞舍量低的目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)纖維的彈性(flexibi li ty )含量在約0%-70%之間，最好 在30%-45%之間。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改良的TMC線/纖維環(huán)狀物結(jié)構(gòu)及 其制造方法，。其中，每一層中的每個(gè)元件都有一個(gè)明確的位置選擇。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種空洞含量低、纖維含量在適當(dāng)范圍內(nèi)的 TMC線/纖維環(huán)狀物。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種在單層中包含不同直徑的元件的TMC線 狀物/纖維環(huán)狀物。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種為第一層中的線和/或纖維提供明確位置 的i座繞心軸。
. 本發(fā)明的另一目的在于界定并實(shí)施一套硬件裝置及相關(guān)部件，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、 高效的固化過程。
為實(shí)現(xiàn)這些和其他目的，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料環(huán)狀物，其包括一組第 一繩股或元件作為第一層。每個(gè)繩股或元件具有第一直徑且以預(yù)定的距離相互 隔開。 一組具有與所述第一直徑不同的第二繩股被適當(dāng)?shù)胤胖?，使得至少兩個(gè) 所述第二繩股填克在相鄰第一繩股之間，這樣形成了第一層。
作為第二層， 一組直徑與所述第 一繩股直徑相同的第三繩股偏移于所述第 一繩股，從而使所述第三繩股覆蓋第一層中的位于第二繩股之間的區(qū)域。最后， 一組直徑與第二繩股直徑相同的第四繩股偏移于所述第二繩股，從而4吏相鄰第 四繩股之間的區(qū)域處在所述第三繩股的中心位置。這樣形成的整體結(jié)構(gòu)為由四 個(gè)帶條，即四套/束繩股構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一、第二、第三和第四繩股中至少 含有纖維和線狀物中的一種。所述纖維優(yōu)選地含有碳化硅，所述線狀物優(yōu)選地含有鈦元素，從而獲得了 一種TMC線狀物/纖維環(huán)狀物。
同樣根據(jù)本發(fā)明，所述纖維繩股最好具有比所述線狀物繩股更大的直徑。
這樣的結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致纖維含量約為30%-45%，空洞含量約12%。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，提供了 一種用于纏繞所述TMC零件且具有 凹槽的心軸，所述凹槽分別對(duì)應(yīng)于第一層中每個(gè)繩股的理想位置。相應(yīng)地，第 一層中的巢位經(jīng)過合理排列，從而適合于第二層或任何后續(xù)層。可選地，可以 通過在所述心軸上提供一層具有選定直徑的線狀物來獲得"凹槽，，，從而導(dǎo)致 產(chǎn)生預(yù)定的巢位，這些巢位與所述第一繩股層所希望的間隔一致。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可以對(duì)所述含有一組繩股的帶條同時(shí)進(jìn)行纏繞，但每 個(gè)帶條是從不同的切線，或不同的"時(shí)鐘"位置，纏繞到所述心軸上的。當(dāng)達(dá) 到所需厚度時(shí)停止纏繞。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述繩股可以相互橫向接觸或不接觸。
才艮據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，當(dāng)纏繞完成后，優(yōu)選地，可以使用包 裝線狀物包裹所述暴露的繩股層，以保護(hù)陣列樣式。
生產(chǎn)本發(fā)明線狀物/纖維陣列的硬件裝置優(yōu)選地包括所述心軸， 一對(duì)從所 述心軸的纏繞表面徑向地向外延伸的邊環(huán)，以及一個(gè)閉合環(huán)。所述閉合環(huán)至少 和所述邊環(huán)的一部分接觸，并且4巴由纏繞表面、邊環(huán)的內(nèi)表面和閉合環(huán)的一個(gè) 內(nèi)表面界定的組合空間封閉起來。
所述邊環(huán)優(yōu)選地包括一個(gè)讓位切口，以協(xié)助固化過程中的壓縮動(dòng)作，且所 述纏繞表面優(yōu)選地含有與所述邊環(huán)鄰接的側(cè)翼。
優(yōu)選地，所述邊環(huán)還包括位于其頂部的凹槽，用以容納所述包裝線狀物的 末端部分。當(dāng)完全裝配起來后，所述閉合環(huán)優(yōu)選地與包裝線狀物接觸，所述包 裝線狀物將處于所述組合空間內(nèi)的、并且已經(jīng)構(gòu)建好的線狀物/纖維組件包圍 起來。
本發(fā)明同時(shí)提供一個(gè)裝置纏繞裝置，所述裝置包括所述纏繞心軸， 一組導(dǎo)輥(guide roller),每個(gè)導(dǎo)輥圍繞所述纏繞心軸排列在預(yù)定的圓周位置，及 一組帶條，所述每個(gè)帶條都被其中一個(gè)導(dǎo)輥所引導(dǎo)，每個(gè)帶條都包括一組繩股。 當(dāng)所迷纏繞心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述每個(gè)帶條連續(xù)地、層疊在所述纏繞心軸上。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種加工"未成熟(green)"線狀物/纖維陣列的方法， 包括如下步驟在纏繞心軸上纏繞一組繩股，所述繩股通過邊環(huán)和心軸^f皮限制 在纏繞心軸上；使用包裝線狀物包裹所述一組繩股；然后，使用閉合環(huán)將所述 繩股和包裝線狀物封閉在一個(gè)由心軸、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的一個(gè)內(nèi)表面界定 的組合區(qū)i或空間(assembly area space)內(nèi)。所述纏繞心軸、邊環(huán)和閉合環(huán) 可被稱為硬件裝置。
所述硬件裝置優(yōu)選地被封裝在一個(gè)密封容器中，優(yōu)選地，所述密封容器隨 后通過在導(dǎo)管內(nèi)通入惰性氣體，如氬氣而被抽空。
當(dāng)所述密封容器被完全抽空后，并且所有污染物及不合需要的氣體都被清 除掉后，所述容器被密封且優(yōu)選地隨后進(jìn)行固化步驟。
所述固化步驟優(yōu)選地包4舌在最高15,000 psi的壓力加熱所述繩股至約 1650°F。在此條件下，所述邊環(huán)一黃向移動(dòng)，而所述線狀物/纖維陣列則固化到 一個(gè)程度。在此程度，所述線狀物/纖維陣列，就如同單一材料那樣，可被加 工成產(chǎn)品，例如渦4侖盤。
通過閱讀以下詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，附圖中的相 同標(biāo)記表示相同的元件，其中
圖2A-C為裝配線狀物/纖維結(jié)合物的另一種現(xiàn)有方法。
圖4A-E為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述裝配一種TMC線狀物/纖維環(huán)狀物的方法。
圖5為本發(fā)明的一個(gè)纏繞裝置。 圖6為本發(fā)明的一個(gè)心軸。
圖7A-E展示了以每有一個(gè)纖維就有兩個(gè)線狀物的形式構(gòu)建的陣列的不穩(wěn) 定性，其中線狀物直徑大于纖維直徑。
圖8A-E為本發(fā)明多個(gè)帶條的結(jié)構(gòu)，其中線狀物的直徑比纖維的直徑大。
圖9描述了本發(fā)明使用線狀物來間隔第一層繩股的心軸。
圖10為本發(fā)明用于加工未成熟線狀物/纖維組件的硬件裝置。
圖11為本發(fā)明帶有線狀物/纖維組件和纏繞層的硬件裝置。
圖12為本發(fā)明帶有線狀物/纖維組件、纏繞層、閉合環(huán)和封裝的硬件裝置。
圖13展示了本發(fā)明的完全固化后的線狀物/纖維環(huán)狀物的橫截面。
圖14展示了對(duì)本發(fā)明的線狀物/纖維環(huán)狀物加工而獲得的最終零件。
具體實(shí)施例方式
參考圖4A-E和圖5,現(xiàn)在描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明， 一種可 以實(shí)現(xiàn)線狀物/纖維環(huán)狀物空洞含量低、排列穩(wěn)定、同時(shí)纖維的彈性含量約為 0%-70%,優(yōu)選地約為30%-45%的改進(jìn)方法被確認(rèn)。
才艮據(jù)本發(fā)明，參考圖4A-E和圖5，堆疊(stacking)得到控制，從而借助 四個(gè)條帶(tape)在四次操作中將兩個(gè)層構(gòu)筑起來。通過這種方法控制堆疊， 克服了困擾現(xiàn)有技術(shù)的穩(wěn)定性問題。如圖所示，借助位于纏繞芯體(winding core)或心軸(mandrel) 50的四個(gè)依序排列的時(shí)鐘位置58a_d上的四個(gè)帶條 56a-d而將尺寸不相似的元件施加到纏繞芯體50上，從而將這些元件可靠地堆 疊起來。在每個(gè)時(shí)鐘位置上，包含尺寸全部相同的線狀物的條帶或包含尺寸全 部相同的纖維的帶條被施加到纏繞芯體。為獲得所需的組件，需要考慮在特定 帶條內(nèi)元件的選擇以及施加帶條的順序。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)每個(gè)元件被施加到所述纏繞芯體時(shí)，即使采用不同直徑的線狀物和纖維，所述每層中的每個(gè)元件都 有一個(gè)明確的位置選擇。
具體地，在圖4A中， 一組纖維4首先被排列。在圖4B中， 一組線狀物3 被排列在與所述第一纖維4相同的層中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一纖維 之間具有適當(dāng)?shù)木嚯x，從而4吏兩個(gè)線狀物3被放置在兩個(gè)相鄰纖維4之間。如 圖4C所示，在第三個(gè)時(shí)鐘位置上，首先使用纖維4形成第二層。所述每個(gè)纖 維4覆蓋線狀物之間的接合點(diǎn)5。然后，如圖4D所示， 一組線狀物3一皮填充到 相鄰纖維4之間的間隙內(nèi)，從而形成所述第二層。重復(fù)#^亍上述步驟以達(dá)到所 需厚度。圖4E描述了一個(gè)四層結(jié)構(gòu)，即，才艮據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)兩層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所產(chǎn)生的陣列(圖4D, 4E)的空洞含量約為 12%，此含量是相對(duì)較低的，所以是理想的。另一方面，^f艮據(jù)本發(fā)明，通過選 擇可提供所需含量的線狀物/纖維的相對(duì)直徑，很容易將纖維含量控制在所需 范圍內(nèi)的任意值。
圖5展示了借助四個(gè)帶條形成一疊(即兩個(gè)層)的裝置。如圖所示，所述 帶條56a-d到達(dá)所述心軸50的四個(gè)預(yù)定的時(shí)鐘位置58a_d,以方便地控制所述 一組繩股的疊放(nesting)。圖5所示的裝置包括一個(gè)引入輥(lead roller) 54和一組導(dǎo)輥52a-d,所述導(dǎo)輥52a-d分別圍繞心軸50排列，以便每個(gè)帶條 56a-d被施加到所述心軸50的理想時(shí)鐘位置上。
如上述發(fā)明內(nèi)容部分所述，所述纖維優(yōu)選地含有SiC,且線狀物優(yōu)選地含 有鈦元素。但是，本發(fā)明的所述繩股也可以使用其它合適的材料，例如其它金 屬、細(xì)絲(filament)、玻璃等。
以多個(gè)帶條的形式將這些層施加到所述心軸50解決了使用不相類似尺寸 的元件或繩股形成陣列的問題，但是在纏繞起點(diǎn)處元件位置的控制仍然是一個(gè) 問題。
在Bachclet的發(fā)明中，通過互相接觸的方式同時(shí)》包加所有的元件，從而實(shí)現(xiàn)位置控制，所以，每個(gè)元件或繩股都與相鄰的繩股鄰接。但是，如圖4B
所示的第一層是通過兩個(gè)帶條，即56a和56b而被施加上去的。如圖4A清晰 地顯示，第一帶條中的單個(gè)繩股之間并未互相接觸，所以不會(huì)為第一帶條中的 每個(gè)繩股確定繩股位置。圖6展示了本發(fā)明的一個(gè)解決方法。在該方法中，所 述心軸50的一個(gè)表面60上形成多個(gè)凹槽62,所述凹槽62分別根據(jù)第一和第 二帶條56a, 56b的繩股的理想間隔而互相隔開。利用這些凹槽62,第一帶條 56a的元件或繩股可根據(jù)任何順序施加到纏繞心軸50上，且所述第一層的繩股 間隔可始終被控制。所屬第二層的繩股，即帶條56c和帶條56d的所有繩股， 隨后根據(jù)第一層中繩股之間的間隙位置就可被放置。此后，所有的后續(xù)層都按 照已建立的式樣排列。
在心軸50的表面60上使用大量凹槽62的方法減少了線狀物/纖維陣列設(shè) 計(jì)的限制性。如圖4A-E所示，通過將元件按照一定順序施加到所述心軸50上， 能夠可靠地構(gòu)成由尺寸不相類似的繩股形成的陣列，其位置控制情況如圖6所 示。這些例子顯示的是陣列中每有一個(gè)纖維就有兩個(gè)線狀物的情況，其中所述 線狀物3具有比纖維4更小的直徑，并且所有線狀物/纖維繩股互相接觸，就 如同它們被同時(shí)施加到所述心軸上。這種按照一定順序施加的方案避免了現(xiàn)有 技術(shù)中當(dāng)同時(shí)施加不同直徑的元件或繩股時(shí)，如圖3A-C所示的固有堆疊不穩(wěn)、 定性。
圖7A-E展示了圖4所示互相接觸的元件中固有的堆疊和不穩(wěn)定性問題， 其中圖4中線狀物3具有比纖維4更大的直徑，即，在一個(gè)元件比例為2: 1 的陣列中，所述"2"具有比'T，更大的直徑。特別地，如圖7D和7E所示， 當(dāng)僅僅完成幾層后，由于巢位爭(zhēng)奪，排列順序就錯(cuò)亂了。實(shí)際上，這種混亂難 以借助時(shí)針順序得以減輕。根據(jù)本發(fā)明，由于第一層中的元件間隔可以不受元 件直徑的影響而自由獨(dú)立地設(shè)置，因此設(shè)計(jì)者可以通過消除所述"2 "必須小圖8A-E展示了通過控制第一層中繩股之間的距離來構(gòu)建的可靠陣列，其 中所述繩股之間的間距通過帶有凹槽的心軸50實(shí)現(xiàn)。繩股中線狀物3具有比 纖維4更大的直徑。特別地，如圖8B所示，第一層中的一種繩股相互^l妾觸， 這可以通過使用如圖6所示的帶有凹槽的心軸50實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖8C-E所示的后 續(xù)層而言，由于第一層(如圖8B)內(nèi)的間隔適當(dāng)，因此這些后續(xù)層具有確定的 巢位。
所述心軸50上的凹槽可通過多種廉價(jià)且有效的方法提供。圖6顯示了心 軸50上才幾械加工形成的凹槽62。這種方法成本相對(duì)較低。圖9顯示了在心軸 上建立所需線狀物或纖維間距的另一種有效方法。在這種方法中，間隔線狀物
(spacing wire) 10作為第一層而被纏繞到所述心軸50上。在這種方法中， 通過選^^直徑與所需元件間隔相同的線狀物，并以相互接觸的方式纏繞這些線 狀物，從而也可以形成所需要的凹槽樣式，其成本較低且不須再進(jìn)行機(jī)知戈力口工。 上述描述涉及到線狀物/纖維陣列組件的方法和結(jié)構(gòu)，所述線狀物/纖維陣 列組件在制造如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子(rotor)或渦輪軸(shaft)中所需的環(huán)形增 強(qiáng)復(fù)合環(huán)狀物或復(fù)合桿時(shí)特別有用。但是，所述纏繞操作只產(chǎn)生一種"未成熟
(green)"的線狀物/纖維陣列，該陣列必須經(jīng)過進(jìn)一步加工才能作為成品環(huán) 狀物組件使用。 一般地，如下文將要描述的情況，所述后續(xù)加工步驟包括將 所述線狀物/纖維陣列封裝在一個(gè)合適的硬件組件中，將所得組件抽空，以排 除氣體和潛在的污染物，密封所述組件以維持其內(nèi)部空洞空間(internal void space)的真空度，進(jìn)行固化操作以消除所有空洞空間并加工成最終想要的尺 寸。
優(yōu)選的硬件組件包括用于線狀物/纖維陣列組合的心軸50，用于在固化步 驟中及在加工之后的最終產(chǎn)品上形成金屬包層(metal cladding )的步驟中將 空洞從組合中擠掉的壓盤。圖10展示了一種典型的、特別適用于制造例如渦如圖10和11所示，首先通過心軸50與邊環(huán)100a, 100B的結(jié)合而制成一 種纏繞子部4牛(winding sub-assembly )。然后，所述子部<牛一皮裝載到繞線枳』 中，并以圖5所示的方式形成一個(gè)線狀物/纖維陣列110。此后，所述線狀物/ 纖維陣列IIO借助粘結(jié)配件而被臨時(shí)地固定到其纏繞物(roll-up)的首尾端， 以利于裝配。如圖ll所示，為達(dá)到永久固定的目的，將鈥質(zhì)包裝絲(overwrap of Titanium) 115纏繞進(jìn)所述子部件的空穴120內(nèi)，并通過例如此處提供的凹 槽125而附著到每個(gè)邊環(huán)上。所述鈦質(zhì)包裝絲115優(yōu)選地通過機(jī)械連接的方式 而被纏繞，例如穿引到一個(gè)邊環(huán)如100a上的狹縫內(nèi)，在張緊的狀態(tài)下纏繞所 述纏繞物以形成一個(gè)接觸層(touching layer)，并且以相同的方式與另一個(gè) 邊環(huán)，如100b機(jī)械地固定。在這種方法中，利用拉伸鎖緊層(tensioned clamping layer)來在整個(gè)工序中固定所述線狀物和纖維元件或繩股3， 4。提 供所述拉伸鎖緊層是適當(dāng)?shù)模驗(yàn)樵诤罄m(xù)的氣體排出操作中，粘合組件輔助設(shè) 備(adhesive assembly aid)將,皮移走。如果不提供機(jī)械固定，那么所述線 狀物和纖維繩股將可自由移動(dòng)，從而無法對(duì)所述陣列的幾何形狀進(jìn)行控制。
通過在被包覆的纏繞子部件上滑動(dòng)地加載一個(gè)閉合環(huán)130來完善所述硬件 組件。隨后，所述完整的硬件組件優(yōu)選地被封裝在一個(gè)鈦片金屬容器140中。 所述容器140提供一種為后續(xù)氣體排出和固化操作而建立真空密閉容器的方 法。圖12展示了上述封裝后的完整組件。
圖12所示部件的幾個(gè)特征對(duì)于部件的成功操作需引起注意。例如，人們 希望所述多孔線狀物/纖維陣列110的固化方向與所述環(huán)的轉(zhuǎn)軸平行。如果所 述邊環(huán)100a、 100b在固化過程中可以自由地朝對(duì)方運(yùn)動(dòng)，從而^f吏所述空洞通 過軸向長度的縮減而被除去，進(jìn)而使所述纖維和線狀物的徑向位置相對(duì)地保持 不變。
雖然可以將閉合環(huán)130直接焊接到所述邊環(huán)100a ， .100b上，以形成一個(gè) 真空密閉容器，但所述邊環(huán)100a, 100b將不能朝對(duì)方運(yùn)動(dòng)，從而無法實(shí)現(xiàn)在所需方向上所需空洞含量的改變。根據(jù)本發(fā)明，通過避免所述邊環(huán)100a, 100b 與所述纏繞心軸50或所述閉合環(huán)130的永久性連接而維持邊環(huán)100a, 100b的 可移動(dòng)性。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)即閉合環(huán)130與所述被包裹的子部件的 滑動(dòng)配合，此后將所述組件封裝在借助在焊縫處焊接形成的鈦片金屬140內(nèi)。 此外，如圖10和11的區(qū)域A所示，所述邊環(huán)100a, 100b和心軸50具有一種 特別的界面結(jié)構(gòu)。理想地，在區(qū)i或A內(nèi)，所述邊環(huán)100a， 100b和心軸50之間 存在與邊環(huán)100a, 100b和閉合環(huán)130之間類似的滑動(dòng)配合。但是，在此處所 述滑動(dòng)配合是不可接受的，因?yàn)樗鲞叚h(huán)100a， 100b確立了陣列110的纏繞 式樣的邊*彖，因此，所述邊環(huán)100a, 100b最好可以準(zhǔn)確地p波定位，并固定在 所述心軸50上。通過j吏所述邊環(huán)100a, 100b對(duì)應(yīng)安置于側(cè)翼150處，以確立 所述陣列110的首列和尾列，/人而實(shí)現(xiàn)所述邊環(huán)的準(zhǔn)確定位。另外，所述邊環(huán) 100a， 100b優(yōu)選地具有足夠的厚度，以便在構(gòu)建所述陣列時(shí)能夠維持一定的平 面度。但是，使用厚邊板(thick side plate)會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)檫@樣的邊板 難以實(shí)現(xiàn)在固化過程中的移動(dòng)，特別是在面對(duì)所述側(cè)翼150時(shí)。
為克月良此問題，例如，如圖10所示，所述邊環(huán)上形成讓位切口( relief cut ) 155，以允i午所述心軸50準(zhǔn)確地肩負(fù)邊環(huán)100a, 100b,而且通過將必須壓縮的 邊環(huán)100a, lOOb材沖牛用量最小化來實(shí)現(xiàn)邊環(huán)100a, 100b在固化過程中的移動(dòng)。 在固化溫度，所述鈦金屬容器140的強(qiáng)度大幅下降，所述讓位切口 155輕易地 疊合以適應(yīng)固化所述陣列IIO時(shí)邊環(huán)移動(dòng)的需要。
另外，需注意的是，所述邊^(qū)反100a， 100b和心軸50之間的接觸面，以及 邊板100a, 100b與閉合環(huán)130之間的接觸面彼此都不是安全地焊接在一起的。 更確切地，所述邊^(qū)反100a, 100b優(yōu)選地只是在線狀物/纖維纏繞進(jìn)行之前與所 述心軸50點(diǎn)焊(tack welded )起來。同樣，這些接觸面優(yōu)選地并未互相焊接 形成真空密封容器。作為一種替代，所述真空密閉容器優(yōu)選地通過前述方法， 即在由其焊縫處焊接形成的鈦片金屬袋140中封裝所述硬件組件來實(shí)現(xiàn)。因此，所述邊板100a, 100b具有相對(duì)較小的滑動(dòng)阻力。當(dāng)所述硬件裝置由例如纟艮難 焊接的高性能鈦合金組成時(shí)，僅僅依靠金屬袋140來形成真空密閉容器也是有 用的。
此外，如圖12所示，根據(jù)本發(fā)明，為增強(qiáng)固化過程中所述邊板的軸向滑 動(dòng)，所述邊板100a, 100b的一部分135突出于所述心軸50和閉合環(huán)130之外， 這樣在固化過程中，封裝袋140首先推動(dòng)所述邊環(huán)100a, 100b。因此，所述邊 環(huán)100a, 100b沿所需軸向的運(yùn)動(dòng)得到了增強(qiáng)。
仍參考附圖12,在所述金屬袋140被密封后，所述組件被脫氣和固化，以 形成一個(gè)增強(qiáng)型產(chǎn)品毛還(reinforced component blank )。特別地，為實(shí)現(xiàn) 該工序，所述金屬袋140上優(yōu)選地安裝排氣導(dǎo)管2QQ，并且通過烘烤(bake-out) 工序使粘合劑和吸收的污染物從導(dǎo)管200排出。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 一個(gè)安 裝上去的導(dǎo)管200內(nèi)形成真空，另 一個(gè)導(dǎo)管內(nèi)則用流動(dòng)性相對(duì)較低的氬氣凈化。 所述組件根據(jù)預(yù)定的加熱模式被加熱到約850T,并維持此溫度不變，直到所 需揮發(fā)物(volatiles ) ^tf切底地移除。隨后所述組件轉(zhuǎn)變到室溫條件，并且 所述排氣導(dǎo)管被阻塞，以使所述組件的內(nèi)部密封成為真空。所述導(dǎo)管200優(yōu)選 地隨后被阻塞并從所述金屬袋140上切斷。
所述已脫氣的組件優(yōu)選地隨后通過熱等靜壓(heat isostatic pressing, HIP)操作而被固化，以便處消除空洞。所述組件被加熱到約165 0°F ,并施加 約15000psi的壓力使所有空洞閉合。圖13展示了完成的增強(qiáng)型毛坯 (completed reinforced blank)的一個(gè)部件210。
隨后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)積4成加工4支術(shù)，才幾知戈加工所述增強(qiáng)型毛坯(reinforced blank),使其成為最終想要的產(chǎn)品形狀。如圖14所示， 一個(gè)理想化的渦輪發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子220可從部件210扭4成加工而獲得。
的實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
1. 一種制造基體材料的方法，其包括如下步驟提供心軸；將一組第一繩股纏繞到所述心軸上，所述每個(gè)第一繩股具有第一直徑且以預(yù)定的距離彼此隔開；將一組第二繩股纏繞到所述心軸上，所述每個(gè)第二繩股具有與所述第一直徑不同的第二直徑，且至少有兩個(gè)所述第二繩股裝配于相鄰的第一繩股之間；將一組第三繩股纏繞到所述心軸上，所述第三繩股具有與所述第一繩股相同的直徑，所述纏繞上去的第三繩股偏移于所述第一繩股，使所述第三繩股纏繞在所述第二繩股的相鄰區(qū)域上；及將一組第四繩股纏繞到所述心軸上，所述第四繩股具有和所述第二繩股相同的直徑，所述纏繞上去的第四繩股偏移于所述第二繩股，使所述第四繩股之間的相鄰區(qū)域纏繞在所述第三繩股的中心位置上方。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三和第 四繩股包含纖維和線狀物中的至少 一種。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述纖維包含碳化硅。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述線狀物包含鈦元素。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所得到的纖維含量在30%-45% 之間。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第三繩股包含纖維，所述第二和第四繩股包含線狀物。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述纖維繩股的直徑為0. 0056 英寸，所述線狀物繩股的直徑為0. 005英寸。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括重復(fù)纏繞所述第一 到第四繩^:的步驟。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，空洞含量為12%。
10. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第三繩股的直徑 大于所述第二和第四繩股的直徑。
11. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括給所述每組第一到 第四繩股分別提供帶條的步驟。
12. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括同時(shí)纏繞所述第一 到第四繩股的步驟。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第二繩股相互橫 向地4妄觸。
14. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一和第二繩股未相互 橫向地接觸。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括用包裝線狀物包裹 任一所述第 一到第四繩股的暴露層的步驟。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述包裝線狀物包含鈦元
17. —種復(fù)合材料環(huán)狀物，其包括一組第一繩股，每個(gè)繩股具有第一直徑并以預(yù)定的距離相互隔開；一組第二繩股，每個(gè)繩股具有不同于第一直徑的第二直徑，并且至少有兩 個(gè)所述第二繩股裝配于相鄰的第 一繩股之間；一組第三繩股，其具有與所述第一繩股相同的直徑，所述第三繩股偏移于 所述第一繩股，使所述第三繩股被放置在所述第二繩股之間的連接點(diǎn)之上；及一組第四繩股，其具有與所述第二繩股相同的直徑，所述第四繩股偏移于 所述第二繩股，使所述相鄰第四繩股的結(jié)合點(diǎn)位于所述第三繩股的中心上方。
18. —種復(fù)合材料環(huán)狀物，其包括一組纖維和線狀物，除了那些暴露在所述復(fù)合材料環(huán)狀物內(nèi)表面或外表面 的纖維，其余每個(gè)纖維都纟皮六個(gè)線狀物環(huán)繞且與這些線狀物^接觸，所述纖維的 直徑大于所述線狀物的直徑。
19. 一種線狀物纏繞裝置，包括 纏繞心軸；當(dāng)所述纏繞心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述每個(gè)帶條以連續(xù)的、 一個(gè)在另一個(gè)之上的方 式設(shè)置在纏繞心軸上。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述纏繞心軸的一個(gè)纏繞表 面上具有一組凹槽，所述每個(gè)纏繞在心軸上的第 一層中的繩股都有一個(gè)明確的 巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另 一個(gè)繩股互相隔開。
21. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，所述纏繞心軸包括緊鄰心軸 的一個(gè)纏繞表面的間隔線狀物，纏繞在所述心軸上的第一層的每個(gè)繩股都具有 一個(gè)明確的巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另 一個(gè)繩股互相隔開。
22. —種用于制造線狀物/纖維陣列的硬件裝置，包括 具有l(wèi)t繞表面的纏繞心軸； 從所述纏繞表面徑向地向外延伸的一對(duì)邊環(huán)；及與所述邊環(huán)的至少一部分接觸的閉合環(huán)，該閉合環(huán)將一個(gè)由纏繞表面、邊 環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的內(nèi)表面界定的組合空間封閉起來。
23. 如權(quán)利要求22所述的硬件裝置，其特征在于，至少一個(gè)所述邊環(huán)包含 一個(gè)讓^f立+刀口 。
24. 如權(quán)利要求22所述的硬件裝置，其特征在于，所述纏繞表面包括與至 少一個(gè)所述邊環(huán)鄰4妻的側(cè)翼。
25. 如權(quán)利要求22所述的硬件裝置，其特征在于，至少一個(gè)所述邊環(huán)包括凹槽。
26. 如權(quán)利要求25所述的硬件裝置，其特征在于，所述凹槽容納包裝線 狀物的末端部分。
27. 如權(quán)利要求22所述的硬件裝置，其特征在于，所述閉合環(huán)與包裝線 狀物接觸，所述包裝線狀物包圍處于所述組合空間內(nèi)的線狀物/纖維組件。
28. 如權(quán)利要求22所述的硬件裝置，其特征在于進(jìn)一步包括氣密性地封 閉所述硬件裝置的封裝設(shè)備。
29. 如權(quán)利要求28所述的硬件裝置，其特征在于，所述封裝設(shè)備包括金 屬袋。
30. 如權(quán)利要求29所述的硬件裝置，其特征在于，所述金屬含有鈦元素。
31. 如權(quán)利要求28所述的硬件裝置，其特征在于進(jìn)一步包括至少一個(gè)排 氣導(dǎo)管。
32. —種加工未成熟線狀物/纖維陣列的方法，包括如下步驟 在纏繞心軸上纏繞一組繩股，所述繩股通過纏繞心軸上的邊環(huán):帔限制在所述纏繞心軸上；使用包裝線狀物包裹所述一組繩股；及用閉合環(huán)將所述繩股和包裝線狀物封閉在由纏繞心軸、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合所述纏繞心軸、邊環(huán)和閉合環(huán)構(gòu)成了 一個(gè)硬件裝置。
33. 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，所述包裝線狀物含有鈦元
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括將所述硬件裝置 封裝在氣密容器內(nèi)的步驟。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述氣密容器包含鈥元素。
36. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括抽空所述氣密容 器的步驟。
37. 如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過一個(gè)導(dǎo)管向 所述氣密容器中充入惰性氣體的步驟。
38. 如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體含有氬氣。
39. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過在所述抽空 步驟之后密封所述容器來維持所述容器內(nèi)真空度的步驟。
40. 如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括固化所述繩股的步驟。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述固化步驟包括將所述 繩股加熱到]6 5 (TF的步驟。
42 如權(quán)利要求40的方法，其特征在于，所述固化步驟包括施加不超過15000psi的壓力的步一腺。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有雙層的線狀物/纖維環(huán)狀物，所述雙層位于四個(gè)時(shí)鐘位置。每層包括具有第一直徑的第一材料繩股、具有不同于第一直徑的第二直徑的第二材料繩股。第二層或后續(xù)層被適當(dāng)?shù)胤胖茫沟美K股在相鄰層的繩股之間具有確定的巢位。當(dāng)陣列構(gòu)筑完畢后，線狀物被包裹在所述陣列上，以便在后續(xù)的固化工序中保持陣列的位置。該固化工序在陣列被密封在氣密性良好的容器內(nèi)并被抽空后進(jìn)行。當(dāng)加熱加壓后，可以獲得空洞含量為12％、纖維含量為0-70％，最好為30-45％的線狀物/纖維環(huán)狀物。
文檔編號(hào)B32B3/02GK101415541SQ200580025435
公開日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者史蒂芬·斯皮爾, 威廉·哈努斯克, 杰弗瑞·帕訥爾, 查理斯·羅文, 莉莎·哈努斯克 申請(qǐng)人:賽夸公司