專利名稱：纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，屬于渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)
背景技術(shù)：
針對波音777和空中客車A380等遠(yuǎn)程大型商業(yè)噴氣飛機(jī)的發(fā)展，美國的普惠公司、通用電氣公司和英國的羅·羅公司研制PW4000系列、GE90系列、GEnx系列、Trent900系列和Trent1000系列等大推力渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)，該類型的渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)都使用了大尺寸的風(fēng)扇葉片，最大的風(fēng)扇葉片直徑可達(dá)3m，工作時(shí)風(fēng)扇葉尖處的切線速度超過450m/s，未來渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，渦輪風(fēng)扇葉尖的切線速度會(huì)更高。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片受外物撞擊損傷或高頻率振動(dòng)疲勞等的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)葉片斷裂故障。斷裂葉片具有很高的能量，如果葉片擊穿機(jī)匣，由于飛機(jī)的油箱與發(fā)動(dòng)機(jī)緊挨在一起，會(huì)引發(fā)油箱爆炸造成災(zāi)難性事故。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的包容能力。
目前的裝甲一般都是雙層設(shè)計(jì)外層由較硬的材料構(gòu)成，通常為陶瓷；而內(nèi)層則為柔性材料，如鋁或者kevlar纖維。陶瓷材料通常經(jīng)過復(fù)合硬化表面處理，即在陶瓷表面涂一定量的樹脂玻璃纖維或者kevlar材料來提高其抗沖擊性，裝甲結(jié)構(gòu)中外層氧化鋁陶瓷內(nèi)層kevlar纖維是常見的組合。
現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容機(jī)匣有如下三種，第一種是由高強(qiáng)度合金鋼制成的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，鋼鐵材料的強(qiáng)度和韌性都很好，這種機(jī)匣防護(hù)效果較好，但是材料的密度高，不符合航空部件輕質(zhì)化的要求；第二種是由鋰合金、鎂合金、鋁合金和鈦合金等輕金屬材料制成，這類輕金屬材料強(qiáng)度和韌性差，雖然密度小，但是防護(hù)效果不佳；第三種是在鋰合金、鎂合金、鋁合金和鈦合金等輕金屬材料制成的圓環(huán)上纏繞玻璃纖維、kevlar纖維和碳纖維等高強(qiáng)度纖維，使用環(huán)氧樹脂和聚酰亞胺等高分子樹脂材料為粘結(jié)劑固化后形成的纖維纏繞復(fù)合材料包容機(jī)匣，這種機(jī)匣具有重量輕、防護(hù)效果好的特點(diǎn)，是大推力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片包容機(jī)匣的首選。
樹脂為基的復(fù)合材料的使用溫度有很大的局限。在長時(shí)間使用的條件下，環(huán)氧樹脂一般不超過200℃，正在發(fā)展的聚酞亞胺的也不超過300℃～350℃。即使在較低的溫度下，樹脂基的彈性模量和強(qiáng)度也不高，在大的負(fù)荷應(yīng)力下容易開裂。特別是單向復(fù)合材料的層間強(qiáng)度決定于基體，而樹脂基的強(qiáng)度低。雖然可以通過纖維交叉排列來改善偏軸方向的性能，但又會(huì)使軸向性能削弱，致使復(fù)合材料的特點(diǎn)得不到充分發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述的缺點(diǎn)和弊端，本發(fā)明提出了一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料制成的渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的包容機(jī)匣。
碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)纖維和金屬板、陶瓷板等在600℃～1650℃的溫度范圍內(nèi)通過活性金屬法、粉末燒結(jié)方法和活性鑄接法等特種連接技術(shù)制成具有一個(gè)或多個(gè)金屬/纖維/陶瓷層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的部件，陶瓷材料具有很高的硬度，金屬材料具有很好的韌性，纖維材料具有很高的抗拉強(qiáng)度，具有這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的機(jī)匣具有重量輕、抗葉片打擊包容能力好的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)在高溫下通過特殊的工藝焊接而成，高溫性能優(yōu)良，預(yù)期在渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有很廣泛的應(yīng)用前景。
本發(fā)明提供了一種具有纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的包容機(jī)匣，即纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，該圓環(huán)狀的包容機(jī)匣具有至少一個(gè)金屬層/纖維層/陶瓷層三明治結(jié)構(gòu)，所述三明治結(jié)構(gòu)是在600℃～1650℃溫度下，通過活性鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝或活性金屬釬焊工藝將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。
其中，所述防護(hù)板的金屬層是鋁、欽、鐵、鎳及其合金制成的板材。所述纖維層的纖維是高強(qiáng)石英纖維、高強(qiáng)度碳纖維和高模量碳纖維。所述防護(hù)板的陶瓷層是氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
所述的活性鑄接工藝是在600℃～1650℃高溫下，通過物理或化學(xué)方法減小金屬熔體的表面張力，使其能夠在陶瓷表面濕潤并凝固，從而使纖維、金屬和陶瓷焊接在一起。其中所述的物理方法例如去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面張力實(shí)現(xiàn)對陶瓷材料的濕潤，所述的化學(xué)方法是在熔液中加入鋯、鈦等能在高溫下能和陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性金屬元素降低熔液表面張力，最終實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷的連接。
所述的粉末燒結(jié)工藝是將粉末燒結(jié)材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層、纖維層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，升溫到1200℃～1600℃，保溫45～120分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料防護(hù)板。
所述的活性金屬釬焊工藝是將活性金屬釬焊材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層、纖維層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，慢速升溫到600℃～1650℃，保溫10～15分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料防護(hù)板。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和功效是它兼具金屬材料、纖維材料和陶瓷材料各自的特點(diǎn)，不僅硬度高，而且韌性好、重量輕，具有較好的防護(hù)高速物體沖擊的能力，可廣泛應(yīng)用在各種類型的渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)中上。
金屬材料和陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)不同，兩者在高溫下通過活性鑄接工藝和活性金屬釬焊工藝焊接在一起，冷卻到室溫時(shí)，纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料(簡稱金屬陶)內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力，由于金屬的熱膨脹系數(shù)比陶瓷高，陶瓷受壓應(yīng)力作用，陶瓷材料的特點(diǎn)是抗壓性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)由于其抗拉伸性能，這種應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致金屬材料的原子晶格畸變，有效提高金屬材料的硬度，金屬陶內(nèi)應(yīng)力的存在對于提高其抗高速彈丸沖擊的能力非常有利。


圖1本發(fā)明之金屬/纖維/陶瓷/纖維/金屬層狀復(fù)合包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明之纖維/陶瓷/纖維金屬層狀復(fù)合包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明之金屬/纖維/金屬包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明之金屬/纖維/陶瓷/纖維/金屬包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號如下1金屬層； 2纖維層； 3陶瓷層具體實(shí)施方式
本發(fā)明所述的包容機(jī)匣對于高速葉片的防護(hù)機(jī)理是當(dāng)高速葉片打擊到該包容機(jī)匣表面時(shí)，最外層金屬層在葉片的侵徹下被破開，露出中間的陶瓷層，陶瓷材料的硬度要比葉片的組成材料高很多，可以非常有效的對葉片進(jìn)行侵徹而損壞葉片，降低葉片的持續(xù)侵徹能力，陶瓷層在高速彈丸的打擊下產(chǎn)生裂紋而破損，但是兩邊金屬層和纖維層通過焊接所形成的束縛作用防止陶瓷層上裂紋擴(kuò)展，裂紋在擴(kuò)展過程中，金屬材料的塑性和纖維的斷裂能夠有效吸收葉片沖擊的能量，進(jìn)一步降低葉片的侵徹能力。
本發(fā)明提出了一種金屬/纖維/陶瓷層狀復(fù)合材料制成的包容機(jī)匣，具有至少一個(gè)金屬層/纖維層/陶瓷層三明治結(jié)構(gòu)，所述三明治結(jié)構(gòu)是在600℃～1650℃溫度下，通過活性鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝或活性金屬釬焊工藝將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。本發(fā)明中所述的活性金屬釬焊工藝的一種方式為將活性金屬釬焊材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，慢速升溫到600℃～900℃，保溫10～15分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中所述的活性鑄接工藝是指在高溫下，通過所述物理或化學(xué)方法減小金屬熔體的表面張力，使其能夠在陶瓷表面濕潤并凝固，從而使金屬和陶瓷焊接在一起。
本發(fā)明所述的粉末燒結(jié)工藝的一種方式是將粉末燒結(jié)材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層、纖維層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，升溫到1200℃～1600℃，保溫45～120分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料防護(hù)板。
所述防護(hù)板的金屬層是鋁、欽、鐵、鎳及其合金制成的板材。
所述的纖維是高強(qiáng)石英纖維、高強(qiáng)度碳纖維和高模量碳纖維。
所述防護(hù)板的陶瓷層是氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做作一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1通過活性金屬釬焊工藝、活性鑄接工藝和粉末燒結(jié)工藝制造的一種圓筒層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1中的1是金屬材料層，2是纖維材料層，3是陶瓷材料層，纖維材料纏繞在所在圓筒層的外壁，可以是單層纏繞也可以是多層纏繞，纖維可以是整塊也可以由多塊纖維拼縫焊接而成；金屬圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成；陶瓷圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成。圓筒的外徑200mm～4000mm，金屬層的厚度0.5mm～10mm，陶瓷層的厚度1mm～20mm。
實(shí)施例2通過活性金屬釬焊工藝、活性鑄接工藝和粉末燒結(jié)工藝制造的一種圓筒層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖2所示圖2中的1是金屬材料層，2是纖維材料層，3是陶瓷材料層，纖維材料纏繞在所在圓筒層的外壁，可以是單層纏繞也可以是多層纏繞，纖維可以是整塊也可以由多塊纖維拼縫焊接而成；金屬圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成；陶瓷圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成。圓筒的外徑200mm～4000mm，金屬層的厚度0.5mm～10mm，陶瓷層的厚度1mm～20mm。
實(shí)施例3通過活性金屬釬焊工藝、活性鑄接工藝和粉末燒結(jié)工藝制造的一種圓筒層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖3所示圖1中的1是金屬材料層，2是纖維材料層，纖維材料纏繞在所在圓筒層的外壁，可以是單層纏繞也可以是多層纏繞，纖維可以是整塊也可以由多塊纖維拼縫焊接而成；金屬圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成。圓筒的外徑200mm～4000mm，金屬層的厚度0.5mm～10mm。
實(shí)施例4通過活性金屬釬焊工藝、活性鑄接工藝和粉末燒結(jié)工藝制造的一種圓筒層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖1所示和前面不同的是，本實(shí)施例的機(jī)匣為兩瓣型分開式結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中兩瓣機(jī)匣裝配在一起形成一個(gè)整體。
圖4中的1是金屬材料層，2是纖維材料層，3是陶瓷材料層，纖維材料鋪焊在所在半圓筒層的外壁，可以是單層鋪焊也可以是多層鋪焊，纖維可以是整塊也可以由多塊纖維拼縫焊接而成；金屬圓筒可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成；陶瓷層可以是一個(gè)整體也可以由多塊圓弧拼縫焊接而成。兩個(gè)圓弧裝配成的圓筒的外徑200mm～4000mm，金屬層的厚度0.5mm～10mm，陶瓷層的厚度1mm～20mm。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于該包容機(jī)匣具有至少一個(gè)金屬層/纖維層/陶瓷層三明治結(jié)構(gòu)，該三明治結(jié)構(gòu)是在高溫下將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制造方法，其特征在于該焊接是通過活性鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝、活性金屬釬焊工藝方法，將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制造方法，其特征在于該活性鑄接工藝是在600℃～1650℃高溫下，通過物理或化學(xué)方法減小金屬熔體的表面張力，使其能夠在陶瓷表面濕潤并凝固，從而使纖維、金屬和陶瓷焊接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制造方法，其特征在于該粉末燒結(jié)工藝是將粉末燒結(jié)材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層、纖維層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，升溫到1200℃～1600℃，保溫45～120分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料防護(hù)板。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制造方法，其特征在于該該活性金屬釬焊工藝是將活性金屬釬焊材料均勻涂刷在要結(jié)合的金屬層、纖維層和陶瓷層表面，并將它們放置在一起，先在烘箱中將有機(jī)溶劑烘干，然后放置在真空電爐中，慢速升溫到600℃～1650℃，保溫10～15分鐘，隨爐冷卻，即可獲得結(jié)合良好的纖維增強(qiáng)金屬/陶瓷層狀復(fù)合材料防護(hù)板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于該防護(hù)板的金屬層是鋁、欽、鐵、鎳及其合金制成的板材。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于該纖維層的纖維是高強(qiáng)石英纖維、高強(qiáng)度碳纖維和高模量碳纖維。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于該防護(hù)板的陶瓷層是氧化鋁、氮化鋁、氮化硅、碳化硅或碳化硼制成的板材。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于其高溫為600℃～1650℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣的制造方法，其特征在于該物理和化學(xué)方法是，利用去除熔液表面的氧化膜的物理方法降低熔液表面張力實(shí)現(xiàn)對陶瓷材料的濕潤，利用在熔液中加入鋯、鈦等能在高溫下能和陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性金屬元素降低熔液表面張力，最終實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷的連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，其特征在于該包容機(jī)匣為圓環(huán)狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機(jī)匣，屬于渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。該包容機(jī)匣具有至少一個(gè)金屬層/纖維層/陶瓷層三明治結(jié)構(gòu)，其中三明治結(jié)構(gòu)是在高溫下，通過活性鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝、活性金屬釬焊工藝將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。該包容機(jī)匣硬度高、韌性好、重量輕，具有較好的防護(hù)高速物體沖擊的能力，可廣泛應(yīng)用在各種類型的渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)中上。
文檔編號B23K1/008GK1923615SQ200610113400
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者彭榕 申請人:北京航空航天大學(xué)