專利名稱：用于金屬基質(zhì)復(fù)合材料的繞絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料(“MMC”)以及制備這些復(fù)合材料的方法和裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及為了制備固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料部件而將軟化的金屬滲透纖維束直接繞絲。
背景技術(shù)：
用于航空航天和飛機應(yīng)用的下一代高技術(shù)材料需要具有高耐溫性、高剛度和高強度。由疊層金屬基質(zhì)復(fù)合材料制備的部件和由單塊材料制備的不同，它有潛力滿足這些要求，因而顯著提升了設(shè)計人員滿足所要求的高溫、結(jié)構(gòu)強度和剛性規(guī)格同時使重量最輕的能力。
這些類型的疊層金屬基質(zhì)復(fù)合材料通常在金屬基質(zhì)比如鋁中，具有較長的連續(xù)長度的強化纖維材料，比如氧化鋁。連續(xù)纖維金屬基質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)通?？梢酝ㄟ^將熔融的基質(zhì)金屬澆鑄到含有纖維預(yù)制體的模具中進行制備?？梢圆捎眉訅浩仁够|(zhì)金屬包裹纖維。在這種方法中采用的澆鑄模具價格昂貴，而且隨著模具尺寸增加成本顯著上升。
人們已經(jīng)通過在心軸上纏繞預(yù)成形的纖維強化鋁帶來制備纖維強化的金屬基質(zhì)復(fù)合管或圓柱。通過在金屬基質(zhì)復(fù)合帶的一側(cè)提供釬焊層并在所述帶纏繞在心軸上時將相鄰的帶層相互釬焊在一起，由此連接被鋪設(shè)的(laid-down)帶并將其立刻固化，使所述纏繞的金屬基質(zhì)復(fù)合帶和相鄰帶層固化在一起以形成圓柱。所得的復(fù)合管通常提供了含強化纖維的基質(zhì)金屬層以及釬焊材料層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般涉及固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，以及通過在心軸上纏繞軟化的金屬滲透纖維束制備固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的裝置和方法。軟化的金屬滲透纖維束中的金屬可以部分或全部是熔融的。覆蓋心軸上的軟化的金屬滲透纖維束的金屬互相混合并固化，從而在滲透纖維束之間形成基本沒有孔隙的結(jié)合。在冷卻時，基質(zhì)金屬在滲透纖維周圍固化，從而得到固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。所得的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料具有其中基質(zhì)金屬基本連續(xù)而且基本無孔隙的主體部分。
本發(fā)明的一些實施方案包括用于纏繞軟化的金屬基質(zhì)滲透纖維的裝置，其中所述裝置包括滲透單元、金屬浴和旋轉(zhuǎn)心軸。滲透單元將軟化的金屬滲透纖維束從金屬浴供給旋轉(zhuǎn)心軸，以形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。在其它實施方案中，滲透單元可以進一步包括超聲波導(dǎo)。在另外的實施方案中，滲透單元的至少部分可以浸沒在金屬浴中。而且，旋轉(zhuǎn)心軸可以至少部分浸沒在所述金屬浴中。金屬浴可以包括熔融金屬狀的基質(zhì)金屬。在其它實施方案中，所述裝置可以包括位于滲透單元和旋轉(zhuǎn)心軸之間的模子。另外，本發(fā)明可以包括至少一個靠近所述模子出口部分的出口輥(exit roller)。
在有些實施方案中，旋轉(zhuǎn)心軸的橫截面形狀可以是包括但不限于環(huán)形、卵形、橢圓形、三角形、矩形、方形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形、以及其它封閉面積的幾何形狀。而且，旋轉(zhuǎn)心軸可以具有成形端部，其適于在所得金屬基質(zhì)復(fù)合圓柱上形成封閉的端部。在其它實施方案中，旋轉(zhuǎn)心軸可適于沿著和旋轉(zhuǎn)心軸的旋轉(zhuǎn)軸平行方向移動。另外，滲透單元可適于沿著相對旋轉(zhuǎn)心軸的旋轉(zhuǎn)軸的任何方向(包括平行)移動。在其它實施方案中，滲透單元可以相對心軸旋轉(zhuǎn)。
在其它實施方案中，可以取消滲透單元，而且金屬基質(zhì)滲透纖維束可以以金屬基質(zhì)復(fù)合帶的形式提供，所述金屬基質(zhì)復(fù)合帶是橫截面形狀確定的金屬滲透纖維束。
本發(fā)明還包括制備固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法。在一些實施方案中，制備固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法包括提供軟化的金屬滲透纖維束以及將所述軟化的金屬滲透纖維束層疊到旋轉(zhuǎn)心軸上以形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的步驟。在其它實施方案中，本方法可以包括用金屬滲透纖維束以制備軟化的金屬滲透纖維束的步驟。層疊步驟可以進一步包括將軟化的金屬滲透纖維束層疊在旋轉(zhuǎn)心軸端部的步驟。在其它實施方案中，本方法還可以包括通過加熱基質(zhì)金屬形成所述軟化的金屬滲透纖維束的步驟。
在其它實施方案中，本方法還可以包括在所述層疊步驟之前使所述軟化的金屬滲透纖維束通過模子的步驟。本方法還可以包括控制所述軟化的金屬滲透纖維束中的軟化的金屬的量的步驟。
本方法還可以包括將所述軟化的金屬滲透纖維束安置在旋轉(zhuǎn)心軸上的步驟，其中所述軟化的金屬滲透纖維束和旋轉(zhuǎn)心軸的接近角為大約0-大約180度。接近角可以是大約90度。本方法還可以包括在層疊步驟期間改變和旋轉(zhuǎn)心軸所成的接近角的步驟。本方法可以進一步包括橫向移動所述旋轉(zhuǎn)心軸的步驟。
另外，本發(fā)明包括固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，該材料的主體部分具有壁，所述壁限定了通過其延伸的孔。在所述壁的全部空間里，所述壁包括基本均勻分散在基質(zhì)金屬中的連續(xù)纖維。另外，金屬基質(zhì)在所述壁的全部空間里基本連續(xù)，而且所述壁具有不平整的外表面。
在有些實施方案中，主體部分的形狀可以是包括但不限于圓柱形、漸細圓柱形、球形、卵形、立方體形、矩形實心體、多變形實心體、板形和盤形。主體部分的橫截面形狀可以是包括但不限于圓形、卵形、橢圓形、三角形、矩形、方形、規(guī)則多邊形和不規(guī)則多邊形。主體部分可以具有封閉的端部。
另外，纖維可以在主體部分中被設(shè)置成互相大致平行。在其它實施方案中，連續(xù)纖維可以包括纖維束，其中至少部分纖維束以某角度重疊。所述角度可以從大于約0度到小于約180度。所述角度可以進一步從大約35度到大約145度。所述纖維可以包括但不限于碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玻璃纖維、石英纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維、金屬纖維和其組合?；|(zhì)金屬可以包括各種金屬和金屬合金。有些金屬可以包括但不限于鋁、鎂、鈦、銀、金、鉑、銅、鈀、鋅、包括這些金屬的合金以及一種或多種這些金屬的組合。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方案的繞絲裝置示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方案的模子的透視圖。
圖3是圖2的模子的剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施方案的模子的出口部分透視圖。
圖5是繞絲裝置的另一實施方案的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施方案的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的透視圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的透視圖。
圖8是圖7所示固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的剖面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一般涉及將軟化的金屬滲透纖維束纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸上，在此重疊的軟化的金屬滲透纖維束的金屬互相混合并固化形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。所述軟化的金屬是滲透纖維束的基質(zhì)金屬，它處于熔融狀態(tài)或者處于使所述基質(zhì)金屬可以在最小的力作用下變形并和相鄰金屬基質(zhì)滲透纖維束固化的溫度。
所得的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以具有多種橫截面幾何形狀。固化金屬基質(zhì)復(fù)合材料的形狀可以包括各種尺寸和形狀的管形和圓柱形，以及其它。這些管子和圓柱可以用來制備制品，比如管道、導(dǎo)管、進料通道、壓力容器、存儲罐、燃料罐、高爾夫球棒的柄和桿部、以及為數(shù)眾多無法一一提及的其它采用這些形狀的制品。本發(fā)明還考慮制備平板金屬基質(zhì)復(fù)合材料。本發(fā)明的方法和裝置不需要在這些工藝中常用的模具和相關(guān)工具，因而明顯降低了固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。
現(xiàn)在參見圖1，示出了用于制備根據(jù)本發(fā)明實施方案的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的繞絲裝置，該裝置通常用附圖標(biāo)記100表示。繞絲裝置100一般包括含有金屬浴120的爐子110、便于使基質(zhì)金屬潤濕并滲透到一個或多個纖維束132的纖維束滲透單元130、任選的模子140、和將軟化的金屬滲透纖維束134繞成所需幾何形狀的旋轉(zhuǎn)心軸150。滲透一般是指用基質(zhì)金屬包圍纖維束中的單個纖維，使得在滲透的纖維束中空隙最小或者基本沒有。
一般而言，可以采用任何類型的可以承受處理溫度、和選中的軟化的金屬或熔融金屬接觸并保持纖維的某些性質(zhì)的纖維。優(yōu)選，該纖維使所得金屬基質(zhì)復(fù)合材料的機械和/或物理性質(zhì)比單獨基質(zhì)金屬的高。取決于選中的基質(zhì)金屬，示例性纖維包括但不限于碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玻璃纖維、石英纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維、金屬纖維和其組合。
用于形成基質(zhì)的金屬或金屬合金，即基質(zhì)金屬，沒有特殊限制，只要該基質(zhì)金屬能夠在用于形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的加工條件下滲透所選的纖維束并不破壞所選纖維即可。取決于所選纖維，可能的基質(zhì)金屬包括但不限于鋁、鎂、銀、金、鉑、銅、鈀、鋅，包括其合金和組合。
如圖1所示，繞絲裝置包括含有金屬浴120的爐子110。金屬浴120包括將變成所得固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的基質(zhì)金屬的金屬。爐子110應(yīng)該能夠維持使至少部分用于形成金屬浴120的金屬液化的溫度。爐子的大小并不重要，可以變化很大。在有些實施方案中，如圖1所示，爐子110的大小可以大到足以使纖維滲透單元130和旋轉(zhuǎn)心軸150的部分可以浸沒在金屬浴120中。
滲透單元130適于促進基質(zhì)金屬潤濕并滲入一個或多個纖維束132。滲透單元130可以包括聲波處理器160，比如超聲處理器。聲波處理器160便于使金屬浴120中的金屬潤濕并滲透到纖維束132中。聲波處理器160可以包括波導(dǎo)162，用于使聲能定向。聲波處理器可以是多種市售可得裝置之一。波導(dǎo)162應(yīng)該能夠承受金屬浴120的條件。波導(dǎo)162可以由多種材料，比如鈦、鈮和其合金制備。頻率范圍和能量輸出可以可變調(diào)節(jié)，具體取決于因素比如基質(zhì)金屬、待滲纖維類型、以及纖維和纖維束的尺寸、形狀和數(shù)量。在有些實施方案中，波導(dǎo)162可以被雙壁冷卻室包圍，該冷卻室允許通過其進行連續(xù)氣體吹掃。聲波處理器160優(yōu)選和用于調(diào)節(jié)波導(dǎo)162位置的定位設(shè)備164連接。定位設(shè)備164允許升高和降低波導(dǎo)162，以使波導(dǎo)162和纖維束132之間的距離可以改變。在有些實施方案中，波導(dǎo)162的部分可以定位在金屬浴120表面附近或下面。
纖維或纖維束132應(yīng)該被定位在波導(dǎo)162附近，以使纖維被來自金屬浴120的金屬滲透。如果纖維和波導(dǎo)的位置不夠靠近，則纖維可能不會完全被來自金屬浴的金屬滲透。
為了在滲透過程中輔助處理和定位纖維束132，可以提供一系列輥確定纖維束的方向并將其導(dǎo)入金屬浴以及使纖維束在波導(dǎo)162附近通過或跨過波導(dǎo)162。在圖1所示實施方案中，可以采用初級纖維導(dǎo)向器170從纖維供應(yīng)源接收纖維束132，并首先確定該纖維或纖維束的方向?？梢蕴峁├w維定向?qū)蚱?72以進一步確定纖維束的方向并使其定位。在有些實施方案中，纖維定向?qū)蚱?72可以是輥，該輥在其周圓周上含有一系列的溝槽，這些溝槽的尺寸經(jīng)設(shè)計以接收和定位纖維或纖維束。溝槽有助于保持纖維在纖維定向輥上的位置，使得在操作過程中纖維不會橫跨纖維定向輥橫向移動。而且，可以在金屬浴中以及波導(dǎo)附近或橫跨波導(dǎo)的位置上采用一個或多個滲透導(dǎo)向器以導(dǎo)向該纖維束。第一滲透導(dǎo)向器174可以定位在滲透單元的輸入側(cè)130a附近。第二滲透導(dǎo)向器176可以定位在滲透單元的輸出側(cè)130b附近，以使波導(dǎo)162被定位在第一滲透導(dǎo)向器174和第二滲透導(dǎo)向器176之間。初級纖維導(dǎo)向器170、纖維定向?qū)蚱?72、和滲透導(dǎo)向器174和176可以是輥、圓筒、彎曲表面或其它類似導(dǎo)向器。優(yōu)選，導(dǎo)向器經(jīng)配置以使導(dǎo)向器表面有利于纖維橫跨導(dǎo)向器移動以及在纖維橫跨導(dǎo)向器移動時減少纖維斷裂。
如圖1所示，可以在滲透單元130的輸出側(cè)130b附近設(shè)置任選的模子140。模子140可用于使?jié)B透纖維束成形并可以控制伴隨纖維束的基質(zhì)金屬的量。模子140的位置可以根據(jù)應(yīng)用而變。模子可以位于金屬浴120之上、部分浸沒、或者完全浸沒于其中。模子140可以連接模子定位設(shè)備，該定位設(shè)備可以垂直和水平調(diào)整模子的位置。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，更詳細示出了模子140的實施方案。在該實施方案中，模子140包括延伸通過模子主體143的模子開口142，它使?jié)B透纖維束變成所需形狀。模子開口142可以具有各種幾何形狀，包括但不限于卵形、圓形、橢圓形、三角形、多邊形、不規(guī)則多邊形、或者其它封閉面積的幾何形狀。為了便于纖維束的處理，模子開口具有釋放邊(relieved edges)或者曲邊144。優(yōu)選，模子開口的邊緣成圓角狀。該邊緣的半徑?jīng)]有特殊限制。優(yōu)選，該邊緣的半徑足以降低纖維由于和模子開口接觸而斷裂的可能性。
圖3示出了圖2所示模子140的水平橫截面。模子140可以包括具有圓角形模子邊緣144的模子開口142，后面的接觸面(land)部分146，接觸面部分146確定纖維束的形狀并相對控制伴隨該纖維束的基質(zhì)金屬的量。模子140的接觸面部分146可用于控制金屬基質(zhì)復(fù)合材料中纖維束的尺寸和纖維體積百分比。模子出口148的邊緣可以任選是圓角形。模子開口142和接觸面部分146可以是在用來形成模子140的材料的配合部分中形成的溝槽。
模子應(yīng)當(dāng)用當(dāng)暴露到金屬浴和滲透纖維束中時能夠保持其形狀和結(jié)構(gòu)完整性的材料構(gòu)建而成。對于許多應(yīng)用而言，模子可以由石墨、金屬或合適的陶瓷或耐火材料制成。
現(xiàn)在參見圖4，示出了模子140的出口部分。在該實施方案中，模子出口148靠近一個或多個模子出口導(dǎo)向器或輥。在圖4所示實施方案中，在模子出口148的每一側(cè)提供了垂直出口輥149a和149b。出口輥149a和149b有助于將滲透纖維束從模子400轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)心軸。同樣，水平出口輥也可以單獨采用或者和垂直出口輥組合使用。出口輥的角度和取向可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)心軸的形狀、位置以及移動方向而變。出口輥應(yīng)該由當(dāng)暴露到金屬浴和滲透金屬束的條件時能夠保持其形狀和結(jié)構(gòu)完整性的材料制成。就上述模子而言，對于許多應(yīng)用，輥可以由石墨、金屬或合適陶瓷或耐火材料制備。
現(xiàn)在參見圖1，可以在滲透單元130的輸出側(cè)130b附近提供旋轉(zhuǎn)心軸150并使其定位以從滲透單元130接收軟化的金屬滲透纖維束134。旋轉(zhuǎn)心軸150可以定位在金屬浴120上方、部分浸沒或者完全浸沒于其中。為了確定旋轉(zhuǎn)心軸150的位置，可以將旋轉(zhuǎn)心軸和旋轉(zhuǎn)心軸定位設(shè)備相連。在有些實施方案中，旋轉(zhuǎn)心軸150經(jīng)定位以使旋轉(zhuǎn)心軸150的旋轉(zhuǎn)軸大約垂直于從纖維滲透單元130或模子140出來的滲透纖維束的主軸。通過采用任何已知機構(gòu)，比如線性運動馬達來提供對金屬基質(zhì)復(fù)合材料的疊層控制，可以使旋轉(zhuǎn)心軸150沿著相對于旋轉(zhuǎn)軸平行的方向移動。任選地，模子140和滲透單元130可以在和旋轉(zhuǎn)心軸的旋轉(zhuǎn)軸平行的軸上移動。
心軸150可以具有各種橫截面形狀，包括但不限于圓形、卵形、橢圓形、方形、三角形、矩形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形、平面和其它類似橫截面。任選地，心軸152一端可以具有成形表面，其用于在繞絲過程中形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的封閉端。心軸150可以由不會被基質(zhì)金屬明顯潤濕而且基本上對基質(zhì)金屬和纖維束成化學(xué)惰性的任何合適材料制備。心軸優(yōu)選能夠承受金屬浴的操作溫度，熱膨脹系數(shù)比所得固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的大或者相等。心軸的強度應(yīng)該足以為疊層的或定位的金屬滲透纖維束以及所得固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料提供支持。對于許多應(yīng)用而言，心軸可以由石墨、金屬、或合適陶瓷或耐火材料制備。心軸優(yōu)選被構(gòu)造成允許通過例如開縫、拆卸、坍塌、切除或溶解心軸來去除固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
現(xiàn)在參見圖5，示出了繞絲裝置的可替換實施方案，附圖標(biāo)記為200。在該實施方案中，可以通過將預(yù)滲透的金屬基質(zhì)復(fù)合材料帶或絲232拖過金屬浴120和任選的模子140并隨后纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸150上來取消滲透單元。通過將預(yù)滲透的金屬基質(zhì)復(fù)合材料232拖過金屬浴120，基質(zhì)金屬被軟化以形成軟化的金屬滲透纖維束234，從而可以在旋轉(zhuǎn)心軸150上固化。
為了示例而不是限制本發(fā)明，將描述根據(jù)本發(fā)明實施方案用于通過繞絲形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法。該方法可以通常包括將軟化的滲透纖維束纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸上，在此基質(zhì)金屬被軟化并處于一旦纏繞則使相鄰滲透纖維束中的基質(zhì)金屬相互混合的狀態(tài)，從而形成在重疊的滲透纖維束之間基本沒有空隙的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。一旦冷卻，基質(zhì)金屬則固化，并可以從心軸上去除所得的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
現(xiàn)在參見圖1，纖維束132可以連續(xù)供給滲透單元130并浸入金屬浴120中。金屬可以在滲透之中和/或之前進行脫氣處理，以降低軟化的金屬中的氣體比如氫氣的量。在纖維進入或離開金屬浴的地方，可以有利地在入口點周圍提供惰性氣體比如氮氣或氬氣，使得在金屬浴表面上形成最少的金屬氧化物膜。當(dāng)纖維進入或離開金屬浴時，所述膜可能被被纖維揭開，導(dǎo)致在滲透纖維束或者固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料中形成缺陷。
當(dāng)纖維束穿過滲透單元130時，纖維靠近波導(dǎo)162穿過。波導(dǎo)162引導(dǎo)超聲能穿過纖維和纖維周圍的金屬。金屬潤濕纖維使得纖維束中的每個獨立纖維基本上被金屬包圍或封裝(優(yōu)選不留下空隙或留下最小的空隙)，并形成軟化的金屬基質(zhì)基質(zhì)滲透纖維束134。
隨后，可以將軟化的金屬滲透纖維束134拖過模子140，以確定滲透纖維束的形狀并控制滲透纖維束的纖維體積百分比。盡管模子140提供了上述某些優(yōu)點，但是模子140可以省略。
為了將纖維拖過裝置100，可以將纖維束固定到旋轉(zhuǎn)心軸150上。當(dāng)心軸150旋轉(zhuǎn)時，滲透纖維束134被拖過模子140或者從滲透單元130拖過并放置到旋轉(zhuǎn)心軸150上，同時滲透纖維束134中的金屬保持為軟化狀況。金屬的軟化狀況可以是處于完全或部分熔融狀態(tài)的金屬。心軸150的旋轉(zhuǎn)控制著滲透纖維束134被拖過裝置100的速度。滲透纖維束和心軸旋轉(zhuǎn)軸的接近角可以從大于約0度到小于約180度。這可以通過將滲透單元130和任選的模子140相對于心軸150的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)?？商鎿Q地，可以使心軸150單獨或與滲透單元130以及任選的模子140組合旋轉(zhuǎn)。通過控制心軸150的轉(zhuǎn)速以及心軸150沿著旋轉(zhuǎn)軸移動的速率，可以在無需使?jié)B透單元130轉(zhuǎn)動或者心軸150旋轉(zhuǎn)的情況下改變接近角。如圖4所示，當(dāng)和旋轉(zhuǎn)心軸150的接近角從90度移動時，在出口148每側(cè)的輥149a和149b是有利的。輥有助于防止纖維摩擦模子出口148的邊緣，因而降低了纖維在被纏繞到旋轉(zhuǎn)心軸150時斷裂的可能性。
當(dāng)心軸150旋轉(zhuǎn)時，軟化的金屬滲透纖維束可以以預(yù)定圖案層疊到心軸上，以足量層數(shù)覆蓋心軸表面。滲透纖維束層疊圖案可以變化很大，可以通過旋轉(zhuǎn)心軸的移動以及通過使?jié)B透單元和模子單獨旋轉(zhuǎn)或者與心軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)合而進行控制。在某些實施方案中，旋轉(zhuǎn)心軸沿著和心軸的旋轉(zhuǎn)軸平行的方向移動，以提供對在心軸上層疊滲透纖維束的控制。在滲透纖維束的層疊過程中，旋轉(zhuǎn)心軸沿著旋轉(zhuǎn)軸移動的距離和速度與心軸轉(zhuǎn)速之間的相對關(guān)系，可以確定纖維在所得固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料中的取向。滲透纖維束的層疊取向包括但不限于圍繞旋轉(zhuǎn)軸的圓形或環(huán)形，或者獲得編織外觀的螺旋圖案。
可替換地，可以使模子140和滲透單元130移動和轉(zhuǎn)動以改變滲透纖維束的接近角，而不是使旋轉(zhuǎn)心軸150沿著和旋轉(zhuǎn)軸平行方向移動。旋轉(zhuǎn)心軸確定了從纖維供應(yīng)源拖動纖維的速度。
一旦軟化的金屬滲透纖維束纏繞在旋轉(zhuǎn)心軸150上，則可以使基質(zhì)金屬在心軸上硬化，比如通過冷卻，從而形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。隨后，可以從心軸上去除固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。通過使基質(zhì)金屬在去除固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料之前硬化，確保所需的橫截面形狀得以保持。
優(yōu)選，在滲透和固化之間和之中，在軟化基質(zhì)金屬表面上形成的金屬氧化物最小。這種氧化物會對心軸上的連續(xù)基質(zhì)金屬滲透纖維束層之間形成合適粘結(jié)產(chǎn)生抑制。通過在基本上對氧化物形成為惰性的環(huán)境中進行上述操作，可以防止或抑制氧化物的形成。這種環(huán)境可以通過在至少部分浸沒在熔融基質(zhì)金屬浴的情況下執(zhí)行上述操作而提供。采用熔融基質(zhì)金屬浴可以導(dǎo)致在浴表面上形成浮渣。應(yīng)該謹慎不讓浮渣被圈閉或結(jié)合到滲透纖維束之中或之上?？商鎿Q地，上述操作可以完全或部分在加熱環(huán)境中進行，所述加熱環(huán)境比如由烘箱、爐子或者其它具有對氧化物形成基本為惰性或非反應(yīng)性的氣氛的加熱裝置提供。
并不意在限制本發(fā)明的范圍，下面將一般性描述制備的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的實施方案。固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以以各種橫截面形狀形成，比如圓形、卵形、橢圓形、方形、三角形、矩形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形、平面形狀和其它相似的橫截面形狀，具體取決于旋轉(zhuǎn)心軸的形狀。而且，固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以具有的形狀包括但不限于圓柱形、漸細圓柱形、球形、卵形、立方體形、矩形實心體形、多邊形實心體形、板形和盤形。
一般而言，固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料中的基質(zhì)金屬在該固化金屬基質(zhì)復(fù)合材料整個形狀上固化和整體形成，從而在相鄰滲透纖維束之間沒有空隙或者僅僅有最少量的空隙或間隙。盡管所得的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以具有不同的橫截面形狀，將描述的是具有圓形橫截面的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
參見圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的圓柱形的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料300。固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料300包括主體部分302，該主體部分具有壁304，壁304限定了從中延伸通過的孔306。壁304在整個壁空間上具有在基質(zhì)金屬中基本均勻分布的連續(xù)纖維。而且，金屬基質(zhì)在整個壁304的空間里基本連續(xù)。由于纖維束被繞在心軸上，所以壁304的外表面308通常略微不平整，在壁304的外表面308上通?？梢钥吹綕B透纖維束310。在圖6所示實施方案中，滲透纖維束310在固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料300中的取向通常繞著旋轉(zhuǎn)軸Y形成相鄰的環(huán)。纖維束的取向可以通過旋轉(zhuǎn)心軸的移動和心軸旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系確定。如果旋轉(zhuǎn)心軸的移動相對于心軸轉(zhuǎn)速慢，則滲透纖維束被一個接一個放置，從而繞著圓柱旋轉(zhuǎn)軸Y形成圓形或環(huán)形的纖維。軟化的金屬滲透纖維束被放置在心軸上的接近角是和旋轉(zhuǎn)軸成大約90度的角。在金屬基質(zhì)復(fù)合材料中，滲透纖維束310通?；ハ嗥叫?。隨著圍繞旋轉(zhuǎn)心軸放置的滲透纖維束的層數(shù)增加，固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的壁310的厚度增加。
現(xiàn)在參見圖7，舉例說明了固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料400的另一實施方案。在此實施方案中，大多數(shù)滲透纖維束410以在壁404外表面408上形成可見的螺旋或編織圖案的角度和其它纖維重疊。通過將軟化的金屬滲透纖維束相對旋轉(zhuǎn)心軸的接近角從大于約0度變到小于約180度，形成所述圖案。這可以通過以下實現(xiàn)提高旋轉(zhuǎn)心軸沿著和旋轉(zhuǎn)軸平行的方向移動的速度，或者單獨使?jié)B透單元和模子旋轉(zhuǎn)或者與心軸旋轉(zhuǎn)結(jié)合。在此實施方案中，滲透纖維束繞在旋轉(zhuǎn)心軸上，形成編織類型的圖案，其中各組纖維組互相成一定角度。固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料中的滲透纖維束可以互相成大約10度-大約90度的角。對于纏繞過程中采用的是具有成形端部的心軸的實施方案而言，可以形成圓柱400的封閉端412。
參見圖8，圖8的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的截面圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于金屬滲透纖維束的螺旋層疊，壁404的外表面408通常并不均勻，在不同區(qū)域的壁厚不同。
所得金屬基質(zhì)復(fù)合材料的性質(zhì)會變化很大，具體取決于因素比如基質(zhì)金屬、纖維、成形復(fù)合材料所用的層數(shù)、以及復(fù)合材料內(nèi)的纖維取向。一般而言，當(dāng)兩端封閉時，固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以保持氣壓和液壓。復(fù)合材料可以承受的壓力將取決于上述因素。
提供了下列實施例以舉例說明本發(fā)明的某些實施方案，并不意在限制本發(fā)明的范圍。
實施例1通過從具有繃緊繞線架(tensioned spool)的粗紗架(creel)提供6股(tow)10000旦尼爾氧化鋁纖維的束(得自3M Company，商品名為Nextel610)，使其穿過一組小孔導(dǎo)向器和定位輥，制備了繞絲金屬基質(zhì)復(fù)合材料圓柱體。將纖維束導(dǎo)入保持在大約1350的熔融鋁浴中。熔融鋁通過使鋁(99.99％Al)熔融而制備。通過超聲振動將熔融鋁滲入纖維束中。超聲振動由連接到超聲處理器上的波導(dǎo)提供。所述波導(dǎo)包括直徑為1英寸的Ti-6Al-4V(wt％)擴展器和純Nb尖頭。Nb波導(dǎo)尖頭被設(shè)置在0.050”的纖維束以內(nèi)，并在20kHz下操作。纖維束的前端和心軸相連，所述心軸經(jīng)由十字連桿和手動螺桿傳動機構(gòu)連接到馬達上，所述十字連桿用于控制旋轉(zhuǎn)，所述手動傳動機構(gòu)用于控制側(cè)向橫移。通過心軸的旋轉(zhuǎn)，將纖維束拖過熔融鋁并穿過滲透單元。采用這種裝置制備了數(shù)種具有圓形或環(huán)形纏繞物(wrap)的圓柱體，其中纏繞物的位置通過手動旋轉(zhuǎn)和螺桿傳動機構(gòu)相連的把手進行控制。另外，制備了具有漸細形狀的一個圓柱體，所述圓柱體在大端直徑為4”，在小端直徑為3”。
實施例2通過從具有繃緊繞線架(tensioned spool)的粗紗架(creel)提供6股(tow)10000旦尼爾氧化鋁纖維的束(得自3M Company，商品名為Nextel 610)，使其穿過一系列繃緊的輥、小孔導(dǎo)向器和定位輥，制備了繞絲金屬基質(zhì)復(fù)合材料圓柱體。將纖維束導(dǎo)入保持在大約1350的熔融鋁浴中。熔融鋁通過99.99％鋁使熔融而制備。通過超聲振動將熔融鋁滲入纖維束中。超聲振動由連接到超聲處理器上的波導(dǎo)提供。所述波導(dǎo)包括直徑為1英寸的Ti-6Al-4V(wt％)擴展器和純Nb尖頭。Nb波導(dǎo)尖頭被設(shè)置在0.050”的纖維束以內(nèi)，并在20kHz下操作。纖維束的前端和連接到繞絲器(McClean-Anderson，Schofield，WI)上的心軸相連，通過心軸的旋轉(zhuǎn)將纖維束拖過熔融鋁。所述心軸由中等晶粒的擠壓成型石墨棒制備，大部分浸沒在熔融鋁中，通過鏈條傳動裝置連接在繞絲器的主軸傳動機構(gòu)上。鏈條傳動裝置由安裝在鍵軸(Keyed shaft)上的鏈輪和安裝在心軸傳動軸上的第二鏈輪組成，其中所述鍵軸被裝入繞絲器的頭架和尾架中。心軸也連接到繞絲器的支架上，通過使上述第一鏈輪在鍵軸上滑動實現(xiàn)了橫向運動，所述第一鏈輪的滑動是通過將該鏈輪安裝在軸套上并且用一系列軸臺支撐件支撐所述心軸支架而實現(xiàn)。由于保持了繞絲器的初始受控運動，所以該機器可以進行編程以將纖維束按照預(yù)定圖案放置到心軸上。采用這種方法，制備了具有表I所示性質(zhì)的圓柱體。
表I

表I所示的疊層(lay-up)是對所得復(fù)合材料中所含的層角度的簡短描述。例如，[90]4表示在心軸上放置了4個90°的層或者環(huán)形層以形成該復(fù)合材料。同樣，[90/±67.5]是指在心軸上放置了一個環(huán)形層和兩個螺旋層來制備所述復(fù)合材料，其中兩個螺旋層由和心軸的旋轉(zhuǎn)軸成+67.5度角和-67.5度角的纖維構(gòu)成。
上述實施例不應(yīng)理解為限制，而僅僅是對本發(fā)明許多實施方案的舉例說明。在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明可以以多種方式變化，并且僅僅受下列權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1.用于纏繞軟化的金屬基質(zhì)滲透纖維的裝置，所述裝置包括滲透單元；金屬??；和旋轉(zhuǎn)心軸；其中所述滲透單元將軟化的金屬滲透纖維束從金屬浴提供給所述旋轉(zhuǎn)心軸以形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)心軸至少部分浸沒在所述金屬浴中。
3.權(quán)利要求1的裝置，其中所述金屬浴是熔融金屬。
4.權(quán)利要求1的裝置，還包括位于所述滲透單元和所述旋轉(zhuǎn)心軸之間的模子。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中所述模子進一步包括至少一個靠近所述模子出口部分的出口輥。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)心軸具有選自下列的橫截面形狀圓形、卵形、橢圓形、三角形、矩形、方形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形、和其它封閉面積幾何形狀。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中所述旋轉(zhuǎn)心軸適用于沿著和所述旋轉(zhuǎn)心軸的旋轉(zhuǎn)軸平行的方向移動。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中所述滲透單元還包括超聲波導(dǎo)。
9.用于形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的方法，包括以下步驟提供軟化的金屬滲透纖維束；和將所述軟化的金屬滲透纖維束層疊到旋轉(zhuǎn)心軸上以提供固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。
10.權(quán)利要求9的方法，還包括用金屬滲透纖維束以形成所述軟化的金屬滲透纖維束的步驟。
11.權(quán)利要求9的方法，還包括在所述層疊步驟之前使所述軟化的金屬滲透纖維束通過模子的步驟。
12.權(quán)利要求9的方法，還包括將所述軟化的金屬滲透纖維束放置在所述旋轉(zhuǎn)心軸上的步驟，其中所述軟化的金屬滲透纖維束和所述旋轉(zhuǎn)心軸的旋轉(zhuǎn)軸的接近角為大約0度-大約180度。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述接近角是大約90度。
14.權(quán)利要求12的方法，還包括在所述層疊過程中改變和所述旋轉(zhuǎn)心軸的接近角的步驟。
15.權(quán)利要求9的方法，其中所述層疊步驟還包括在所述旋轉(zhuǎn)心軸的端部上層疊所述軟化的金屬滲透纖維束的步驟。
16.固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，包括主體部分，所述主體部分具有限定從中延伸通過的孔的壁，其中所述壁包括在所述壁的全部空間里在基質(zhì)金屬中基本均勻分散的連續(xù)纖維，其中所述金屬基質(zhì)在所述壁的全部空間里基本連續(xù)，而且其中所述壁具有不平整的外表面。
17.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中在所述主體部分中所述纖維的位置大體互相平行。
18.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中所述連續(xù)纖維包括纖維束，和其中至少部分的所述纖維束成一定角度重疊。
19.權(quán)利要求18的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中所述角度為大于大約0度-小于大約180度。
20.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中所述主體部分具有選自下列的橫截面形狀圓形、卵形、橢圓形、三角形、矩形、方形、規(guī)則多邊形和不規(guī)則多邊形。
21.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中所述基質(zhì)金屬選自鋁、鎂、鈦、銀、金、鉑、銅、鈀、鋅、合金和其組合。
22.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，其中所述纖維選自碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玻璃纖維、石英纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維、金屬纖維和其組合。
23.權(quán)利要求16的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料，通過從一定量的熔融金屬到旋轉(zhuǎn)心軸上提供軟化的金屬滲透纖維束，層疊所述軟化的金屬滲透纖維束到所述旋轉(zhuǎn)心軸上，以及固化所述層疊軟化的金屬滲透纖維束而制備。
全文摘要
描述了用于制備固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料的濕式繞絲方法和裝置。該方法涉及纏繞軟化的金屬滲透纖維束，以及在心軸表面上按照預(yù)定圖案將所得軟化的金屬滲透纖維束層疊在旋轉(zhuǎn)心軸上，以形成固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。在冷卻時，基質(zhì)金屬固化，而可以從心軸上去除所得的固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料。固化的金屬基質(zhì)復(fù)合材料可以制成多種形狀，比如圓柱形、漸細圓柱形、球形、卵形、立方體、矩形實心體、多邊形實心體和平板。
文檔編號C22C49/00GK1906320SQ200480040731
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者B·L·戈登, G·W·沃爾夫 申請人:塔奇斯通研究實驗室有限公司