用于厚度大幅变化的复合材料部件的增强纤维结构

摘要

纤维结构(200)包含在三维编织或多层编织中互连的多层纬层(t1‑t34)和经层(C‑C12)，纤维结构(200)至少包括经向方向上相邻的第一部分和第二部分(203、204)，第一部分(203)垂直于经向和纬向方向上的厚度大于第二部分(204)的厚度。位于纤维结构(200)第一部分(203)的核心(2031)中的纬层(t13‑t22)包含编织束(10)。在包含编织束(10)的纬层(t13‑t22)各侧上延伸、并最远至第一部分(203)表层(2032；2033)的纬层(t1‑t12；t23‑t34)包含纱线或线(20；21；22)，编织束(10)的横截面大于纱线或线(20；21；22)的横截面。

说明书

背景技术

本发明涉及制造复合材料部件、特别是涉及通过三维(3D)编织或多层编织制造用于该部件的增强纤维结构。

本发明的一个应用领域是由结构复合材料(即，具有由基质进行致密化的纤维增强物的结构部件)制造部件。复合材料用于制造部件，所述部件的总重量小于由金属材料制造的相同部件。

更具体地说，本发明涉及复合材料部件，所述部件局部包括一个或多个厚度极厚的部分，例如航空发动机叶片的叶根，其对应于其中复合材料部件的厚度显著变化的区域。对于由复合材料制成的厚度变化的部件，控制在用于形成部件增强物的纤维结构中的厚度变化。

现已经提出建议，由复合材料制造涡轮发动机叶片。特别是参考由斯奈克玛公司(Snecma)和斯奈克玛动力部件公司(Snecma Propulsion Solide)联合提交的专利申请US2011/0311368。该申请描述了由复合材料制造涡轮引擎叶片，所述复合材料包含用基质致密化的纤维增强体，纤维坯件构成增强物，所述增强物由多层编织制成，并且包括形成翼面(airfoil)预制件的厚度小的第一部分、以及形成叶根预制件的厚度较大的第二部分。在该情况下，通过使用插入件制造叶根(root)预制件，以在对应于其根部的叶片部分中形成球泡形区域。

不过，用于形成叶根的技术使得叶片的工业制造更加复杂，并且增加其制造成本，因为其导致材料的大量损耗，并且需要会降低生产速率的困难操作。此外，复合材料制成的插入件需要进行致密化以及机械加工，由此导致额外的成本并潜在地导致部件不合格。

预制件的纺织品本身是松软的，并且与插入件以机械方式相互作用，这可以特别导致纺织品中发生剪切、插入件旋转、插入件和纺织品之间非互连等。

此外，发现难以对形成叶根的预制件部分进行模塑和致密化，特别是由于球泡形根的轮廓上的公差非常小(十分之一毫米级别)，并且因为考虑到叶根集中了施加到叶片上的大部分力，叶片该部分的机械性能方面的要求是很高的。

特别是，另一方法如文件US 7 101 154和US 2011/0311368中所述，包括增加纤维结构中厚度较厚部分中纱线的重量(并由此增加纱线的横截面)，以减少由于当3D纤维结构在压制下成型时厚度减小而引起的性能下降。不过，使用重量大的纱线局部地增加了预制件中的纤维分数。如果纤维分数太大，那么所获得的孔网络可能不足以使基质的成分良好地接近预制件的核心，并且因此可能不足以获得均匀且具有良好机械性能的复合材料。

本发明的目的和内容

因此，需要具有可获得的3D结构或多层纤维结构，其包括厚度较大的部分且不存在上述缺陷。

为此，本发明提供了一种用于增强由复合材料制成的部件的纤维结构，所述纤维结构包含以三维编织或多层编织互连的多层纬层和多层经层，纤维结构至少包括经向方向上相邻的第一部分和第二部分，第一部分在垂直于经向和纬向方向上的厚度大于第二部分的厚度，所述结构的特征在于，位于纤维结构第一部分核心中的纬层包含编织束，并且，在包含编织束的纬层的任一侧上延伸、并最远至所述第一部分表层(skin)的纬层包含纱线或线，编织束的截面大于纱线或线的截面。

如下文中更详细地说明，在纤维结构核心中使用编织束可以获得第一部分和第二部分之间的厚度的显著变化，同时控制第一部分核心中的纤维分数。此外，因为它们的编织结构和它们的管状形状，编织束使得基质的成分非常良好地渗透到纤维结构的核心中。

本发明的纤维结构完全是纺织品(即，没有添加任何插入件)，并且其纱线通过3D编织或多层编织互连，可以获得不会脱层的结构。

在本发明的第一具体方面中，第一部分和第二部分包含：在第一部分和第二部分之间连续编织的相同数量的经纱。存在于第一部分核心中的经纱层骤增(burst)，以使得第一部分中的经纱层数大于第二部分。第一部分在其核心中包含数个经纱层，其经纱层数大于存在于第二部分核心中的经纱层数。

由此，通过拆分第一部分核心中的经纱层(即，通过改变其数量)，能够控制第一部分核心中的纤维分数，同时保持整个纤维结构表层处的合适的经/纬比。例如，第一部分在其核心中包含数层经纱，其经纱层数等于存在于第二部分核心中的经纱层数的两倍。

在本发明结构的第二具体方面中，位于包含编织束的纬层附近的一层或多层纬层包含纱线或线，所述纱线或线的重量大于位于第一部分的表层中的纬层的纱线或线的重量。

这可以控制厚度变化的部分结构中的纤维分数。

在本发明结构的第三具体方面中，位于第一部分核心中的至少部分纬纱包含编织束或纱线或线，所述编织束或纱线或线的截面向着第二部分变小。

这也可以控制厚度变化的结构部分中的纤维分数。

在本发明结构的第四具体方面中，编织束具有约45°的编织角。45°的角度能够增加核心中的大孔网络，并由此改进结构被渗透的能力。

本发明还提供由包含通过基质致密化的纤维增强物的复合材料制成的部件，所述纤维增强物由本发明的纤维结构构成。

特别是，该部件可对应于涡轮叶片，纤维结构的第一部分构成纤维增强物的叶根部分。

本发明还提供通过在多层纬层和多层经层之间进行三维编织或多层编织制造纤维结构的方法，纤维结构至少包括经向方向上相邻的第一部分和第二部分，第一部分在垂直于经向和纬向方向上的厚度大于第二部分的厚度，所述方法的特征在于，编织束插入位于纤维结构第一部分核心中的纬层中，以及纱线或线用于在包含编织束的纬层的任一侧上延伸、并最远至所述第一部分表层的纬层，编织束的截面大于纱线或线的截面。

在本发明方法的第一具体方面中，第一部分和第二部分包含：在第一部分和第二部分之间连续编织的相同数量的经纱。存在于第一部分核心中的经纱层骤增，以使得第一部分中的经纱层数大于第二部分。第一部分在其核心中包含数层经纱，其经纱层数大于存在于第二部分核心中的经纱层数。例如，第一部分在其核心中可包含大量经纱，其经纱层数等于存在于第二部分核心中的经纱层数的两倍。

在本发明方法的第二具体方面中，位于包含编织束的纬层附近的一层或多层纬层包含纱线或线，所述纱线或线的重量大于位于第一部分表层中的纬层的纱线或线的重量。

在本发明方法的第三具体方面中，位于第一部分核心中的至少部分纬层包含编织束或纱线或线，所述编织束或纱线或线的截面向着第二部分变小。

在本发明方法的第四具体方面中，编织束具有约45的编织角。

附图的简要说明

本发明的其它特点和优势通过下文关于本发明具体实施方式的描述并参照附图而显而易见，所述具体实施方式以非限制示例的形式给出，附图中：

-图1是显示根据本发明实施方式用于制造航空发动机叶片的纤维结构的多层编织图解图；

-图2A至2X是以放大比例尺显示的用于图1纤维结构中厚度非常厚的部分中24个连续编织平面的纬向截面图；

-图3是由图1的纤维结构获得的叶片纤维预制件的图解透视图；以及

-图4是通过用基质对图4的预制件进行致密化获得的复合材料叶片的图解透视图。

具体实施方式

本发明以常规方式应用于制造适用于构成纤维增强物或预制件的纤维结构，所述纤维增强物或预制件用于制造复合材料部件(特别是航空发动机叶片)，并且，所述部件通过用基质对纤维结构进行致密化而获得。对于在较低温度下(通常至高为300℃)使用的复合材料，基质一般为树脂，或者对于热结构复合材料，基质是耐火材料，例如碳或陶瓷。

本发明的纤维结构可以通过三维编织或多层编织获得。

本文所用的术语“三维编织”或“3D编织”是指一种编织技术，其中，至少部分经纱与多个纬层上的纬纱互连。

本文所用术语“多层”编织是指3D编织，其中多层纬层具有各层中等同于常规2D织法的基本织法(例如，平针型织法、缎纹型织法、斜纹型织法)，但是编织的某些点与纬层互连在一起。

通过3D编织或多层编织制造层结构能够在进行单个纺织操作的同时获得层之间的连接，并由此对于纤维结构和对于所获得复合材料部件具有良好机械强度。

优选在致密化后便于获得没有主要不规则性的表面状态，即良好的完成状态(finishing state)，以避免或限制通过机械加工的精加工操作(finishing operation)，或避免在树脂基质复合材料中形成树脂囊。为此目的，在具有内部部分或核心、以及外部部分或表层(其与纤维结构外侧表面相邻)的纤维结构中，优选使用平针型织法、缎纹型织法、或斜纹型织法制造表层，以限制表面不规则性，并且缎纹型织法额外获得光滑的表面外观。用于表层的织法可以在纤维结构外侧表面改变，以赋予所需具体性能，例如，通过由有利于紧密互连的平针型织法变为有利于光滑表面状态的缎纹型织法赋予所需具体性能。

根据本发明，为了在纤维结构中形成厚度较厚区域、同时控制该区域中的纤维分数，编织束用于在纤维结构的核心中进行编织。在核心和表层之间以及/或者在经纱和纬纱之间不同重量的纱线和线也可以用于获得所需范围内的经向纤维体积分数和纬向纤维体积分数之间的比例。

为了在由复合材料制成的部件中获得机械性能而且使得不均匀性尽可能少，还优选在纤维结构核心和其表层之间以尽可能小的致密化梯度对增强纤维结构进行致密化，特别是当通过化学气相渗透法(CVI)进行致密化时尤为如此。为此目的，为了有助于接近预制件的核心，可以使用互锁编织在核心中进行编织，这在多层织物之间提供了方便的连通。

本文所用术语"互锁编织"指的是3D编织，其中各经层与多层纬层互连，而相同经列中的所有纱线在编织平面中同样地移动。

还可以使用不同织法通过多层编织制造核心和表层，特别是在核心中使用缎纹型织法并且在表层中使用平针型或斜纹型织法进行制造。

还可以改变核心部分中的三维编织，例如通过组合不同的互锁编织、或者通过组合互锁编织和多层编织、或者实际通过组合不同的多层编织进行改变。还可以沿着外侧表面改变表层中的编织。

可能需要改变用于编织纤维结构的纱线或线的重量(即，横截面)，特别是通过在核心和表层之间以及/或者在经向和纬向之间使用重量不同的纱线或线进行改变。当进行CVI致密化时，减小核心和表层之间重量有利于气体穿过表层到达核心。还可以对重量进行选择，以获得所需范围内的经向纤维体积分数和纬向纤维体积分数之间的比例。

还可能需要在纤维结构的不同部位、特别是在核心和表层中使用不同化学性能的纱线，以为所获得的复合材料部件赋予特定性能，特别是在承受氧化或磨损能力方面不同的性能。

因此，对于具有耐火纤维增强物的热结构复合材料部件，可以使用在核心具有碳纤维且在表层具有陶瓷纤维(例如，碳化硅(SiC)纤维)的预制件，以在复合部件的表层部分中增加复合部件的耐磨损性和耐氧化性。

根据本发明的纤维结构的实施方式如下所述。在该实施方式中，在提花织机(Jacquard type loom)上进行编织。

图1是形成航空发动机叶片的纤维增强物的纤维结构200的图解图。

纤维结构200是以已知方式在提花织机上通过三维(或3D)编织、或者通过多层编织获得的，所述提花织机具有设置为多层的一束经纱或线201，所述经纱与类似地设置为多层的纬层202进行互连，部分纬层包含编织束，如下文详细描述。形成航空发动机叶片的纤维增强物的纤维预制件的具体实施方式尤其在文件US 7 101 154、US 7 241 112和WO2010/061140中进行了详细描述，其内容通过引用的方式纳入本文。

将纤维结构200编织为大体上沿着方向X延伸的条带，所述方向X对应于待制造的叶片的纵向方向。纤维结构具有变化的厚度，所述厚度由待制造的叶片的翼面轮廓的纵向厚度的函数确定。在形成叶根预制件的部分中，纤维结构200具有厚度极厚的部分203，所述厚度由待制造的叶片的叶根厚度的函数确定。纤维结构200由形成叶片柄脚(tang)的厚度减小的部分204延伸，随后由形成叶片的翼面的部分205延伸。部分205具有垂直于方向X的方向上的轮廓，所述轮廓的厚度在形成待制造叶片前缘的轮廓边缘205a和形成待制造叶片后缘的轮廓边缘205b之间变化。

将纤维结构200编织为单个部件，并且在切除非织造纱线后，需要呈现近乎最终尺寸的叶片，即，其“净形状”。为此目的，在厚度变化的纤维结构部分中，如厚度减小的部分204中，通过在编织期间逐渐去除纬层获得预制件的厚度减小。

在下文以及全部附图中，根据习惯并为了方便，所述和所示的经纱从其路径偏斜，从而连接纬层或多个纬层的纱线或编织束。不过，经纬间的作用可相互反转，并且也应理解为被本发明权利要求书所覆盖。

图2A至图2X显示通过3D编织获得的纤维结构200中厚度极厚的部分203和厚度减小的部分204的24个连续编织平面的一部分，纬层在截面中是可见的。

在厚度极厚的部分203中，纤维结构200包括17层纬层，即t1至t34的34层半层。在位于相反的表层2032和2033之间的核心2031中，3D编织是互锁型的。在表层2032和2033中，编织是用不规则缎纹型织法的二维编织。缎纹织法仅施加在纬向半层t1和t2以及纬向半层t33和t34。应当注意到，核心的互锁3D编织延伸至表层的末端半层t1和t34，以连接这些半层和核心的半层。

在厚度减小的部分204中，逐渐去除纬层，以实现与形成叶片翼面的部分205相匹配的纬层层数。在如图2A至2X所示的厚度减小的部分204的区域中，纤维结构包括15层纬层，即t3至t32的30层半层。在位于相反的表层2042和2043之间的核心2041中，3D编织是互锁型的，而表层2032和2033中，编织是用不规则缎纹型织法的二维编织，所述不规则缎纹型织法仅施加在纬向半层t3和t4以及纬向半层t31和t32。

根据本发明，编织束用于最接近纤维结构200中厚度极厚的部分203的核心的纬层。在现在所述的示例中，编织束用于半层t13至t22。例如，各编织束可以由八根纱线构成，每根纱线的重量为500K(500根纤丝)，这些纱线可以在由并列排列的两根纱线(各自同样重量同样为500K)构成的编织束核心周围进行编结。在该情况下，编织束的直径或截面为1.5毫米(mm)，纱线的编织角可以使其能够获得总截面大于存在于编织束中纱线截面总和的编织束。在编织束中使用的纱线的性能和/或重量可以不同。

将编织束10插入纤维结构核心中的纬层能够显著增加纤维结构的厚度，同时控制核心中的平均纤维分数，当使用大重量的纱线时，这是不能实现的。特别是，通过在结构核心中使用大重量的纱线，这确实能够局部增加结构的厚度，但是这会导致核心中平均纤维分数增加，这不能与所需的机械性能匹配。当核心中的平均纤维分数过高时，不能获得足以提供基质成分良好进入纤维结构核心的孔网络。随后，核心中存在的基质量不足，这意味着不能获得以均匀方式具有所需机械性能的复合材料部件。

这个问题通过使用编织束解决，这是因为编织束的较大横截面和其保留其管状结构(编织束不是扁平的，而是被编织在纤维结构中)的能力用于增加纤维结构局部厚度，同时限制平均纤维分数的增加。由此，获得纤维结构，在对该结构进行致密化的同时，在纤维结构厚度较厚的部分中提供了基质成分非常良好地进入核心。

如图2A至2X所示，在该示例中，在厚度较厚的部分203中使用与厚度减小的部分204中相同数目的纬纱。为此目的，存在于厚度较厚的部分203的核心中的经纱层骤增，以使得厚度较厚的部分203中的经纱层数大于厚度减小的部分204中。由此，存在于厚度较厚的部分203的核心中的经纱层具有小于厚度减小的部分204中的经纱层数的计数。本文中使用的术语“计数”是指在纬向方向和经向方向中单位长度的纱线数目。

在现述实施方式中，纤维结构用经纱C1至C12的12层进行编织。存在于结构200核心中的经纱层C6和C7在厚度较厚的部分203中各自骤增为两层C61和C62、以及两层C71和C72。层C61、C62或C71、C72的计数为厚度减小的部分204中层C6或C7的计数的一半。该在存在于厚度较厚的部分203和厚度降低的部分204之间的经纱层中的计数变化可以控制部分203的核心纤维分数。仅在结构核心中的该计数变化能够保持结构表层中令人满意的经/纬比，例如，约为50％的经/纬比。这在所获得部分的表面上提供了良好的机械强度。

为了控制厚度较厚的部分203中核心和表层之间的平均纤维分数，位于具有编织束的纬层附近的纬层包含包含纱线或线，所述纱线或线的重量大于位于厚度较厚的部分203的表层中的纬层的纱线或线的重量。在现述示例中，存在于纬半层t13至t22任一侧上的纬半层t9至t12和t23至t26包含编织束10，所述编织束10在经向方向上的确定长度上包括纱线21和22，所述纱线20和21的重量大于位于部分203表层的半层t1至t8和t27至t34中的纱线20的重量。

此外，为了控制对应于厚度较厚的部分203的末端和厚度减小的部分204的开端之间一段的区域203a(即，纤维结构的厚度开始减小的区域)中的纤维分数，开始减少存在于纤维结构核心中的纬层所用的编织束数目和/或编织束截面和/或纱线。在现述示例中，存在于厚度较厚的部分203中的纬半层t13至t22中的编织束10在经向方向上逐步由线或纱线21或22替代，所述线或纱线21或22的重量对应于小于编织束10截面的截面。然后，线或纱线21或22由纱线20替代，纱线20具有与存在于厚度减小的部分204中和纤维结构表层中的纬纱24相同的重量。同样，在纬半层t9至t12和t23至t26中，纱线或线21在经向方向上逐步由纱线或线22、或者较小截面的纱线20替代。

本发明的纤维结构可以进行编织，特别是、但不限于：使用由碳纤维、陶瓷纤维(例如碳化硅纤维)、或氧化物纤维(例如氧化铝纤维)制成的纱线进行编织。

一旦纤维结构200已经进行编织，则切除非编织纱线。这能够生产如图3所示的纤维预制件100，所述预制件编织为单个部件。

随后，纤维预制件100进行致密化，以形成如图4所示的复合材料叶片10。对形成待制造部件的纤维增强物的纤维预制件进行致密化包括通过用构成基质的材料填充所述预制件的孔的部分或全部容积。该致密化可以已知的方式使用液体技术或气体技术(CVI)、或实际上接连使用这两种方法进行。

液体技术在于用含有基质材料的前体的液体组合物浸渍所述预制件。所述前体通常是聚合物形式，例如可以在溶剂中进行稀释的高性能环氧树脂。预制件放置在可以密封方式封闭以留下具有最终模塑叶片形状的腔体的模具中。随后，封闭所述模具并在整个腔体中注入基质的液体前体(例如，树脂)，从而浸渍预制件的全部纤维部分。

在消除全部溶剂并固化聚合物之后，在预制件继续保持在形状与待制备的部件的形状相匹配的模具中的情况下，通过热处理(通常通过对模具进行加热)，将前体转化成基质，即，其使其进行聚合。

当由碳或陶瓷形成基质时，所述热处理包括对前体进行热解以根据所用前体和热解条件将基质转变成碳或陶瓷基质。例如，陶瓷(尤其是SiC)的液体前体可以是聚碳硅烷(PCS)型、或含钛聚碳硅烷(PTCS)型、或聚硅氨烷(PSZ)型的树脂，而碳的液体前体可以是相对高焦炭含量的树脂，例如酚型树脂。可以进行从浸渍到热处理的多个连续循环，从而实现所需的致密化程度。

在本发明的一个方面中，并且特别是当形成有机基质时，纤维预制件可以通过已知的树脂传递模塑(RTM)法进行致密化。在RTM法中，纤维预制件放置在具有待制造部件外侧形状的模具中。将热固型树脂注入包括纤维预制件的模具的内部空间中。通常在树脂注入的位置和用于排放树脂的孔之间的内部空间中建立压力梯度，以及控制并优化用树脂对预制件的浸渍。

也可以已知的方法使用气体技术通过基质的化学气相渗透(CVI)对纤维预制件进行致密化。将与待制备的叶片纤维增强物对应的纤维预制件放置在容纳了反应气体混合物的烘箱中。不同于针对导致仅材料表面处沉积的化学气相沉积(CVD)法的压力和温度，选择存在于烘箱内的压力和温度以及气相的组成以使所述气相能在所述预制件的孔中进行扩散，从而通过将固体材料沉积在与纤维接触的材料核心中形成基质，所述固体材料是气体相分解得到的一个成分的结果或多个成分之间反应得到的结果。

SiC基质可以由通过分解提供SiC的甲基三氯硅烷(MTS)形成，而碳基质可以使用通过裂解提供碳的烃气体例如甲烷和/或丙烷获得。

也可使用组合了液体技术和气体技术的致密化，以便于施工、限制成本和限制制造周期，同时仍然获得对于预期用途而言令人满意的特性。

上述致密化方法可以由本发明的纤维结构开始，主要生产由有机基质复合物(OMC)材料、碳基质(C/C)材料、以及陶瓷基质复合物(CMC)材料制造的部件。

当制造氧化物/氧化物复合材料部件时，用填充有耐火氧化物颗粒的浆料(slip)浸渍纤维结构。在消除浆料的液相之后，对所获得的预制件进行热处理，以烧结颗粒并获得耐火氧化物基质。可以通过使用压力梯度的方法，例如RTM注塑型方法，或通过抽吸亚微米粉末的“APS”型方法，对结构进行浸渍。

在进行致密化后，获得复合材料叶片10，如图4所示，所述复合材料叶片10具有：叶根103、以及由纤维结构200的部分205形成的翼面105，所述叶根103在通过纤维结构200中厚度较厚的部分203形成的底部中，并且由通过结构200的厚度减小的部分204形成的柄脚104进行延伸。

本发明的纤维结构和其制造方法特别可用于制造形状比图4所示叶片更复杂的涡轮发动机叶片，除了如图4所示的叶片之外，所述涡轮发动机叶片还包括用于执行功能(例如，密封气体流动通路、防止倾斜等)的一个或多个平台。