專利名稱：用于制造線狀物/纖維陣列的硬件裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線/纖維環(huán)狀物，更具體地，涉及一種具有改進(jìn)的空洞和纖維結(jié)構(gòu) 的改良基體復(fù)合型線/纖維環(huán)狀物，以及制造所述改良的基體復(fù)合型線/纖維環(huán)狀物的方法。
背景技術(shù)：
鈦基復(fù)合材料(Titanium matrix composite，TMC)環(huán)狀物使用于在高溫中轉(zhuǎn)動(dòng)的
零件，例如使用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中特定的硬度和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。雖然使 用TMC制造方法生產(chǎn)這些材料已普遍地受到資金短缺的妨礙，一種TMC制造方法成為 了希望。根據(jù)這種方法，將鈦絲(titanium wire)和碳化硅(SiC)纖維結(jié)合起來(lái)以形成一個(gè) 環(huán)形增強(qiáng)體陣列(hoop reinforcement array)。美國(guó)專利第5763079號(hào)(申請(qǐng)人為Hanusiak) 以及5460774號(hào)(申請(qǐng)人為Bachelet)已經(jīng)描述了利用這種方式制造TMC環(huán)狀物的方法。 這兩個(gè)專利描述了達(dá)到相同目的的不同方法。但是，這兩個(gè)專利在設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)上都 限制了生產(chǎn)的靈活性。圖1A-IC展示了 Hanusiak的方法。在這種方法中，線狀物3和纖維4的結(jié)合比 例被限制于1 1，但是只要線狀物3的直徑比纖維4的直徑大，線狀物的直徑與纖維的 直徑就可以不同。通過(guò)選擇線狀物及纖維的直徑可以確定纖維在所生成復(fù)合物中的含量 (fraction)。例如，使用直徑為0.007英寸的線狀物和直徑為0.0056英寸的纖維可生產(chǎn)出 纖維含量為30%的合成物。根據(jù)Hanusiak的發(fā)明，組件(assembly)由一個(gè)全是線狀物 元件的帶條(tape)和一個(gè)全是纖維元件的帶條組成，這兩個(gè)帶條結(jié)合起來(lái)使每疊(ply)有 兩層(layer)。每個(gè)帶條由尺寸相同的元件組成，但是第一帶條中元件的尺寸不一定必須 和第二帶條中元件的尺寸相同。所述組件是以相鄰的纖維4之間相互不發(fā)生接觸的方式 將每種類型的帶條交替地施加到纏繞芯體(winding core)而形成的。根據(jù)Hanusiak等人 的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于線狀物和纖維直徑的比例可以變化，所以可以輕易制 造出纖維含量為35% -45%的合成物。這種范圍內(nèi)的纖維含量對(duì)于有效的環(huán)狀物構(gòu)建是 特別合適的。但是，根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造出的結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于裝配后的陣列 (assembled array)含約20%的空洞(void)，這種空洞對(duì)較厚的零件是特別有害的，因?yàn)樗?允許在金屬移動(dòng)時(shí)形成不希望出現(xiàn)的尖點(diǎn)(cusp)。另外，根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明制造 出的結(jié)構(gòu)已經(jīng)顯示出在固化循環(huán)中組織性不穩(wěn)定的特性，所述固化過(guò)程是用來(lái)消除TMC 零件中的空洞含量。圖IA展示了根據(jù)Hanusiak等人的發(fā)明所制造的復(fù)合材料環(huán)狀物(composite ring)
結(jié)構(gòu)的剖面圖。在該結(jié)構(gòu)中，線狀物3之間只在高度方向上互相接觸，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中存在最大的纖維間距。圖IB展示了 Hanusiak等人的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中有適中的纖維 間距以便纖維被等寬等高地分開。圖IC描述了 Hanusiak等人的發(fā)明的另一個(gè)結(jié)構(gòu)的構(gòu) 造，其中有最小的纖維間距，使得線狀物3只在側(cè)面或?qū)挾确较蛏舷嗷ソ佑|。圖2A-2C闡述了 Bachelet描述的方法。根據(jù)該方法，線狀物/纖維的結(jié)合被限 制到2 1或3 1的比例。另外，在Bachelet揭露的所有例子中，線狀物的直徑被限 制到與纖維的直徑相同的尺寸。所有組件都利用每疊兩層的結(jié)構(gòu)，并分成如圖2A-2C所 示的三種類型。更具體地，如圖2A所示，每個(gè)第一層由纖維4組成，這些纖維4被兩個(gè)直徑相 等的線狀物3互相間隔開來(lái)，并且第二層被橫向地編排(laterally indexed)以使纖維4放置 在下層的兩個(gè)線狀物3之間。如圖2B和2C所示，在Bachelet所揭露結(jié)構(gòu)的其他實(shí)施例中，其中第一層由纖 維4組成，這些纖維4被一個(gè)直徑相等的線狀物3互相分開。第二層全部由與第一層中 纖維4直徑相同的線狀物3組成。Bachelet方法的優(yōu)點(diǎn)在于空洞的含量只有約10%， 而且明顯地，此陣列在后續(xù)的固化步驟中具有組織穩(wěn)定性。而且，Bachelet的方法可以 適用于較厚的零件，因?yàn)樵摲椒óa(chǎn)生相對(duì)較低的空洞含量，因?yàn)檠豑MC周長(zhǎng)(perimeter) 形成尖點(diǎn)的趨勢(shì)較低。但是，Bachelet方法的缺點(diǎn)在于，在其實(shí)施例中將線狀物和纖維 限定為線狀物具有相同的直徑，因此使纖維的含量限制在25%-33%之間。從設(shè)計(jì)的角 度來(lái)說(shuō)，這樣的纖維含量不是最理想的范圍。即，在很多設(shè)計(jì)中，需要40%的纖維含量 來(lái)實(shí)現(xiàn)有用的性能提高。此外，在Hanusiak等人和Bachelet所揭露的實(shí)施例中，任何單層中元件的尺寸
都被限定為相等。雖然這些文獻(xiàn)中沒有特別排除在一層中的元件可以具有不同直徑的情 況，但這些文獻(xiàn)都沒有解決與此結(jié)構(gòu)相關(guān)的特殊問(wèn)題。即，當(dāng)在單層中使用不同尺寸 的元件，并且所有在一個(gè)層上的元件都被同時(shí)施加于纏繞芯體時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生固有的堆疊 (stacking),或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問(wèn)題。Bachelet的專利具有專門將任何單層中的所有元件同時(shí)進(jìn)行施加的特殊要求。 Bachelet顯然通過(guò)這個(gè)限制來(lái)控制第一層元件之間的間距，因?yàn)樵撐墨I(xiàn)中沒有描述任何其 他在纏繞心軸上控制第一層中元件的方法。這也暗示在第一層中的元件之間是接觸的， 以便有效地實(shí)現(xiàn)控制位置的目標(biāo)。后續(xù)層中元件的位置由第一層中元件之間構(gòu)成的間隙 確定。假如第一層中的元件相互接觸，并且線狀物和纖維的直徑不相似，則后續(xù)層中的 元件將由于放置位置的不確定性而無(wú)法定位，且組件將排列混亂。圖3A-3C描述了具有 尺寸不同的元件的第二層是如何被放置到含有尺寸不同的元件的第一層之上的，以及最 終地，如此放置幾層后，實(shí)質(zhì)上所有位置都已錯(cuò)亂(圖3C)。即，如果后續(xù)層中的元件 同時(shí)到達(dá)，則在指定層中元件的尺寸不相等將產(chǎn)生對(duì)放置位置的競(jìng)爭(zhēng)。所以，有必要提供一種改良的方法，它可以在穩(wěn)定的排列中實(shí)現(xiàn)空洞含量低的 目的，同時(shí)實(shí)現(xiàn)纖維的彈性(flexibility)含量在約0% -70%之間，最好在30% -45%之 間。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的 一個(gè)目的在于提供一種改良的TMC線/纖維環(huán)狀物結(jié)構(gòu)及其制造方法，。其中，每一層中的每個(gè)元件都有一個(gè)明確的位置選擇。本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種空洞含量低、纖維含量在適當(dāng)范圍內(nèi)的TMC線/纖維環(huán)狀物。本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于提供一種在單層中包含不同直徑的元件的TMC線狀物 /纖維環(huán)狀物。本發(fā)明的又一目的在于提供一種為第一層中的線和/或纖維提供明確位置的纏 繞心軸。本發(fā)明的另一目的在于界定并實(shí)施一套硬件裝置及相關(guān)部件，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高 效的固化過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)這些和其他目的，本發(fā)明提供一種用于制造線狀物/纖維陣列的硬件裝 置，包括具有纏繞表面的纏繞心軸；從所述纏繞表面徑向地向外延伸的一對(duì)邊環(huán)；及 與所述邊環(huán)的至少一部分接觸的閉合環(huán)，該閉合環(huán)將一個(gè)由纏繞表面、邊環(huán)內(nèi)表面和閉 合環(huán)的內(nèi)表面界定的組合空間封閉起來(lái)。優(yōu)選地，至少一個(gè)所述邊環(huán)包含一個(gè)讓位切口。優(yōu)選地，所述纏繞表面包括與 至少一個(gè)所述邊環(huán)鄰接的側(cè)翼。優(yōu)選地，所述凹槽容納包裝線狀物的末端部分。優(yōu)選 地，所述閉合環(huán)與包裝線狀物接觸，所述包裝線狀物包圍處于所述組合空間內(nèi)的線狀物 /纖維組件。優(yōu)選地，所述的硬件裝置進(jìn)一步包括氣密性地封閉所述硬件裝置的封裝設(shè) 備。優(yōu)選地，所述封裝設(shè)備包括金屬袋。優(yōu)選地，所述金屬含有鈦元素。優(yōu)選地，所 述硬件裝置進(jìn)一步包括至少一個(gè)排氣導(dǎo)管。另一方面，本發(fā)明提供一種加工未成熟線狀物/纖維陣列的方法，包括如下步 驟在纏繞心軸上纏繞一組繩股，所述繩股通過(guò)纏繞心軸上的邊環(huán)被限制在所述纏繞心 軸上；使用包裝線狀物包裹所述一組繩股；及用閉合環(huán)將所述繩股和包裝線狀物封閉在 由纏繞心軸、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的內(nèi)表面界定的組合區(qū)域空間內(nèi)，其中，所述纏繞心 軸、邊環(huán)和閉合環(huán)構(gòu)成了一個(gè)硬件裝置。優(yōu)選地，所述包裝線狀物含有鈦元素。優(yōu)選地，所述的方法進(jìn)一步包括將所述 硬件裝置封裝在氣密容器內(nèi)的步驟。優(yōu)選地，所述氣密容器包含鈦元素。優(yōu)選地，所述 方法進(jìn)一步包括抽空所述氣密容器的步驟。優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括通過(guò)一個(gè)導(dǎo)管 向所述氣密容器中充入惰性氣體的步驟。優(yōu)選地，所述惰性氣體含有氬氣。優(yōu)選地，所 述的方法進(jìn)一步包括通過(guò)在所述抽空步驟之后密封所述容器來(lái)維持所述容器內(nèi)真空度的 步驟。優(yōu)選地，所述的方法進(jìn)一步包括固化所述繩股的步驟。優(yōu)選地，所述固化步驟包 括將所述繩股加熱到1650 T的步驟。優(yōu)選地，所述固化步驟包括施加不超過(guò)15000psi的 壓力的步驟。另一方面，本發(fā)明提供一種線狀物纏繞裝置，包括纏繞心軸；一組導(dǎo)輥，所 述每個(gè)導(dǎo)輥設(shè)置在所述纏繞心軸的圓周上的預(yù)定位置；及一組帶條，所述每個(gè)帶條被所 述一組導(dǎo)輥中的一個(gè)導(dǎo)輥所引導(dǎo)，且所述每個(gè)帶條包含一組繩股；其中，當(dāng)所述纏繞心 軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述每個(gè)帶條以連續(xù)的、一個(gè)在另一個(gè)之上的方式設(shè)置在纏繞心軸上，并且 所述纏繞心軸的一個(gè)纏繞表面上具有一組凹槽，纏繞在所述心軸上的第一層中的每個(gè)繩 股都有一個(gè)明確的巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另一個(gè)繩股互相隔開，或者所 述纏繞心軸包括緊鄰心軸的一個(gè)纏繞表面的間隔線狀物，纏繞在所述心軸上的第一層中的每個(gè)繩股都具有一個(gè)明確的巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另一個(gè)繩股互相隔 開。另一方面，本發(fā)明提供一種復(fù)合材料環(huán)狀物，其包括一組第一繩股或元件作為 第一層。每個(gè)繩股或元件具有第一直徑且以預(yù)定的距離相互隔開。一組具有與所述第一 直徑不同的第二繩股被適當(dāng)?shù)胤胖?，使得至少兩個(gè)所述第二繩股填充在相鄰第一繩股之 間，這樣形成了第一層。作為第二層，一組直徑與所述第一繩股直徑相同的第三繩股偏移于所述第一繩 股，從而使所述第三繩股覆蓋第一層中的位于第二繩股之間的區(qū)域。最后，一組直徑與 第二繩股直徑相同的第四繩股偏移于所述第二繩股，從而使相鄰第四繩股之間的區(qū)域處 在所述第三繩股的中心位置。這樣形成的整體結(jié)構(gòu)為由四個(gè)帶條，即四套/束繩股構(gòu)成 的兩層結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一、第二、第三和第四繩股中至少含有 纖維和線狀物中的一種。所述纖維優(yōu)選地含有碳化硅，所述線狀物優(yōu)選地含有鈦元素， 從而獲得了一種TMC線狀物/纖維環(huán)狀物。同樣根據(jù)本發(fā)明，所述纖維繩股最好具有比所述線狀物繩股更大的直徑。這樣 的結(jié)構(gòu)可導(dǎo)致纖維含量約為30% -45%,空洞含量約12%。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種用于纏繞所述TMC零件且具有凹槽 的心軸，所述凹槽分別對(duì)應(yīng)于第一層中每個(gè)繩股的理想位置。相應(yīng)地，第一層中的巢位 經(jīng)過(guò)合理排列，從而適合于第二層或任何后續(xù)層。可選地，可以通過(guò)在所述心軸上提供 一層具有選定直徑的線狀物來(lái)獲得“凹槽”，從而導(dǎo)致產(chǎn)生預(yù)定的巢位，這些巢位與所 述第一繩股層所希望的間隔一致。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以對(duì)所述含有一組繩股的帶條同時(shí)進(jìn)行纏繞，但每個(gè)帶 條是從不同的切線，或不同的“時(shí)鐘”位置，纏繞到所述心軸上的。當(dāng)達(dá)到所需厚度時(shí) 停止纏繞。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述繩股可以相互橫向接觸或不接觸。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，當(dāng)纏繞完成后，優(yōu)選地，可以使用包裝線 狀物包裹所述暴露的繩股層，以保護(hù)陣列樣式。
生產(chǎn)本發(fā)明線狀物/纖維陣列的硬件裝置優(yōu)選地包括所述心軸，一對(duì)從所述心 軸的纏繞表面徑向地向外延伸的邊環(huán)，以及一個(gè)閉合環(huán)。所述閉合環(huán)至少和所述邊環(huán)的 一部分接觸，并且把由纏繞表面、邊環(huán)的內(nèi)表面和閉合環(huán)的一個(gè)內(nèi)表面界定的組合空間 封閉起來(lái)。所述邊環(huán)優(yōu)選地包括一個(gè)讓位切口，以協(xié)助固化過(guò)程中的壓縮動(dòng)作，且所述纏 繞表面優(yōu)選地含有與所述邊環(huán)鄰接的側(cè)翼。優(yōu)選地，所述邊環(huán)還包括位于其頂部的凹槽，用以容納所述包裝線狀物的末端 部分。當(dāng)完全裝配起來(lái)后，所述閉合環(huán)優(yōu)選地與包裝線狀物接觸，所述包裝線狀物將處 于所述組合空間內(nèi)的、并且已經(jīng)構(gòu)建好的線狀物/纖維組件包圍起來(lái)。本發(fā)明同時(shí)提供一個(gè)裝置纏繞裝置，所述裝置包括所述纏繞心軸，一組導(dǎo)輥 (guide roller),每個(gè)導(dǎo)輥圍繞所述纏繞心軸排列在預(yù)定的圓周位置，及一組帶條，所述每 個(gè)帶條都被其中一個(gè)導(dǎo)輥所引導(dǎo)，每個(gè)帶條都包括一組繩股。當(dāng)所述纏繞心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)， 所述每個(gè)帶條連續(xù)地、層疊在所述纏繞心軸上。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種加工“未成熟(green)”線狀物/纖維陣列的方法，包 括如下步驟在纏繞心軸上纏繞一組繩股，所述繩股通過(guò)邊環(huán)和心軸被限制在纏繞心軸 上；使用包裝線狀物包裹所述一組繩股；然后，使用閉合環(huán)將所述繩股和包裝線狀物封 閉在一個(gè)由心軸、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的一個(gè)內(nèi)表面界定的組合區(qū)域空間(assembly area space)內(nèi)。所述纏繞心軸、邊環(huán)和閉合環(huán)可被稱為硬件裝置。所述硬件裝置優(yōu)選地被封裝在一個(gè)密封容器中，優(yōu)選地，所述密封容器隨后通 過(guò)在導(dǎo)管內(nèi)通入惰性氣體，如氬氣而被抽空。當(dāng)所述密封容器被完全抽空后，并且所有污染物及不合需要的氣體都被清除掉 后，所述容器被密封且優(yōu)選地隨后進(jìn)行固化步驟。所述固化步驟優(yōu)選地包括在最高15,OOOpsi的壓力加熱所述繩股至約1650 T。 在此條件下，所述邊環(huán)橫向移動(dòng)，而所述線狀物/纖維陣列則固化到一個(gè)程度。在此程 度，所述線狀物/纖維陣列，就如同單一材料那樣，可被加工成產(chǎn)品，例如渦輪盤。


通過(guò)閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，附圖中的相同標(biāo) 記表示相同的元件，其中圖IA-C為裝配線狀物/纖維結(jié)合物的現(xiàn)有方法。圖2A-C為裝配線狀物/纖維結(jié)合物的另一種現(xiàn)有方法。圖3A-C展示了現(xiàn)有的組合線狀物/纖維環(huán)狀物方法中固有的不穩(wěn)定性。圖4A-E為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述裝配一種TMC線狀物/纖維環(huán)狀物的方法。圖5為本發(fā)明的一個(gè)纏繞裝置。圖6為本發(fā)明的一個(gè)心軸。圖7A-E展示了以每有一個(gè)纖維就有兩個(gè)線狀物的形式構(gòu)建的陣列的不穩(wěn)定性， 其中線狀物直徑大于纖維直徑。圖8A-E為本發(fā)明多個(gè)帶條的結(jié)構(gòu)，其中線狀物的直徑比纖維的直徑大。圖9描述了本發(fā)明使用線狀物來(lái)間隔第一層繩股的心軸。圖10為本發(fā)明用于加工未成熟線狀物/纖維組件的硬件裝置。圖11為本發(fā)明帶有線狀物/纖維組件和纏繞層的硬件裝置。圖12為本發(fā)明帶有線狀物/纖維組件、纏繞層、閉合環(huán)和封裝的硬件裝置。圖13展示了本發(fā)明的完全固化后的線狀物/纖維環(huán)狀物的橫截面。圖14展示了對(duì)本發(fā)明的線狀物/纖維環(huán)狀物加工而獲得的最終零件。
具體實(shí)施例方式參考圖4A-E和圖5，現(xiàn)在描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明，一種可以實(shí) 現(xiàn)線狀物/纖維環(huán)狀物空洞含量低、排列穩(wěn)定、同時(shí)纖維的彈性含量約為0%-70%，優(yōu) 選地約為30% -45%的改進(jìn)方法被確認(rèn)。根據(jù)本發(fā)明，參考圖4A-E和圖5，堆疊(stacking)得到控制，從而借助四個(gè)條 帶(tape)在四次操作中將兩個(gè)層構(gòu)筑起來(lái)。通過(guò)這種方法控制堆疊，克服了困擾現(xiàn)有技
8術(shù)的穩(wěn)定性問(wèn)題。如圖所示，借助位于纏繞芯體(windingcore)或心軸(mandrel) 50的四 個(gè)依序排列的時(shí)鐘位置58a-d上的四個(gè)帶條56a-d而將尺寸不相似的元件施加到纏繞芯體 50上，從而將這些元件可靠地堆疊起來(lái)。在每個(gè)時(shí)鐘位置上，包含尺寸全部相同的線狀 物的條帶或包含尺寸全部相同的纖維的帶條被施加到纏繞芯體。為獲得所需的組件，需 要考慮在特定帶條內(nèi)元件的選擇以及施加帶條的順序。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)每個(gè)元件被施加 到所述纏繞芯體時(shí)，即使采用不同直徑的線狀物和纖維，所述每層中的每個(gè)元件都有一 個(gè)明確的位置選擇。具體地，在圖4A中，一組纖維4首先被排列。在圖4B中，一組線狀物3被排 列在與所述第一纖維4相同的層中。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一纖維之間具有適當(dāng) 的距離，從而使兩個(gè)線狀物3被放置在兩個(gè)相鄰纖維4之間。如圖4C所示，在第三個(gè)時(shí) 鐘位置上，首先使用纖維4形成第二層。所述每個(gè)纖維4覆蓋線狀物之間的接合點(diǎn)5。 然后，如圖4D所示，一組線狀物3被填充到相鄰纖維4之間的間隙內(nèi)，從而形成所述第 二層。重復(fù)執(zhí)行上述步驟以達(dá)到所需厚度。圖4E描述了一個(gè)四層結(jié)構(gòu)，S卩，根據(jù)本發(fā) 明的兩個(gè)兩層結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所產(chǎn)生的陣列(圖4D，4E)的空洞含量約為12%， 此含量是相對(duì)較低的，所以是理想的。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)選擇可提供所需含 量的線狀物/纖維的相對(duì)直徑，很容易將纖維含量控制在所需范圍內(nèi)的任意值。圖5展示了借助四個(gè)帶條形成一疊(即兩個(gè)層)的裝置。如圖所示，所述帶條 56a-d到達(dá)所述心軸50的四個(gè)預(yù)定的時(shí)鐘位置58a-d，以方便地控制所述一組繩股的疊放 (nesting)。圖5所示的裝置包括一個(gè)引入輥(lead roller) 54和一組導(dǎo)輥52a_d，所述導(dǎo)輥 52a-d分別圍繞心軸50排列，以便每個(gè)帶條56a-d被施加到所述心軸50的理想時(shí)鐘位置 上。如上述發(fā)明內(nèi)容部分所述，所述纖維優(yōu)選地含有SiC，且線狀物優(yōu)選地含有 鈦元素。但是，本發(fā)明的所述繩股也可以使用其它合適的材料，例如其它金屬、細(xì)絲 (filament)、玻璃等。以多個(gè)帶條的形式將這些層施加到所述心軸50解決了使用不相類似尺寸的元件 或繩股形成陣列的問(wèn)題，但是在纏繞起點(diǎn)處元件位置的控制仍然是一個(gè)問(wèn)題。在Bachelet的發(fā)明中，通過(guò)互相接觸的方式同時(shí)施加所有的元件，從而實(shí)現(xiàn)位 置控制，所以，每個(gè)元件或繩股都與相鄰的繩股鄰接。但是，如圖4B所示的第一層是通 過(guò)兩個(gè)帶條，即56a和56b而被施加上去的。如圖4A清晰地顯示，第一帶條中的單個(gè)繩 股之間并未互相接觸，所以不會(huì)為第一帶條中的每個(gè)繩股確定繩股位置。圖6展示了本 發(fā)明的一個(gè)解決方法。在該方法中，所述心軸50的一個(gè)表面60上形成多個(gè)凹槽62，所 述凹槽62分別根據(jù)第一和第二帶條56a，56b的繩股的理想間隔而互相隔開。利用這些 凹槽62，第一帶條56a的元件或繩股可根據(jù)任何順序施加到纏繞心軸50上，且所述第一 層的繩股間隔可始終被控制。所屬第二層的繩股，即帶條56c和帶條56d的所有繩股， 隨后根據(jù)第一層中繩股之間的間隙位置就可被放置。此后，所有的后續(xù)層都按照已建立 的式樣排列。在心軸50的表面60上使用大量凹槽62的方法減少了線狀物/纖維陣列設(shè)計(jì)的 限制性。如圖4A-E所示，通過(guò)將元件按照一定順序施加到所述心軸50上，能夠可靠地構(gòu)成由尺寸不相類似的繩股形成的陣列，其位置控制情況如圖6所示。這些例子顯示的 是陣列中每有一個(gè)纖維就有兩個(gè)線狀物的情況，其中所述線狀物3具有比纖維4更小的直 徑，并且所有線狀物/纖維繩股互相接觸，就如同它們被同時(shí)施加到所述心軸上。這種 按照一定順序施加的方案避免了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)同時(shí)施加不同直徑的元件或繩股時(shí)，如圖 3A-C所示的固有堆疊不穩(wěn)定性。圖7A-E展示了圖4所示互相接觸的元件中固有的堆疊和不穩(wěn)定性問(wèn)題，其中 圖4中線狀物3具有比纖維4更大的直徑，S卩，在一個(gè)元件比例為2 1的陣列中，所述 “2”具有比“1”更大的直徑。特別地，如圖7D和7E所示，當(dāng)僅僅完成幾層后，由 于巢位爭(zhēng)奪，排列順序就錯(cuò)亂了。實(shí)際上，這種混亂難以借助時(shí)針順序得以減輕。根據(jù) 本發(fā)明，由于第一層中的元件間隔可以不受元件直徑的影響而自 由獨(dú)立地設(shè)置，因此設(shè) 計(jì)者可以通過(guò)消除所述“2”必須小于“1”的限制來(lái)控制陣列的幾何形狀以適應(yīng)設(shè)計(jì)和 放寬元件放置位置的范圍。圖8A-E展示了通過(guò)控制第一層中繩股之間的距離來(lái)構(gòu)建的可靠陣列，其中所述 繩股之間的間距通過(guò)帶有凹槽的心軸50實(shí)現(xiàn)。繩股中線狀物3具有比纖維4更大的直 徑。特別地，如圖8B所示，第一層中的一種繩股相互接觸，這可以通過(guò)使用如圖6所示 的帶有凹槽的心軸50實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖8C-E所示的后續(xù)層而言，由于第一層(如圖8B)內(nèi) 的間隔適當(dāng)，因此這些后續(xù)層具有確定的巢位。所述心軸50上的凹槽可通過(guò)多種廉價(jià)且有效的方法提供。圖6顯示了心軸50 上機(jī)械加工形成的凹槽62。這種方法成本相對(duì)較低。圖9顯示了在心軸上建立所需線狀 物或纖維間距的另一種有效方法。在這種方法中，間隔線狀物(spacing wire) 10作為第一 層而被纏繞到所述心軸50上。在這種方法中，通過(guò)選擇直徑與所需元件間隔相同的線狀 物，并以相互接觸的方式纏繞這些線狀物，從而也可以形成所需要的凹槽樣式，其成本 較低且不須再進(jìn)行機(jī)械加工。上述描述涉及到線狀物/纖維陣列組件的方法和結(jié)構(gòu)，所述線狀物/纖維陣列組 件在制造如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子(rotor)或渦輪軸(shaft)中所需的環(huán)形增強(qiáng)復(fù)合環(huán)狀物或復(fù)合 桿時(shí)特別有用。但是，所述纏繞操作只產(chǎn)生一種“未成熟(green)”的線狀物/纖維陣 列，該陣列必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工才能作為成品環(huán)狀物組件使用。一般地，如下文將要描 述的情況，所述后續(xù)加工步驟包括將所述線狀物/纖維陣列封裝在一個(gè)合適的硬件組 件中，將所得組件抽空，以排除氣體和潛在的污染物，密封所述組件以維持其內(nèi)部空洞 空間(internal voidspace)的真空度，進(jìn)行固化操作以消除所有空洞空間并加工成最終想要 的尺寸。優(yōu)選的硬件組件包括用于線狀物/纖維陣列組合的心軸50，用于在固化步驟中 及在加工之后的最終產(chǎn)品上形成金屬包層(metal cladding)的步驟中將空洞從組合中擠掉 的壓盤。圖10展示了一種典型的、特別適用于制造例如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等的硬件裝置。如圖10和11所示，首先通過(guò)心軸50與邊環(huán)100a，100B的結(jié)合而制成一種纏繞 子部件(winding sub-assembly)。然后，所述子部件被裝載到繞線機(jī)中，并以圖5所示的 方式形成一個(gè)線狀物/纖維陣列110。此后，所述線狀物/纖維陣列110借助粘結(jié)配件而 被臨時(shí)地固定到其纏繞物(roll-up)的首尾端，以利于裝配。如圖11所示，為達(dá)到永久 固定的目的，將鈦質(zhì)包裝絲(overwrap of Titanium) 115纏繞進(jìn)所述子部件的空穴120內(nèi)，并通過(guò)例如此處提供的凹槽125而附著到每個(gè)邊環(huán)上。所述鈦質(zhì)包裝絲115優(yōu)選地通過(guò) 機(jī)械連接的方式而被纏繞，例如穿引到一個(gè)邊環(huán)如IOOa上的狹縫內(nèi)，在張緊的狀態(tài)下纏 繞所述纏繞物以形成一個(gè)接觸層(touching layer)，并且以相同的方式與另一個(gè)邊環(huán)，如 IOOb機(jī)械地固定。在這種方法中，利用拉伸鎖緊層(tensioned clamping layer)來(lái)在整個(gè) 工序中固定所述線狀物和纖維元件或繩股3，4。提供所述拉伸鎖緊層是適當(dāng)?shù)模驗(yàn)樵?后續(xù)的氣體排出操作中，粘合組件輔助設(shè)備(adhesive assembly aid)將被移走。如果不提 供機(jī)械固定，那么所述線狀物和纖維繩股將可自由移動(dòng)，從而無(wú)法對(duì)所述陣列的幾何形 狀進(jìn)行控制。通過(guò)在被包覆的纏繞子部件上滑動(dòng)地加載一個(gè)閉合環(huán)130來(lái)完善所述硬件組 件。隨后，所述完整的硬件組件優(yōu)選地被封裝在一個(gè)鈦片金屬容器140中。所述容器 140提供一種為后續(xù)氣體排出和固化操作而建立真空密閉容器的方法。圖12展示了上述 封裝后的完整組件。圖12所示部件的幾個(gè)特征對(duì)于部件的成功操作需引起注意。例如，人們希望 所述多孔線狀物/纖維陣列110的固化方向與所述環(huán)的轉(zhuǎn)軸平行。如果所述邊環(huán)100a、 IOOb在固化過(guò)程中可以自由地朝對(duì)方運(yùn)動(dòng)，從而使所述空洞通過(guò)軸向長(zhǎng)度的縮減而被除 去，進(jìn)而使所述纖維和線狀物的徑向位置相對(duì)地保持不變。雖然可以將閉合環(huán)130直接焊接到所述邊環(huán)100a，IOOb上，以形成一個(gè)真空密 閉容器，但所述邊環(huán)100a，IOOb將不能朝對(duì)方運(yùn)動(dòng)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)在所需方向上所需空 洞含量的改變。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)避免所述邊環(huán)100a，IOOb與所述纏繞心軸50或所述 閉合環(huán)130的永久性連接而維持邊環(huán)100a，IOOb的可移動(dòng)性。這可以通過(guò)以下方式實(shí) 現(xiàn)即閉合環(huán)130與所述被包裹的子部件的滑動(dòng)配合，此后將所述組件封裝在借助在焊 縫處焊接形成的鈦片金屬140內(nèi)。此外，如圖10和11的區(qū)域A所示，所述邊環(huán)100a， IOOb和心軸50具有一種特別的界面結(jié)構(gòu)。理想地，在區(qū)域A內(nèi)，所述邊環(huán)100a，IOOb 和心軸50之間存在與邊環(huán)100a，IOOb和閉合環(huán)130之間類似的滑動(dòng)配合。但是，在此處 所述滑動(dòng)配合是不可接受的，因?yàn)樗鲞叚h(huán)100a，IOOb確立了陣列110的纏繞式樣的邊 緣，因此，所述邊環(huán)100a，IOOb最好可以準(zhǔn)確地被定位，并固定在所述心軸50上。通 過(guò)使所述邊環(huán)100a，IOOb對(duì)應(yīng)安置于側(cè)翼150處，以確立所述陣列110的首列和尾列， 從而實(shí)現(xiàn)所述邊環(huán)的準(zhǔn)確定位。另外，所述邊環(huán)100a，IOOb優(yōu)選地具有足夠的厚度，以 便在構(gòu)建所述陣列時(shí)能夠維持一定的平面度。但是，使用厚邊板(thick side plate)會(huì)出現(xiàn) 問(wèn)題，因?yàn)檫@樣的邊板難以實(shí)現(xiàn)在固化過(guò)程中的移動(dòng)，特別是在面對(duì)所述側(cè)翼150時(shí)。為克服此問(wèn)題，例如，如圖10所示，所述邊環(huán)上形成讓位切口(relief cut) 155， 以允許所述心軸50準(zhǔn)確地肩負(fù)邊環(huán)100a，100b，而且通過(guò)將必須壓縮的邊環(huán)100a，IOOb 材料用量最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)邊環(huán)100a，IOOb在固化過(guò)程中的移動(dòng)。在固化溫度，所述鈦金屬 容器140的強(qiáng)度大幅下降，所述讓位切口 155輕易地疊合以適應(yīng)固化所述陣列110時(shí)邊環(huán) 移動(dòng)的需要。另外，需注意的是，所述邊板100a，IOOb和心軸50之間的接觸面，以及邊板 100a, IOOb與閉合環(huán)130之間的接觸面彼此都不是安全地焊接在一起的。更確切地， 所述邊板100a，IOOb優(yōu)選地只是在線狀物/纖維纏繞進(jìn)行之前與所述心軸50點(diǎn)焊(tack welded)起來(lái)。同樣，這些接觸面優(yōu)選地并未互相焊接形成真空密封容器。作為一種替代，所述真空密閉容器優(yōu)選地通過(guò)前述方法，即在由其焊縫處焊接形成的鈦片金屬袋140 中封裝所述硬件組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，所述邊板100a，IOOb具有相對(duì)較小的滑動(dòng)阻力。當(dāng) 所述硬件裝置由例如很難焊接的高性能鈦合金組成時(shí)，僅僅依靠金屬袋140來(lái)形成真空 密閉容器也是有用的。此外，如圖12所示，根據(jù)本發(fā)明，為增強(qiáng)固化過(guò)程中所述邊板的軸向滑動(dòng)，所 述邊板100a，IOOb的一部分135突出于所述心軸50和閉合環(huán)130之外，這樣在固化過(guò)程 中，封裝袋140首先推動(dòng)所述邊環(huán)100a，IOOb0因此，所述邊環(huán)100a，IOOb沿所需軸向 的運(yùn)動(dòng)得到了增強(qiáng)。仍參考附圖12，在所述金屬袋140被密封后，所述組件被脫氣和固化，以形成 一個(gè)增強(qiáng)型產(chǎn)品毛坯(reinforced component blank)。特別地，為實(shí)現(xiàn)該工序，所述金屬
袋140上優(yōu)選地安裝排氣導(dǎo)管200，并且通過(guò)烘烤(bake-out)工序使粘合劑和吸收的污 染物從導(dǎo)管200排出。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)安裝上去的導(dǎo)管200內(nèi)形成真空，另 一個(gè)導(dǎo)管內(nèi)則用流動(dòng)性相對(duì)較低的氬氣凈化。所述組件根據(jù)預(yù)定的加熱模式被加熱到約 850 T,并維持此溫度不變，直到所需揮發(fā)物(volatiles)被徹底地移除。隨后所述組件轉(zhuǎn) 變到室溫條件，并且所述排氣導(dǎo)管被阻塞，以使所述組件的內(nèi)部密封成為真空。所述導(dǎo) 管200優(yōu)選地隨后被阻塞并從所述金屬袋140上切斷。所述已脫氣的組件優(yōu)選地隨后通過(guò)熱等靜壓(heat isostatic pressing, HIP)操作而 被固化，以便處消除空洞。所述組件被加熱到約1650下，并施加約15000psi的壓力使 所有空洞閉合。圖13展示了完成的增強(qiáng)型毛坯(completed reinforced blank)的一個(gè)部件 210。隨后運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械加工技術(shù)，機(jī)械加工所述增強(qiáng)型毛坯(reinforcedblank)，使其 成為最終想要的產(chǎn)品形狀。如圖14所示，一個(gè)理想化的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子220可從部件 210機(jī)械加工而獲得。以上結(jié)合最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實(shí) 施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
1.一種用于制造線狀物/纖維陣列的硬件裝置，包括 具有纏繞表面的纏繞心軸；從所述纏繞表面徑向地向外延伸的一對(duì)邊環(huán)；及與所述邊環(huán)的至少一部分接觸的閉合環(huán)，該閉合環(huán)將一個(gè)由纏繞表面、邊環(huán)內(nèi)表面 和閉合環(huán)的內(nèi)表面界定的組合空間封閉起來(lái)。
2.如權(quán)利要求1所述的硬件裝置，其特征在于，至少一個(gè)所述邊環(huán)包含一個(gè)讓位切
3.如權(quán)利要求1所述的硬件裝置，其特征在于，所述纏繞表面包括與至少一個(gè)所述邊 環(huán)鄰接的側(cè)翼。
4.如權(quán)利要求1所述的硬件裝置，其特征在于，至少一個(gè)所述邊環(huán)包括凹槽。
5.如權(quán)利要求4所述的硬件裝置，其特征在于，所述凹槽容納包裝線狀物的末端部分。
6.如權(quán)利要求1所述的硬件裝置，其特征在于，所述閉合環(huán)與包裝線狀物接觸，所述 包裝線狀物包圍處于所述組合空間內(nèi)的線狀物/纖維組件。
7.如權(quán)利要求1所述的硬件裝置，其特征在于進(jìn)一步包括氣密性地封閉所述硬件裝置 的封裝設(shè)備。
8.如權(quán)利要求7所述的硬件裝置，其特征在于，所述封裝設(shè)備包括金屬袋。
9.如權(quán)利要求8所述的硬件裝置，其特征在于，所述金屬含有鈦元素。
10.如權(quán)利要求7所述的硬件裝置，其特征在于進(jìn)一步包括至少一個(gè)排氣導(dǎo)管。
11.一種加工未成熟線狀物/纖維陣列的方法，包括如下步驟在纏繞心軸上纏繞一組繩股，所述繩股通過(guò)纏繞心軸上的邊環(huán)被限制在所述纏繞心 軸上；使用包裝線狀物包裹所述一組繩股；及用閉合環(huán)將所述繩股和包裝線狀物封閉在由纏繞心軸、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的內(nèi)表 面界定的組合區(qū)域空間內(nèi)，其中，所述纏繞心軸、邊環(huán)和閉合環(huán)構(gòu)成了一個(gè)硬件裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述包裝線狀物含有鈦元素。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括將所述硬件裝置封裝在氣密容 器內(nèi)的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述氣密容器包含鈦元素。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括抽空所述氣密容器的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過(guò)一個(gè)導(dǎo)管向所述氣密容器 中充入惰性氣體的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體含有氬氣。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括通過(guò)在所述抽空步驟之后密封 所述容器來(lái)維持所述容器內(nèi)真空度的步驟。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括固化所述繩股的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述固化步驟包括將所述繩股加熱到 1650 步驟。
21.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，所述固化步驟包括施加不超過(guò)15000psi的壓 力的步驟。
22.—種線狀物纏繞裝置，包括纏繞心軸；一組導(dǎo)輥，所述每個(gè)導(dǎo)輥設(shè)置在所述纏繞心軸的圓周上的預(yù)定位置；及一組帶條，所述每個(gè)帶條被所述一組導(dǎo)輥中的一個(gè)導(dǎo)輥所引導(dǎo)，且所述每個(gè)帶條包 含一組繩股；其中，當(dāng)所述纏繞心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述每個(gè)帶條以連續(xù)的、一個(gè)在另一個(gè)之上的方式設(shè)置在 纏繞心軸上，并且所述纏繞心軸的一個(gè)纏繞表面上具有一組凹槽，纏繞在所述心軸上的第一層中的每 個(gè)繩股都有一個(gè)明確的巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另一個(gè)繩股互相隔開，或 者所述纏繞心軸包括緊鄰心軸的一個(gè)纏繞表面的間隔線狀物，纏繞在所述心軸上的第 一層中的每個(gè)繩股都具有一個(gè)明確的巢位，所述每個(gè)繩股依照預(yù)定的距離與另一個(gè)繩股 互相隔開。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于制造線狀物/纖維陣列的硬件裝置及方法，其中所述硬件裝置包括具有纏繞表面的纏繞心軸；從所述纏繞表面徑向地向外延伸的一對(duì)邊環(huán)；及與所述邊環(huán)的至少一部分接觸的閉合環(huán)，該閉合環(huán)將一個(gè)由纏繞表面、邊環(huán)內(nèi)表面和閉合環(huán)的內(nèi)表面界定的組合空間封閉起來(lái)。利用該硬件裝置可以生產(chǎn)出空洞含量為12％、纖維含量為0-70％，最好為30-45％的線狀物/纖維環(huán)狀物。
文檔編號(hào)B22F3/00GK102009174SQ20101027095
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者史蒂芬·斯皮爾, 威廉·哈努斯克, 杰弗瑞·帕訥爾, 查理斯·羅文, 莉莎·哈努斯克 申請(qǐng)人:賽夸公司