專利名稱：制造金屬基復合材料細長形嵌件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復合材料領(lǐng)域，特別涉及由金屬基陶瓷纖維構(gòu)成的嵌件的制造方法，用于增強金屬部件。
背景技術(shù)：
特別是在航空領(lǐng)域，人們一直以來都在優(yōu)化部件強度，以降低重量，減小噪聲影響區(qū)(footprint)。目前,一些部件可以使用金屬基復合材料制成的嵌件,稱之為CMM,這種部件還可以是整體的。這種復合材料包括金屬合金基底，例如，鈦合金Ti，纖維在其中延伸，例如，碳化硅陶瓷纖維。這種纖維的抗拉強度明顯大于鈦(通常為4000MPa，而鈦則為IOOOMPa)。因此，正是纖維在吸收各種力，金屬合金基底起著與部件其它部分的膠合作用，并起著保護和隔離纖維的作用，因為纖維之間彼此決不可以接觸。此外，陶瓷纖維抗腐蝕，但卻必須用金屬來增強。在輪盤、軸、筒體、箱體、支架制造時都可以使用這些復合材料，諸如葉片這種整體件的增強等。例如，對于渦輪噴氣發(fā)動機中使用的壓氣機輪盤，已知的增強技術(shù)是在部件中嵌入環(huán)向纏繞的涂層纖維。正如以Snecma名義提交的專利申請中所介紹的，制造金屬基復合材料嵌件的一種技術(shù)依靠纏繞涂層紗的原理。所述嵌件可從多種涂層紗中獲得，每種紗包括采用金屬護套覆蓋的陶瓷纖維。這種類型的紗以下稱之為涂層紗。制造步驟包括圍繞垂直于部件軸線旋轉(zhuǎn)的部件纏繞一束或固定層的涂層紗。然后，將嵌件置于容器內(nèi)進行熱等靜壓處理。容器為金屬部件坯材，里面加工有腔室，用來安放復合金屬基材料制成的嵌件，然后再置于熱等靜壓處理。這種處理以下稱之為CIC。由此而獲得的所述部件為圓形，不僅特別適合于壓氣機輪盤，而且適合生產(chǎn)圓形部件，如軸、筒體或箱體。其它機械部件要求的特性不同于圓形部件所呈現(xiàn)的特性。特別是，例如，連接桿的情況用在著陸系統(tǒng)中的連桿或發(fā)動機懸掛系統(tǒng)這樣的結(jié)構(gòu)部件，主要都是長方形狀。這些部件的作用都是傳遞單向牽引力和/或壓縮力。那么，這些部件的增強件都要求復合材料金屬基制成的嵌件至少部分地呈為直線或大體直線形狀。具體來講，纖維的走向必須為各種力的方向。采用工業(yè)方式和最低成本制作這些嵌件是非常困難的。已知制造機械部件的方法包括至少一個采用復合材料金屬基制成的嵌件。所述方法包括圍繞環(huán)形支架纏繞一束或結(jié)合層的涂層紗來制造嵌件坯料，所述環(huán)形支架的一部分呈現(xiàn)直線或大體直線截面。以Snecma和Messier-Dowty名義申請的專利FR 2.919.284所介紹的方法發(fā)展了這一原理，包括在第一金屬容器內(nèi)使用嵌入坯料，對第一容器進行熱等靜壓，以及隨后對其機加工，目的是形成嵌件。在該嵌件制成后，制造機械部件的方法包括如下步驟:將嵌件插入第二容器內(nèi)，對第二容器進行熱等靜壓處理，和對第二容器進行機加工，從而形成所需機械部件。由此而獲得的機械部件，例如，連接桿，可以沿置入其內(nèi)的陶瓷纖維的方向傳輸單向牽引力和/或壓縮力。在對嵌入坯料切割成直線嵌件之后，不是對嵌入坯料進行中間步驟的壓制，而是設想，將構(gòu)成坯件的環(huán)形圈進行切割，同時保持涂層紗為束狀。專利申請FR2.925.896介紹了將這種紗束置入直線槽內(nèi)，所述直線槽在其端部向外打開。這種解決方案存在幾個缺陷，這些缺陷對實現(xiàn)這些作業(yè)的工業(yè)化會產(chǎn)生影響:涂層紗在非直線部分會丟失。這種丟失不可不引起重視，因為半成品的涂層紗在部件的整個成本中占有相當大的比例。纏繞，特別是在橢圓形狀上的纏繞，會在所纏繞的嵌件上誘導應力，這會構(gòu)成風險，在切割時會導致嵌件的變形。這些技術(shù)要求增加系統(tǒng)的數(shù)量，以保持涂層紗與切割區(qū)域相一致。此外，纏繞一層預先裝配好的涂層紗的基于線圈的技術(shù)，主要針對生產(chǎn)帶有垂直于纖維的截面的嵌件，這種截面為方形或長方形。對于某些用途來講，期望嵌件的截面不是方形或長方形，目的是改進復合材料嵌件和部件結(jié)構(gòu)其余部分之間的力的吸收。具體來講，截面一例如，梯形或橢圓形一的增強件可以防止或至少限制剛性突然改變，從而改進過渡區(qū)的機械強度。例如，對于諸如起落架這樣的長方形部件來講，或懸掛發(fā)動機的連接桿，在其端部之間包括側(cè)向固定件，這是一種增強件，其中，沿固定到該固定件上的部件的邊緣，纖維數(shù)量較少，可以實現(xiàn)各種力在該固定點上的良好過渡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是完善生產(chǎn)嵌件的技術(shù)，所述技術(shù)可降低成本，且容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本發(fā)明的另一個目標是制造技術(shù)，可生產(chǎn)出所需形狀的嵌件，也就是說，嵌件的橫截面可以不同于方形或長方形。采用CIC方法將細長形嵌件置入金屬容器內(nèi)，這種制造方法可以實現(xiàn)上述目的，包括將圖層紗捆扎在一起，所述涂層紗采用金屬涂層陶瓷纖維構(gòu)成，其特征在于，其包括將圖層紗以紗束形式并排置放的步驟，所述紗束由多層涂層紗構(gòu)成，還在于將所述涂層紗束穿過成形部件，從而橫向?qū)ζ溥M行壓制，與此同時，通過成形部件，使其形狀具有預定的橫截面，特征還在于，在成型部件的下游，用金屬條帶橫向緊固紗束。優(yōu)選地，所述紗束的形狀來自未從紗線軸上展開的涂層紗。在穿過成形部件之前，紗束帶有間隙空間，這是因為涂層紗的圓形截面所致。成形部件的尺寸是規(guī)定的，以便減少紗的展開和間隙空間，與此同時，賦予紗束所需形狀。產(chǎn)業(yè)化和紗束形狀的問題從而很容易地解決了。成形部件的通道橫截面可以根據(jù)橫向平面嵌件所要求的形狀隨意選擇。根據(jù)一個實施例，成形部件包括至少兩個旋轉(zhuǎn)輥子，這兩個輥子的軸線垂直于涂層紗運行方向。為了完成外形，成形部件一般包括固定在兩個輥子之間的側(cè)向支架。成形部件還可以包括多個輥子，以構(gòu)成了通道橫截面的外形。輥子的作用就是降低作用在涂層紗束上的摩擦，同時隨該運動一起移動。根據(jù)纖維摩擦降低的程度，還可適當選擇使用固定件。
為此可以設計成形部件的形狀，成形部件的通道橫截面為多邊形，其各個邊為直線或曲線或其它橢圓或圓橫截面。為了緩解纖維引向成形部件并隨后將其保持在紗束內(nèi)，一種金屬板，又稱之為箔，可方便地置于涂層紗束和成形部件各邊至少一部分之間。涂層紗組件可以通過輥環(huán)或環(huán)來保持，這些輥環(huán)或環(huán)沿其穿過成形部件下游的嵌件來置放。這些環(huán)是由一例如一金屬板來構(gòu)成，形成了條帶，紗束通過該條帶而被緊緊包圍，而且，條帶端部可以在其彼此折疊之后焊接在一起。然后，將涂層紗束切割成所需長度，相當于將要置放到金屬容器內(nèi)的嵌件長度。為了防止嵌件端部涂層紗的擴散，造成難以操作嵌件并將其置入容器，所以明智的做法是，對穿過夾緊環(huán)的紗束鋸掉，因為所獲得的環(huán)的部分置放在端部，可夾緊紗束。根據(jù)本方法的一個實施例，在涂層紗結(jié)合為紗束前，涂層紗在其運行時被導向成形部件，從而形成分組件或初級紗束。這些可以是彼此重疊的紗層，從而形成所述紗束。同時從不同線軸上展開分組件涂層紗，可以形成初級紗束。例如，由此可以構(gòu)成直線涂層紗層堆，采用平整并置預定數(shù)量的涂層紗直至獲得預定數(shù)量的層數(shù)。更具體地說，第一層置放在支撐表面，特別是包括金屬板，最后一層通過成形部件重疊。不同于層數(shù)，初級紗束可以帶有任何橫截面形狀。根據(jù)另一個實施例，涂層紗在多個導塊、管道或管子集成初級紗束，從而在成形部件的通道橫截面上匯合。本發(fā)明所述方法為制造金屬部件的方法步驟，包括置入嵌件，和在金屬容器內(nèi)進行熱等靜壓處理所述組件，例如，如以Messier Dowty名義申請的發(fā)明專利FR2933422或FR2933423所介紹的那樣。根據(jù)這種方法，-在形成容器的金屬體上加工至少一個用于嵌件的腔室，-將所述嵌件置入腔室內(nèi)，-將金屬蓋放在金屬體上，以便覆蓋嵌件，-將蓋焊接到金屬體上，-采用熱等靜壓技術(shù)焊接帶蓋的金屬體組件，以及-加工所述經(jīng)過處理的組件以便獲得所述部件。本發(fā)明的解決方案可以將嵌件置入成形部件緊下游的容器內(nèi)。例如，該容器可以包括縱向穿過腔室，涂層紗束滑入腔室內(nèi)。在本示例下，可以使用固定環(huán)或甚至使用縱向箔。本發(fā)明還涉及到細長形狀的部分，包括沿縱向的至少一個纖維增強件，所述部件根據(jù)前面方法可獲得，增強件的截面形狀不是長方形或方形，而是諸如梯形或橢圓形。下面通過詳細的解釋性描述本發(fā)明實施例，可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它目的、細節(jié)、特性和優(yōu)點會更清楚地顯現(xiàn)出來，所述實施例以純粹說明性而非限定性示例給出，


圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造細長形部件的各個步驟Ia到Id ；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的制造直線嵌件的裝置側(cè)面圖；圖3示出了圖2所示裝置的正面圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明制造的嵌件圖5示出了不同的成形模。
具體實施例方式圖1a所示摘自以Snecma和Messier-Dowty名義提交的專利申請,該圖示出了細長形主體4的容器1，如用來成形起落架連桿。在本體4兩個面上各加工了溝槽41。該溝槽可以安裝嵌件3，嵌件包括兩個直線部分，這兩個部分可以一也可以不一彼此平行，通過圓弧形部分在端部連接在一起。嵌件為陶瓷纖維類型，涂有諸如鈦的金屬。溝槽和嵌件為匹配形狀，這樣，嵌件就可以無間隙地裝入溝槽。注意，容器內(nèi)的溝槽和蓋上的榫舌必須妥善裝配，以防止纖維(直徑很小，約0.25mm)在熱等靜壓處理期間脫出。兩個蓋5上帶有突出部分，形成榫舌51，蓋用來覆蓋本體4的兩面。榫舌座落在溝槽內(nèi)的嵌件上并插入嵌件內(nèi)。蓋5采用一例如一電子束焊接到本體4上，確保容器內(nèi)真空。圖1b為該容器的局部剖面圖，目的是能夠看到里面的嵌件。然后，將容器置放在相應的箱體內(nèi)，在其中進行熱等靜壓處理。這項處理的目的是將容器、蓋和各層涂層紗彼此牢牢固定，以形成整體部件。圖1c所示容器橫截面說明，溝槽41的邊緣42成斜角，以便與榫舌51附近的蓋5之間留出間隙。在熱等靜壓作業(yè)期間，沿垂直于蓋表面的方向施加壓力，使蓋倒塌。加熱大約1000°C和加壓至1000巴，可使得基體金屬填充在構(gòu)成嵌件的涂層紗之間的空間。嵌件的容積降低大約23%。于是，沿溝槽底部方向移動榫舌，榫舌兩邊的間隙被吸收。在這個過程結(jié)束時，金屬部分通過擴散而焊接到一起，并將涂層紗嵌件壓縮；這樣，該部件通過滯留在實心塊內(nèi)的涂層紗而得到增強。圖1d示出了通過兩個嵌件而獲得的部件的坯件，可以清楚地看到兩個嵌件。然后，將坯件進行加工，獲得所需要的部件。這樣，陶瓷纖維便被置入到部件的傳輸拉力和壓縮力各個區(qū)域內(nèi)。根據(jù)該專利FR 2 919 283的理念所使用的嵌件為環(huán)形，但是，正如專利申請FR2919284中所介紹的，這些嵌件可以是細長棒形部件。在后一種情況下，嵌件在事先壓制后根據(jù)該文件中所介紹的技術(shù)而置入容器內(nèi)。根據(jù)專利FR 2 919 284生產(chǎn)直線嵌件，包括在帶有直線部分的環(huán)形卷取裝置周圍纏繞涂層紗。該形狀可以是帶直線部分的長形，或是多邊形，其中多邊形的各個邊為直線部分。在輥環(huán)上纏繞涂層紗成形后，輥環(huán)的圈數(shù)通過焊接的金屬帶而相對于彼此保持不動。將組件置入容器內(nèi)，根據(jù)上述技術(shù)進行熱等靜壓處理。從半加工的部件上，加工出細長形壓制嵌件，而后逐個放入容器內(nèi)，以便制造出帶有陶瓷纖維增強件的部件。根據(jù)本發(fā)明，嵌件的生產(chǎn)通過成形細長形嵌件而得到簡化，所述嵌件直接包括成束或成捆裝配在一起的涂層紗13。參照圖2，實施本發(fā)明方法典型裝置包括支撐多排線軸12的卷盤10，涂層紗13就纏繞在該線軸12上。將涂層紗從其各個線軸上拉入貫通滑道14的系統(tǒng)內(nèi)，在這里會聚。所述系統(tǒng)使得涂層紗成為紗束。在這個階段，紗束相對展開。涂層紗可方便地置放在多個分組件或多層并置涂層紗內(nèi)，這些涂層紗彼此平行。箔或金屬板16很薄，置放在溝槽14形式的工具的底部。箔的金屬優(yōu)選與嵌件的金屬部件相同。例如，鈦合金。涂層紗落座在下面的金屬箔16上。例如，它們按層彼此堆積在一起。層的寬度、各層涂層紗的數(shù)量從底部到上層互不相同。例如，紗束的橫截面可為梯形。金屬箔15置放在涂層紗層堆的頂部。各層的紗數(shù)不是限定的；而是取決于擬制造的部件；附圖只是給出說明；紗的直徑與溝槽的直徑比例也不相同。涂層紗各層之間并置，不會松動，或者紗與紗之間的松動很小。在這個階段，涂層紗不會承受橫向應力。也可以將由初級紗束構(gòu)成的分組件內(nèi)的紗一起置于單一紗束13f內(nèi)，而不是采用分層的辦法。這樣，涂層紗束13f穿過成形部件17，在這里，進行橫向壓縮。在這種情況下，成形部件包括帶水平軸線的兩個輥子17g。從圖3中可以看出，所述輥子旋轉(zhuǎn)安裝在框架17b內(nèi)。兩個輥子之間的間隔可以通過垂直移動其支架來調(diào)整。選擇性地，相應的電動機(圖中未示)可用來帶動其旋轉(zhuǎn)。成形部件通道橫截面的外形由構(gòu)成滑道171的兩個固定支架來補充，側(cè)向置于紗束兩側(cè)。支架171固定到框架17b上。根據(jù)這個示例，支架相對于垂直方向而傾斜。因此，成形部件通道橫截面的外形為梯形。涂層紗束穿過成形部件后，就會成為成形部件的形狀，在這個示例中，呈現(xiàn)梯形。因此，在成形部件出口處，必須使紗束保持某種形狀。然后，將形成金屬帶的小箔18固定到位，以便保持組件，繞涂層紗束設置。于是，例如，通過使用鉗子的拉動工具來將紗束拉過成形部件。圖4示出了加工好的嵌件13i?？梢钥闯?，本方法并不限于正方形、長方形或梯形截面嵌件的生產(chǎn)。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員可以預期許多形狀。在成形部件內(nèi)可以在紗束周圍設有多個軋輥或輥子，目的是賦予其多邊形狀。多邊形的各邊可以是直的，但是也可以是彎曲的。完全可以選擇出非常方便的外形。成形部件的形狀和橫向尺寸由需要使用的嵌件的幾何形狀和尺寸來確定。在這種情況下，確定形成嵌件所必需的涂層紗的數(shù)量。相反，可以需要嵌件帶有確定數(shù)量的涂層紗。在這個情況下，調(diào)整成形部件的通道截面，以便在出口處可容納所需數(shù)量的涂層紗。有利的是，導向件可橫向調(diào)整到位，以便在回縮位置時，涂層紗束可在其緊固到紗束上之前能置放到位。調(diào)整輥子和金屬支架的間隔距離可以調(diào)整通道橫截面，而涂層紗束就從該通道處伸出。另外，還可方便地使用振動件，有助于涂層紗在紗束中的加固。圖5示出了成形部件的另一個非限定性的說明性實施例。由帶有水平軸線和彎曲輪廓的兩個輥子17’ g構(gòu)成，與帶垂直軸線和平直輪廓的兩個輥子17’ I相互作用。本方法還可同時生產(chǎn)多種嵌件；這些嵌件可在由此而獲得的紗束長度上切割而成。一旦嵌件加工好后，諸如圖4所示，就可以根據(jù)已知和上述方法裝入金屬容器內(nèi)，形成金屬部件。與圖1所示制造細長部件的現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，在容器的每個面上，可生產(chǎn)出直線溝槽，內(nèi)裝兩個直線嵌件。其它部分，所述方法與前述相同。根據(jù)制造金屬部件的具體方法，其中一個箔既可用作支架也可用作金屬容器的蓋，在這個容器內(nèi)，置放嵌件。所述蓋焊接到容器上，同時，在進行熱等靜壓處理之前，在部件上形成真空。
權(quán)利要求
1.制造細長形嵌件的方法，所述嵌件通過Cic方法置入金屬容器內(nèi)，包括結(jié)合在一起的涂層紗，所述涂層紗采用金屬涂層的陶瓷纖維制成，其特征在于，其包括以紗束(13f)形式并排放置涂層紗(13)的步驟，所述紗束包括多層涂層紗，將涂層紗束(13f)穿過成形部件(17)，從而橫向壓制，同時通過成形部件成形出帶有預定橫截面的部件，其特征還在于，在成形部件下游將條帶(18)橫向壓緊紗束。
2.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，成形部件(17)包括至少兩個旋轉(zhuǎn)輥子(17g)，在兩個輥子之間引導紗束。
3.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，兩個輥子帶有平行軸線。
4.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，成形部件在兩個輥子(17g)之間包括兩個側(cè)向支架(171)。
5.根據(jù)前面其中一項權(quán)利要求所述的方法，成形部件(17)的通道橫截面為多邊形，各邊為直線或彎曲形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4其中一項所述的方法，成形部件的通道橫截面為橢圓或圓形。
7.根據(jù)前面其中一項權(quán)利要求所述的方法，金屬板材(15，16)置于紗束涂層紗和成形部件各邊至少一個部分之間。
8.根據(jù)前面其中一項權(quán)利要求所述的方法，其中，在涂層紗形成紗束之前，涂層紗置放在初級紗束內(nèi)，這些初級紗束組裝在一起而構(gòu)成所述紗束。
9.根據(jù)前面其中一項權(quán)利要求所述的方法，條帶(18)沿成形部件下游的嵌件置放。
10.制造金屬部件的方法，包括將根據(jù)前面其中一項權(quán)利要求所構(gòu)成的嵌件置于金屬容器內(nèi)，并包括熱等靜壓處理所述組件。
11.細長形部件，包括根據(jù)前面權(quán)利要求所述方法獲得的沿縱向使用的至少一個纖維增強件，增強件橫截面為非直線形狀，諸如梯形或橢圓形。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造細長型嵌件的方法，該嵌件采用CIC方法置入金屬容器內(nèi)，包括結(jié)合在一起的涂層紗，所述涂層紗采用金屬涂覆的陶瓷纖維構(gòu)成。所述方法的特征在于，其以紗束形式并排置放涂層紗，將纖維束穿過成形部件，從而橫向壓制而成，與此同時使其成形，從而帶有預定的橫截面。本發(fā)明還涉及到制造金屬部件，所述金屬部件裝有采用CIC技術(shù)的纖維嵌件。
文檔編號B22F3/18GK103167919SQ201180016581
公開日2013年6月19日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者吉恩-米歇爾·帕特里克·莫里斯·弗朗切特, 吉勒斯·查爾斯·卡斯米爾·克萊恩, 理查德·馬松, 路易斯·薩拉維特 申請人:斯奈克瑪, 梅西耶-布加蒂-道提公司