制造部件的方法及使用该方法获得的复合固体部件

摘要

本发明涉及用于制造部件，特别是涡轮机叶片的增强边缘（20）的方法，该方法包括以下步骤：三维编织金属纱线制造至少一个纤维结构；以及对纤维结构进行热等静压压制，使金属纱线聚集以获得固体部件。本发明还涉及固体复合部件，特别是涡轮机叶片的增强边缘（20），其包括由三维编织的陶瓷纤维（32,39）形成的增强结构（40）和金属或金属合金基体（41）。

说明书

发明技术领域

本说明书涉及制造部件的方法及使用该方法获得的复合固体部件。

更具体地，该部件可以为涡轮机风扇叶片的增强边缘。这种增强边缘可以安装 至任意类型的涡轮机，不管该涡轮机是在陆上使用还是在航空器中使用，特别地， 增强边缘可以安装至直升飞机涡轮轴发动机或飞机涡轮喷气发动机。

现有技术

涡轮机风扇叶片承受高水平的机械应力，同时需要满足严格的重量和尺寸条件， 所述机械应力特别是与叶片的转速相关。已经想到的用于减轻叶片重量的一个选择 是利用复合材料制造叶片。但是，涡轮机风扇叶片在使用中还必须满足苛刻的标准， 特别地，它们必须能够承受来自异物的冲击和磨损。例如，飞机涡轮喷气发动机的 前部风扇叶片必须能够承受飞行过程中飞鸟的冲击以及飞行过程中的磨损。不幸的 是，当叶片的前缘使用和叶片主体相同的复合材料制成时，存在前缘的能力不足以 承受冲击和磨损的风险。

为减轻上述问题，已经想到叶片可以通过在其前缘使用部件而得以加强，该部 件安装到叶片的主体上，并符合叶片的空气动力学外形。这种安装的部件称作增强 边缘。

增强边缘一般为固体部件，其相对于风扇的旋转轴沿着基本上径向的方向纵向 地延伸，并且在横截面中具有大致C形的轮廓，该轮廓在逐渐变细的分支之间具有 大厚度的中心部分。因此，增强边缘具有大厚度的纵向中心部分，该纵向中心部分 称作“鼻部”，位于薄的径向侧翼之间。

因此，这种增强边缘的厚度是变化的，典型地，其中心部分的厚度为几毫米， 并在其逐渐变细的分支的端部减少到仅仅几十分之一毫米（例如，0.2毫米）。

增强边缘还必须具有扭曲和拱起的形状，即，与叶片主体的上游边缘的形状互 补的形状，增强边缘安装在所述上游边缘上。

最后，在其外表面上，增强边缘必须具有平缓的表面状态，以避免破坏叶片的 空气动力学特性，在其内表面上，增强边缘必须具有高质量的曲率半径，以紧密安 装到叶片主体的上游边缘上，增强边缘安装在该上游边缘上。

已知通过对钛合金制成的部件进行热成形和机械加工来制造增强边缘。但是， 由于上述要求，成形和机械加工操作繁多，耗时且复杂，导致制造增强边缘的成本 增加。不幸的是，如今发现使用已知制造方法制造增强边缘的成本太高，特别是因 为其占制造风扇叶片总成本的非常大一部分。

因此，存在对制造方法的真实需求，该制造方法能够以更低的成本更容易地制 造风扇叶片增强边缘，同时尽可能满足上述要求。

发明内容

本发明提供制造部件的方法，该方法包括以下步骤：

通过三维编织金属纱线制造至少一个纤维结构；及

对纤维结构进行热等静压压制，使金属纱线聚集以获得固体部件。

在本发明书中，所述固体部件也称作“最终部件”。

通过三维编织制造纤维部件，能够在单一操作中为纤维结构以及最终部件获得 良好的机械强度。

此外，通过三维编织而交织的金属纱线能够相对彼此移动，因此能够使纤维结 构变形，由此能够赋予支撑件以及最终部件一个复杂的形状，特别是扭曲和/或拱起 的形状。

三维编织还能够获得具有变化厚度的纤维结构及最终部件，该厚度可以非常小， 因为可以在较厚的部分和非常薄的部分之间进行连续的三维编织。

这种方法非常适于制造涡轮机风扇叶片的增强边缘。

热等静压压制（HIP）步骤通过压缩将最终形状提供给纤维结构，以及通过将其 金属纱线扩散焊接在一起而使纤维结构致密化。获得的固体部件具有零孔隙率或非 常小的孔隙率。

热等静压压制可以在等温压机中或者在高压釜的袋中进行，使用的工具可以重 复用于若干个制造循环。此外，可以同时压缩多个部件。由此，制造部件的成本得 以降低。

在某些实施方式中，制造的部件在第一方向延伸，并在垂直于第一方向的平面 中具有变化的厚度，用于三维编织的经纱沿着第一方向延伸，部件厚度的变化通过 使用不同直径的纱线以及可选地不同的构造而获得。

部件的最大厚度的部分通常使用最大直径的经纱制成。

当制造的部件是涡轮机风扇叶片的增强边缘时，上述第一方向是增强边缘的纵 向方向。

在某些实施方式中，使用的金属纱线是：

由金属或金属合金，特别是钛（Ti）或钛合金制成的纱线；和/或

复合纱线，其包括特别是由碳化硅（SiC）制成的中心陶瓷纤维，以及特别是由 钛或钛合金或硼制成的金属或金属合金涂层。

有利地，复合纱线在部件的承受最高机械应力的部分中使用。例如，在增强边 缘中，复合纱线位于遭受冲击的那一侧，即，增强边缘的外部区域中（该区域距离 叶片的主体最远）。

在某些实施方式中，通过三维编织制造多个纤维结构或“子结构”，这些纤维结 构组装在一起，对由装配的纤维结构形成的组件，或“最终结构”实施热等静压压制。

最终结构大致上具有多层结构，该多层结构通过堆积多个不同形状和几何构型 的子结构而获得。

该方案能够降低制造为整体的纤维结构可能会遇到的编织，处理，以及冷成形 的难度。特别地，这些困难在将要制造的部件的厚度变化较大时出现，这些厚度变 化在编织过程中产生困难（特别是由于最小直径的纱线的张力过大），或不可能仅仅 通过改变经纱的直径和构造而获得，或由于金属纱线和/或子结构本身具有弹性返回 而产生。

将纤维结构（或子结构）组装在一起的步骤可以各种方式进行。

在某些实施方式中，纤维结构通过植入连接纱线而组装在一起，每根连接纱线 穿过每一个预制品中的至少一部分。例如，纤维结构可以通过缝合金属纱线而组装 在一起。

在某些实施方式中，纤维结构通过覆合，焊接，和/或粘结剂而组装在一起。

此外，在某些实施方式中，在将两个纤维结构（即，两个子结构）组装在一起 之前，在它们之间设置至少一个金属插入件。这种插入件能够获得最终结构中厚度 较大的部分。插入件可以通过各种方式连接至子结构，例如通过焊接，通过粘结剂， 通过固定在两个纤维化结构之间，和/或通过直接插入工具中。

本说明书中描述了上述方法的若干实施方式。但是，除非另有相反说明，参考 任一特定实施方式描述的特征可以应用至任意其它实施方式中。

本公开还提供复合固体部件，该复合固体部件包括由三维编织的陶瓷纤维形成 的增强结构和金属或金属合金基体。

由于三维编织的陶瓷纤维增强结构的存在，这种部件具有增强的机械强度。

应该注意到，增强结构不一定延伸贯穿整个部件，相反，它可能仅仅位于部件 的承受最高机械应力的区域中。

在某些实施方式中，上述固体部件是涡轮机风扇叶片的增强边缘。

这种增强边缘可以（例如，通过粘结剂）固定至叶片的主体，以对其进行保护。 增强边缘一般设计为安装至叶片的前缘，但是其也可以安装至后缘。

在某些实施方式中，上述增强边缘在第一方向纵向延伸，并且在横截面中（即， 在垂直于第一方向的平面中）具有大致C形的轮廓，该轮廓在逐渐变细的分支之间 具有大厚度的中心部分，并且增强结构至少位于中心部分的外部区域中，即，中心 部分的位于轮廓的凸出侧上的区域中。

由于中心部分，特别是增强边缘的外部是最大程度上暴露给冲击的部分，在该 部分中增强结构的存在是为了对其进行增强。

在某些实施方式中，增强结构中具有较大直径的经纱至少位于上述中心部分， 以及至少位于增强边缘的外部。

由于较大直径的经纱具有最好的机械特性，它们在部件的一部分中存在是为了 增强该部分的更好的机械性能。

本公开还提供包括如上描述的增强边缘的涡轮机风扇叶片，以及包括这种风扇 叶片的涡轮机。

本说明书中描述了复合固体部件的若干实施方式。但是，除非另有相反说明， 参考任一特定实施方式描述的特征可以应用至任意其它实施方式中。

附图说明

附图是概略的，不一定成比例，因为它们的首要目的是阐述本发明的原理。

在附图中，相同的元件（或元件部分）使用相同的附图标记表示。此外，属于 不同的实施方式但是功能相似的元件（或元件部分）使用相同的数字标记加上100、 200等来表示。

图1为安装有示例增强边缘的涡轮机风扇叶片的透视图。

图2为图1所示增强边缘的透视图。

图3为互锁式三维编织的平面图。

图4为多层式三维编织的平面图

图5示出了通过三维编织制造的纤维结构的实施例。

图6示出了位于热等静压压制工具中的图5所示的纤维结构。

图7示出了热等静压压制后获得的固体部件。

图8示出了将要组装在一起，处于热等静压压制之前的状态中的纤维结构或子 结构的两个实施例。

图9示出了组装在一起的图8所示的两个子结构。

图10示出了纤维结构或子结构的两个实施例，以及金属插入件，这三个元件设 计为在热等静压压制之前组装在一起。

图11示出了组装在一起时的图10所示的三个元件。

具体实施方式

以下参照附图详细描述的本发明的实施方式是为了展示本发明的特点和优点。 但是，应当牢记本发明不限于这些实施例。

图1示出了涡轮机叶片1，其为大弦式风扇叶片。这种叶片1的形状复杂并包括 根部2，根部2由机翼4在相对于风扇的旋转轴径向的方向上延伸。机翼4将要放 置在通过发动机的流体的流动路径中，并具有两个外表面，分别称作吸入侧表面6 和压力侧表面8。表面6和8在它们的“上游”端通过前缘10连接在一起，并且在它 们的“下游”端通过后缘12连接在一起（上游和下游是相对于穿过涡轮机的气体的正 常流动方向而定义的）。典型地，前缘10和后缘12的长度为大约500mm。增强边 缘可以在叶片的后缘12处，以及最重要地在前缘10处固定在叶片的主体7上，以 避免，或至少减轻对叶片的损坏，特别是在发生撞击时。

在所示的实施例中，增强边缘20在叶片的后缘10上固定至叶片的主体7。前缘 10至少部分地由增强边缘20构成，增强边缘20尽可能接近地符合叶片的大致形状 以避免破坏叶片的机械和空气动力学特性。

如图1所示，风扇叶片1的形状复杂。特别地，叶片在其纵向方向扭曲，并在 其横向方向拱起。如图2所示，增强边缘20因此也具有复杂的形状。

更精确地，增强边缘20在第一方向A纵向延伸，并在垂直于第一方向的平面P 的截面中（即，在横截面中）具有大致C形的轮廓，该轮廓在逐渐变细的分支24 之间具有大厚度的中心区域22。增强边缘20因此具有大厚度的纵向中心部分21， 该纵向中心部分21具有与其每个侧面相接壤的两个纵向侧翼23，侧翼朝向它们的 远端具有较薄的截面。侧翼23的外表面24E同叶片的压力侧8和吸入侧表面6一 起连续延伸。一旦增强边缘20安装到叶片的主体7上，中心部分21的外表面22E 形成叶片的前缘10（参见图1）。

这种增强边缘20的尺寸的例子为：搭接长度L为大约20mm至500mm，例如 250mm，中心部分21（或中心区域22）的最大厚度H为约1mm至25mm，例如 7mm，侧翼23（或分支24）的最小厚度E为0.1mm至6mm，例如1mm，侧翼23 的厚度朝着侧翼23的端部逐渐减小（在垂直于外表面22E，24E的轮廓的切线的平 面P中测量厚度）。应当注意到这种部件的厚度变化很大。

为制造诸如增强边缘20这样的部件，初始操作为通过三维编织制造至少一个纤 维结构。

应当牢记编织包括交织经纱和纬纱。在编织技术中，“编织”是交织经纱和纬纱 的方式。

在本说明书中，术语“三维”编织（或“3D编织”）用于指代这样一种编织技术： 在多个纬纱层上，经纱的至少一部分同纬纱连接在一起。

因此，三维编织和更传统的“二维”编织（或“2D编织”）的区别在于，每根经纱 从单个纬纱层中的纱线的一侧穿到另一侧。

存在各种各样的三维编织，它们的区别在于经纱和纬纱的交织方式不同。例如， 三维编织可以为“互锁”式或“多层”式。

术语“互锁编织”用于指代这样的3D编织：每个经纱层连接多个纬纱层，相同经 纱列中的所有纱线在编织平面中具有相同的运动。图3为互锁编织的平面图，该互 锁编织具有7个经纱层FC和8个纬纱层FT。在所示的互锁编织中，纬纱层T由两个 相邻的在经向上互相偏移的纬纱半层t组成。因此，存在交错设置的16个纬纱半层。 每个经纱FC连接3个纬纱半层。下面，除非另有相反说明，术语“层”可以指代纬纱 的整层或半层。

纬纱FT也可以具有非交错的设置，两个相邻纬纱层的纬纱FT在相同的列上对 齐。

术语“多层编织”指具有多个纬纱层的3D编织，其中每层的基础编织与传统的 2D编织（例如，平织，缎织，或斜织）相同，但是编织的某些点将纬纱层连接在一 起。图4示出了平织式或“多层平织”式多层编织的平面图，其中经纱FC不时地从 其传统平织2D路径偏斜，该路径与一纬纱层相关，以捕获相邻纬纱层的纱线FT′ 并形成将两个相邻的纬纱层连接在一起的特定平织点PT。在特定的平织点PT，经 纱FC穿过两个相邻纬纱层中的位于相同列中的两个纬纱FT和FT′。

应当注意到，在多层编织中由给定的纬纱FC进行的连接不局限于两个相邻的纬 纱层，而是可以在大于两个纬纱层的厚度上延伸。

最后，术语“构造”指的是在纬向方向和经向方向上每单元长度的纱线的数量， 与高构造（或紧结构）相反，低构造（或松弛结构）指的是更少数量的纱线及相应 的更宽松的编织。

在本发明书及所有的附图中，按照惯例并为方便起见而描述和显示了经纱从它 们的路径偏斜以抓住一个纬纱层或多个纬纱层中的纬纱。但是，也可以使经纱和纬 纱的角色互换，这种互换应该理解为被权利要求所包括。

为制造诸如增强边缘20这样的部件，初始操作为通过三维编织金属纱线制造至 少一个纤维结构。

图5示出了通过三维编织以下金属纱线而制造的纤维结构25的实施例：

大直径（例如，0.5mm）复合纱线30，其包括由碳化硅（SiC）制成的中心陶瓷 纤维32，该中心陶瓷纤维由钛（或硼）合金制成的涂层34覆盖，本领域技术人员 把这种类型的纱线称作“SiC/Ti纱线”或“SiC-Ti纱线”，或者，对于硼合金涂层的纱 线，称作“SiC/B纱线”，或“SiC-B纱线”；

由钛合金（例如，TA6V，Ti6242等类型的合金）制成的较小直径（例如，0.1mm） 纱线36；及

小直径（例如，0.25mm）复合纱线38，其包括由碳化硅（SiC）制成的中心陶 瓷纤维39，该中心陶瓷纤维由钛（或硼）合金制成的涂层37覆盖。

在图5中，复合纱线38，陶瓷纤维39以及其涂层37都由相同类型的线表示。

金属纱线30，36，及38通过三维编织交织在一起，以形成单个纤维结构或单件 结构。金属纱线30和36用作经纱，并且基本上朝向第一方向A（参见图2），而金 属纱线38用作纬纱。

应当注意到，大直径金属纱线在纤维结构的最厚部分中使用，这些大直径的纱 线特别是用于获得大厚度的结构。

还应当注意到，交织的陶瓷纤维32和39形成陶瓷纤维增强结构，该陶瓷纤维 增强结构按照本发明书所述经三维编织形成，并且，像复合纱线30一样，较大直径 的陶瓷纤维为陶瓷纤维32。

最后，应当注意到，使用的金属纱线可以都由复合材料制成，或都由金属或合 金（例如，TA6V，Ti6242等类型的合金）制成。类似地，使用的金属纱线可以都 具有相同的直径。

图5的纤维结构接着被放置于图6概略示出的工具50内，然后接受热等静压压 制。在所示的实施例中，纤维结构在1000巴的压力下在940℃保持120分钟。

热等静压压制结束后获得图2所示的增强边缘20，该增强边缘20在图7中以概 略的横截面显示。

增强边缘20为本说明书意义上的复合固体部件的一个例子。其包括由陶瓷纤维 32、39三维编织的增强结构40和金属合金制成的基体41。通过压缩以及扩散焊接 将纱线30的钛合金涂层34，纱线38的钛合金涂层37，以及纱线36的钛合金聚集 在一起，由此产生基体41。

应当注意的是，增强边缘20在第一方向A（参见图2和图7）延伸，具有在垂 直于第一方向A的平面中变化的厚度，并且编织的增强结构40中的形成经纱的陶 瓷纤维32同样也在第一方向A延伸。此外，在增强边缘20的具有最大厚度的层中， 增强结构40具有最大直径的经纱。

如上所述，增强边缘20的最大程度上暴露于冲击的部分是中心部分22，更确切 地，是中心部分22的位于增强边缘外部的区域（即，在外部表面22E旁边）。该区 域以下称作“敏感区域”。

应当注意到，陶瓷纤维32，39三维编织的增强结构40具体位于上述敏感区域 中以对其进行保护。应当注意到，增强结构40的最大直径的经纱（即，陶瓷纤维 32），即，结构40的具有最大机械强度的纱线，同样也位于该敏感区域，以进一步 增进对该区域的增强。

当然，增强结构40可以在增强边缘20的其它区域中延伸，或在所有方向延伸 穿过整个增强边缘。

图8示出了纤维结构的两个其它的例子，称作“子结构”125A和125B，它们将被 组装在一起以形成称作“最终”结构125的单个纤维结构。两个“子结构”125A和125B 通过三维编织金属纱线获得，子结构125A通过交织经纱130和纬纱138A获得，子 结构125B通过交织经纱136和纬纱138B获得。

经纱130，136以及纬纱138A，138B可以为复合的或非复合的。在示出的实施 例中，纱线130和138A为复合纱线，具有由碳化硅制成的陶瓷纤维芯，以及由钛 （或硼）合金制成的涂层。纱线136和138B为钛合金纱线。

在示出的实施例中，子结构125A的经纱130的直径大于子结构125B的经纱136 的直径，因此具有编织更少的纱线以及获得更柔韧的子结构125A的优点，因为它 具有更低的构造。

在示出的实施例中，如图9中点135所概略示出，子结构125A和125B通过点 结合/焊接而组装在一起。

通过组装子结构125A和125B产生的最终结构125具有与图5所示结构25相 似的优点，还具有以下可能：

子结构可以具有不同的朝向；

在子结构之间可以有大的形状和厚度变化，由此在最终结构中可以具有通过任 何其它方法难以获得的形状和厚度的大变化；以及

可以为编织的子结构中的一个获得特别平坦的形状。

然后，最终结构125接受如上参照图6和7所描述的热等静压压制，以获得和 增强边缘20类似的增强边缘（未示出）。

图10示出了个两个其它纤维结构，称作子结构225A和225B，它们将和金属插 入件260一起被组装在一起。该插入件260在将组件组装在一起之前设置在两个子 结构225A和225B之间。在示出的实施例中，两个子结构225A和225B同插入件 一起被自由插入图11中虚线所示的工具51中。

在插入工具之前，插入件260还可以插入在结合/焊接在一起的两个子结构之间， 或通过一个或多个金属纱线结合至子结构，或真正粘性结合或焊接至子结构中的一 个上。

插入件260可以具有刺突以使其能够结合至子结构中的至少一个上。

金属插入件260的存在能够增加最终结构225的厚度，由此能够增加制造的增 强边缘20的厚度。这种厚度的增加通过比较图9和11而显示。此外，金属插入件 260可以通过锻造或机械加工方法形成，其可以为铸件，或可以为型材部件。因此， 插入件260可以具有通过编织难以获得的形状（并将该形状赋予最终结构225）。

由将子结构225A和225B以及插入件260组装在一起而产生的最终结构225也 具有与图5所示的结构25相似的优点。

接着，最终结构225接受如上参照图6和7所描述的热等静压压制，以获得和 增强边缘20类似的增强边缘（未示出）。

增强边缘包括由陶瓷纤维三维编织的增强结构以及金属合金制成的基体。基体是 通过压缩以及扩散焊接将子结构225A和225B的金属部分，以及金属插入件260的金 属部分聚集在一起而产生的。