專利名稱：金屬基復(fù)合材料制造直嵌件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，特別涉及金屬基中的陶瓷纖維嵌件，用以加強(qiáng)金屬部件。
背景技術(shù)：
在航空領(lǐng)域，減輕重量和縮小尺寸，優(yōu)化部件強(qiáng)度是一個永恒的目標(biāo)。如今，一些部件可以使用金屬基復(fù)合材料制成的嵌件，以下簡稱MMC，這種部件同樣可以是整體式的。這種復(fù)合材料包括了金屬合金基，例如，鈦(Ti)合金，在這種金屬基內(nèi)，纖維可延伸，例如碳化硅(SiC)的陶瓷纖維。這種纖維的拉伸強(qiáng)度要大大高于鈦的抗拉強(qiáng)度(一般4000MPa，而鈦則為IOOOMPa)。因此，正是纖維吸收了應(yīng)力，而金屬合金基則起與部件其它部分的結(jié)合劑的作用，同時也保護(hù)和隔離纖維，因?yàn)槔w維彼此之間決不可接觸。此外，陶瓷纖維耐腐蝕，但必須采用金屬來加強(qiáng)。
這些復(fù)合材料可以在輪盤、軸、缸體、殼體、墊片等的制造中應(yīng)用，作為整體部件(例如，葉片等)的加強(qiáng)件。
例如，對于渦輪發(fā)動機(jī)中的壓氣機(jī)輪盤，已知的加強(qiáng)技術(shù)是在部件中嵌入環(huán)向纏繞的涂覆纖維。制造金屬基復(fù)合材料嵌件的技術(shù)是基于以Snecma名義提交的專利EP1.726.677所介紹的纏繞涂覆纖維絲的原理。這種嵌件是從多個涂覆絲中獲得的，每個絲都包括嵌入在金屬護(hù)套內(nèi)的陶瓷纖維。這種絲在本文后面稱之為涂覆絲。制造工藝包括圍繞垂直于部件軸線的回轉(zhuǎn)體周圍纏繞一束或一個連接層的涂覆 絲的步驟。然后，將嵌件置于容器內(nèi)進(jìn)行熱等靜壓成型。術(shù)語容器在此是指金屬部件的坯件，在其內(nèi)，加工有腔室，用來置放金屬基復(fù)合材料嵌件，然后，該部件再進(jìn)行熱等靜壓壓制成型。所述成型處理以下稱之為 HIC0
由此而獲得的所述部件為圓形，而且，除了壓氣機(jī)輪盤外，這種部件都特別適合圓形部件的生產(chǎn)，諸如軸、汽缸體或殼體。
其它機(jī)械部件要求的特性與圓形部件所提出的特性不同。這在一例如一起落架系統(tǒng)中所使用的桿或發(fā)動機(jī)吊架等結(jié)構(gòu)部件中尤為如此，這些主要都是細(xì)長方形狀。這些部件的作用是傳遞單向拉力和/或壓縮力。這些部件的加強(qiáng)都相應(yīng)地要求金屬基復(fù)合材料嵌件至少部分是直線形的。這是因?yàn)槔w維必須朝向應(yīng)力方向。
這些嵌件的最低工業(yè)制造成本是一個值得考慮的方面。
人們已知一種制作機(jī)械部件的方法，該部件包括使用至少一個由金屬基復(fù)合材料制成的嵌件。所述方法包括采用圍繞環(huán)形支架纏繞一束或一個連接層的涂覆絲來制造一個初步嵌件，該支架的一部分為直線部分。
以SNECMA和Messier-Dowty名義申請的專利FR 2.919.284中描述的方法提出了這個原理，并包括將上述初步嵌件插入第一金屬容器內(nèi)，對第一容器進(jìn)行熱等靜壓成型，隨后對其進(jìn)行加工，從而形成直線嵌件。在這種嵌件制造之后，制造機(jī)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(jìn)行熱等靜壓成型，并對第二容器進(jìn)行加工，以形成所期望的機(jī)械部件。由此而獲得的機(jī)械部件，例如桿，可以方便地用來沿植入其中的陶瓷纖維的方向傳遞單向拉力和/或壓縮力。在切割成直線嵌件之后，不是實(shí)施初步嵌件成型的中間步驟，通過保證涂覆絲在線束內(nèi)的固定，而切割成形成初步件的環(huán)形線軸。FR 2.925.896專利申請?zhí)岢隽藢⑦@種線束置放入端部的直線溝槽內(nèi)。這種解決方案的諸多缺陷是，影響了這些作業(yè)的產(chǎn)業(yè)化:涂覆絲在非直線部分會丟失。這種丟失不能忽視，因?yàn)橥扛驳陌爰庸そz產(chǎn)品在部件的總成本中占了相當(dāng)大比例。纏繞，特別是在橢圓形上的纏繞，會在所纏繞的嵌件上產(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力易于釋放，與此同時，會在切割作業(yè)期間造成嵌件變形。這些技術(shù)要求在切割區(qū)使用許多系統(tǒng)，以便對涂覆絲進(jìn)行固定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)以較低成本生產(chǎn)直嵌件的技術(shù)，并可隨時適合用于工業(yè)生產(chǎn)。通過熱等靜壓成型(HIC)將直嵌件置于金屬容器內(nèi)的制造方法來實(shí)現(xiàn)該目的，所述嵌件包括一束涂覆絲，結(jié)合在一起且?guī)в蓄A(yù)定長度，其特征在于，所述涂覆絲以直線并置的方式置放直溝槽形工具內(nèi)的預(yù)定長度上，所述涂覆絲連接在一起。因此，本發(fā)明提出 的解決方案旨在一方面降低涂覆絲的丟失，另一方面，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造水平，達(dá)到自動化的高生產(chǎn)速率。更具體地說，所述方法包括對多層直線涂覆絲的成形，所述涂覆絲是通過預(yù)定數(shù)量的涂覆絲的平整并置而獲得，直到獲得預(yù)定數(shù)量的層數(shù)，其特征在于，各層連接在一起，以便它們可優(yōu)選在端部固定。更具體地說，第一層是置放在一特別是一由金屬板材成形的平面上，該堆的最后一層由另一個金屬板覆蓋，該組件被結(jié)合到一起。根據(jù)一個實(shí)施方案，通過金屬帶將各層結(jié)合到一起，所述金屬帶沿該堆涂覆絲橫向布置。優(yōu)選地，所述層是從涂覆絲成形而來，這些涂覆絲是從涂覆絲的線軸上展卷而來，有利的是，在從不同線軸上展卷該層絲的同時，就形成了一層涂覆絲。然后，切割涂覆絲到所述預(yù)定長度，該長度對應(yīng)于嵌件的涂覆絲束的長度。根據(jù)實(shí)施方案，給定層的涂覆絲的端部在其成形后連接到一起。然后，將給定層涂覆絲切割(優(yōu)選一起)成所述預(yù)定長度。本發(fā)明還涉及到采用至少一個由此而獲得的嵌件來制造金屬部件的方法。根據(jù)該方法，在構(gòu)成容器的金屬體上加工嵌件的至少一個凹槽，所述嵌件置放于所述凹槽內(nèi)，將金屬蓋置放在金屬體上，從而覆蓋嵌件，將蓋子焊接到金屬體上，帶有蓋子的金屬體的組件采用熱等靜壓成型工藝焊接，以及
對所述經(jīng)過處理的組件進(jìn)行加工，獲得所述部件。
下面參照所附示意圖，閱讀本發(fā)明實(shí)施方案的詳細(xì)解釋描述，可以更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它目的、細(xì)節(jié)、特性和優(yōu)點(diǎn)會更清楚地顯現(xiàn)出來，所示示例僅為說明性，本發(fā)明并不僅限于所示示例。


圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造帶有細(xì)長形狀部件的各個步驟Ia到Id ；
圖2為制造直嵌件的裝置的平面圖3為圖1所示部件的安裝圖，所示為側(cè)面圖4所示為自前方看去的安裝圖，第一層涂覆絲已經(jīng)置放在工具的底部；
圖5為圖4所示工具,所示為填充之后,頂層金屬箔也已安裝到位；
圖6為將涂覆絲連接到底層支架的焊接裝置；
圖7為采用本發(fā)明所述方法生產(chǎn)的嵌件的透視圖。
具體實(shí)施方式
圖1a來 自以Snecma和Messier-Dowty名義遞交的專利申請F(tuán)R 2.919.284,所不為帶有細(xì)長主體4的容器1，用來形成(例如)起落架的桿。在主體4的兩側(cè)各加工了溝槽41。所述溝槽用來置放嵌件3，該嵌件由兩個直線部分組成，彼此平行，也可不平行，端部采用圓的弧度連接。嵌件為涂覆金屬一諸如鈦一的陶瓷纖維。
溝槽和嵌件為互補(bǔ)形狀，這樣，嵌件就可以緊緊貼裝在溝槽內(nèi)。應(yīng)該注意的是，容器內(nèi)的溝槽和蓋子上的柄腳必須完全結(jié)合在一起，防止直徑非常小的纖維(大約0.25mm)在熱等靜壓成型期間逸出。兩個蓋5上都帶有形成柄腳的凸起部分，兩個蓋覆蓋了主體4的兩側(cè)。柄腳壓抵在溝槽內(nèi)的嵌件上并將其密封到位。蓋子5—例如一采用電子束焊接焊接到主體4上，在容器內(nèi)形成真空。
在圖1b中可以看到容器；這是一個能看到嵌件的局部剖視圖。然后，將容器置于合適的箱內(nèi)進(jìn)行熱等靜壓成型處理。這種處理的目的是將容器、蓋和涂覆絲層結(jié)合在一起，從而形成整體部件。圖1c所示容器橫截面說明，溝槽41邊緣42進(jìn)行了倒角，目的是為與柄腳毗鄰的蓋子5部分留出間隙。在熱等靜壓成型期間，沿垂直于蓋子表面的方向施加壓力，從而使蓋子塌陷。
熱量和壓力分別大約為1000°C和1000巴，可使基底金屬充滿構(gòu)成嵌件的涂覆絲之間的空穴。嵌件的容積會減小大約23%。于是，柄腳就會向溝槽底部移位，柄腳兩側(cè)的間隙被吸收。在工藝處理結(jié)束時，金屬已經(jīng)熔化，容器被壓制成型；從而因?yàn)橥扛步z嵌入質(zhì)體內(nèi)而使得部件得以加強(qiáng)。
圖1d示出了采用兩個嵌件而獲得的坯件，可以清楚看到兩個嵌件。而后，對該坯件進(jìn)行加工，獲得所需要的部件。這樣，陶瓷纖維就植入該部件的分支內(nèi)，保證了拉力和壓縮力的傳輸。
根據(jù)該專利FR 2919283所使用的嵌件帶有環(huán)形，但是，正如專利申請F(tuán)R 2 919284中所述的那樣，這些嵌件也可以是直線桿部件形式。在后一種情況下，在此前進(jìn)行過壓制成型之后，直線嵌件采用該文件所述技術(shù)置于容器內(nèi)。
根據(jù)專利FR 2 919 284的直線嵌件的生產(chǎn)，包括圍繞環(huán)形線軸裝置纏繞涂覆絲，所述線軸裝置帶有直線部分。形狀可以是長方形的，帶有直線部分，或多邊形，其中，多邊形的各個邊構(gòu)成直線部分。在將涂覆絲纏繞成環(huán)的形狀后，該環(huán)的轉(zhuǎn)彎處通過焊接的金屬帶而保持不動。所述組件植入容器內(nèi)，采用上述技術(shù)進(jìn)行熱等靜壓成型處理。在半加工部件上加工出直線形狀的成型嵌件，然后，逐個地植入容器內(nèi)，以便制作成帶有直線陶瓷纖維加強(qiáng)件的部件。根據(jù)本發(fā)明，通過對在直線涂覆絲13直接制成的直嵌件131進(jìn)行成型而使得這種嵌件的生產(chǎn)簡單了，而這些直線涂覆絲13則是采用束桿或束的方式而連接在一起。參照圖2，實(shí)施本發(fā)明方法的裝置包括支撐多個纏繞涂覆絲13的線軸12的展卷機(jī)10。雙輥系統(tǒng)14從各個線軸上抽出涂覆絲并拉向其匯聚的方向。該系統(tǒng)由兩個圍繞平行軸轉(zhuǎn)動的輥?zhàn)咏M成；至少其中一個輥?zhàn)邮莻鲃虞?。涂覆絲在兩個輥?zhàn)?4之間提供的空間內(nèi)并排放成一層，并在出口處，構(gòu)成了一層并置的涂覆絲13，彼此平行。在輥?zhàn)?4的緊下游處，涂覆絲層被導(dǎo)入直溝槽15形狀的工具內(nèi)，所述溝槽帶有平底151和兩個側(cè)板152和153，側(cè)板垂直于所述底部，并包括透孔區(qū)154。溝槽形狀工具15的長度對應(yīng)于需要制造的嵌件13i的長度。沿等于期望嵌件13i長度的長度上，將所述涂覆絲層拉入工具15內(nèi)。根據(jù)圖2到圖5所示實(shí)施方案，薄的金屬箔或板材16置放在溝槽形狀工具15的底部，而第一層則坐落在金屬箔上。該層的寬度與金屬箔的寬度相同。箔金屬優(yōu)選與使用嵌件的金屬部件的材料相同，例如，鈦合金。所述層內(nèi)的涂覆絲的數(shù)量不受限制；這取決于將要制造的部件，圖3和圖5只是簡單示意，而且涂覆絲的直徑與溝槽的直徑不是相同比例。所述涂覆絲并置在層內(nèi)，彼此之間不留任何空間。根據(jù)本發(fā)明的連接方式，涂覆絲在溝槽的兩端固定到金屬箔16上。兩個技術(shù)都是可行的，即機(jī)械裝置和焊接裝置。對于后者，優(yōu)選裝置包括根據(jù)以本申請人名義的專利申請EP I 726 677所描述的中頻發(fā)生器。該技術(shù)具體介紹如下。采用機(jī)械固定時，端部應(yīng)加長，以便能夠固定涂覆絲層。這些加長部分要被切掉，最終成為碎屑。圖中未示出該實(shí)施方案。根據(jù)所需長度，采用焊接形式的中間固定點(diǎn)也是可行的。于是，固定到其支架上的第一層采用合適的切割裝置17—諸如，剪切器在溝槽入口處被切掉。采用輥?zhàn)?4系統(tǒng)而固定的所述涂覆層可再次拉動而構(gòu)成下一層，該層被置放在第一層上。于是，涂覆絲的長度都相同。重復(fù)此項(xiàng)操作，直到所達(dá)到的高度對應(yīng)于期望嵌件13i的尺寸。最后，將第二箔16’置放在頂部，見圖5。然后，將構(gòu)成條帶的小金屬箔側(cè)向布置在工具15的透孔區(qū)154，以便將組件固定到一起，并采用釘書釘?shù)姆绞皆谕扛步z束桿周圍釘緊，防止涂覆絲過度隆起。最終完成的嵌件13i見圖7。在端部采用機(jī)械固定的情況下，圖中未示，還必須另外進(jìn)行端部切割作業(yè)。

根據(jù)另一個實(shí)施方案，圖中未示，涂覆絲層通過端部焊接，同時也通過沿嵌件的焊接線(weld lines)而固定到位。后續(xù)層則焊接到下一層上。
該實(shí)施方案避免了對固定端部、頂部箔和側(cè)面小箔的機(jī)械系統(tǒng)的需求。根據(jù)另一個實(shí)施方案，圖中未示，當(dāng)容器腔室形狀允許時，嵌件可直接在容器腔室內(nèi)成形。第一層通過端部焊接，同時，如果需要，通過沿嵌件的焊接線，而固定到位。后續(xù)層焊接到下一層上。這種布局用來減少U工具和各種金屬箔。本發(fā)明并不限于方形或矩形截面嵌件的生產(chǎn)。涂覆絲層堆積的制造方法可通過改變連續(xù)涂覆絲層的寬度而生產(chǎn)出錐形截面。本發(fā)明還允許同時生產(chǎn)多個嵌件，其中，在由此獲得的“金屬涂覆絲束桿”長度上切割出嵌件。一旦嵌件完 成，如圖7所示嵌件，可以采用已知的和上面描述的方法植入金屬容器內(nèi)，從而形成金屬部件。根據(jù)金屬部件的具體實(shí)施方案，其中一個箔同時用作支架和置放嵌件的金屬容器的蓋子。所述蓋子焊接到容器上，同時在熱等靜壓壓制成型前在部件內(nèi)形成真空。下面介紹將涂覆絲或連接的涂覆層或一束涂覆絲局部焊接到金屬支架上的方法和裝置。所述支架設(shè)想為嚴(yán)格意義上的金屬支架，或在本示例情況下，是置放在溝槽底部或溝槽本身底部內(nèi)的箔，或另一個涂覆絲或另一個涂覆絲層或另一束涂覆絲。該方法和該裝置適合于將涂覆絲或涂覆絲層或束連接到支架上，同時保持在涂覆絲內(nèi)延伸的陶瓷纖維的整體性。如果在纏繞或覆蓋熱成形期間出現(xiàn)斷裂的情況下，所述方法和裝置還允許對涂覆絲進(jìn)行修理。參照圖5，涂覆絲13層在該層的端部連接到支架16上。為此，利用裝置20來在電極和中頻電流通過之間進(jìn)行接觸焊接。涂覆絲13在此以截面形式示出。電極焊接裝置20包括中頻發(fā)生器21，其連接到正電極22和負(fù)電極23上。焊接裝置還包括一個模塊，該模塊控制施加到電極上的力。在圖5所示實(shí)施方案中，正電極22和負(fù)電極23橫向延伸到涂覆絲13層上。其橫截面形狀在該整個寬度上是均勻的。正極22-例如，可采用銅或鎢制成一包括錐形端部。該端部的形狀做成可使電流線在最大處匯聚，從而沿正電極22和涂覆絲層16之間盡可能最窄的接觸線路一或條帶一通過。該端部也可做成圓形，從而可避免對涂覆絲的剪切，因?yàn)檫@會對涂覆絲造成損壞。該端部的半徑選擇為可獲得電流線的盡可能最佳匯聚，但是又不會太窄，目的是避免對涂覆絲造成剪切。電極的這種布置確保了涂覆絲層隨后沿非常窄的條帶處焊接到由箔16組成的支架上。在這個條帶上，電流的集中是恒定的。電極焊接工藝具有將涂覆絲層金屬加熱與稍稍鍛造結(jié)合的具體特性，這可由電極的增壓而獲得。加熱和增壓的功率和時間可方便地控制金屬溫升達(dá)到最小，以獲得其鍛造效果，從而實(shí)施固態(tài)焊接。涂覆絲層通過正電極和負(fù)電極之間電流流過而加熱，這是由中頻發(fā)生器21所產(chǎn)生的控制電流所致。涂覆絲層上的壓力在此刻通過正電極22經(jīng)由增壓而獲得，所述正電極因而執(zhí)行第二功能，即作為壓機(jī)。其端部的圓形對于這個功能極為重要，因?yàn)樵搶拥耐扛步z決不能受到剪切。此處所述的電極焊接工藝實(shí)施如下。正如已經(jīng)說明的那樣，這是一種固態(tài)焊接工藝。正電極和負(fù)電極布置成分別與涂覆絲層和溝槽底面接觸。在第一階段，只有壓力作用到兩個電極之間的涂覆絲上。將壓力升至值P1，優(yōu)選在5到13kg之間。該“冷”增壓階段的功能是確保涂覆絲彼此之間以及與其支架的壁之間的適當(dāng)接觸。在兩層涂覆絲的情況下，所有有關(guān)的絲都會接觸到一起(一層絲起另一層絲的支架的作用)。這種正確接觸保證了下一階段期間電流的適當(dāng)流過。然后，將電流升到一個值，優(yōu)選在500到1500A之間。這樣，使得涂覆絲的陶瓷纖維的金屬的受熱，開始焊接。然后，將壓力升至更高值，目的是實(shí)施該層涂覆絲的附加鍛造。然后，再返回到其初始值，停留 時間為焊接后冷卻所需的時間。
權(quán)利要求
1.一種采用熱等靜壓成型(HIC)方法制造可置入金屬容器內(nèi)的直嵌件(13i)的方法，所述嵌件包括一束涂覆絲(13)，所述涂覆絲結(jié)合在一起并具有預(yù)定長度，所述涂覆絲采用金屬涂覆陶瓷纖維制成，其特征在于，涂覆絲以直線并置方式沿預(yù)定長度置放在直溝槽形狀的工具內(nèi)，所述涂覆絲結(jié)合在一起。
2.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于構(gòu)成許多直線涂覆絲(13)層，每層都是由預(yù)定數(shù)量涂覆絲平整并置而獲得，直到獲得預(yù)定數(shù)量層數(shù)，還在于將各層連接在一起，以便其至少在端部被固定。
3.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，第一層布置在金屬板材(16)上，最后一層由金屬板(16’ )覆蓋，組件被連接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，各層通過沿所述涂覆絲(13)堆橫向布置的金屬帶(16”)連接在一起。
5.根據(jù)前面其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，各層是由涂覆絲而形成，這些涂覆絲是從涂覆絲線軸(12)展卷而成。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在從不同線軸上展開該層涂覆絲的同時而形成一個涂覆絲層。
7.根據(jù)前面其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，給定層的涂覆絲的端部在其成形后便連接在一起。
8.根據(jù)前面權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，給定層的涂覆絲被一起切割(17)到對應(yīng)于嵌件涂覆絲束的長度。
9.一種采用前面其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的至少一個嵌件(13i)制造金屬部件的方法，其特征在于，在金屬容器上加工至少一個用于嵌件的凹槽，所述嵌件置放在凹槽內(nèi)，金屬蓋置放在主體上，以便覆蓋嵌件，所述蓋子焊接到金屬容器上，帶有蓋子的金屬容器的組件采用熱等靜壓壓縮進(jìn)行處理，所述經(jīng)處理的組件經(jīng)過加工而獲得所述部件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過熱等靜壓成型(HIC)制成的直嵌件置入金屬容器內(nèi)的制造方法，所述嵌件包括一束涂覆絲，彼此之間連接，并具有預(yù)定長度。所述絲采用金屬涂覆陶瓷纖維制成。所述方法的特征在于，所述涂覆絲束可通過直線涂覆絲(13)在預(yù)定長度上并置和通過彼此連接而獲得。本發(fā)明還涉及到通過熱等靜壓成型(HIC)技術(shù)制造內(nèi)置纖維嵌件的金屬部件。
文檔編號C22C47/06GK103210111SQ201080056729
公開日2013年7月17日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16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·卡西米爾·克萊因, 理查德·馬松, 路易斯·沙爾瓦特 申請人:斯奈克瑪, 梅西耶-布加蒂-道提公司