由復(fù)合材料制成的噴嘴或擴(kuò)張噴嘴元件的制造方法

專利名稱：由復(fù)合材料制成的噴嘴或擴(kuò)張噴嘴元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段(section)制造為包含通過(guò)基體致密化的纖 維增強(qiáng)體的單層復(fù)合材料。本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域更特別地為用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或航空發(fā)動(dòng)機(jī)的 噴嘴領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)于待用于航天或航空領(lǐng)域的部件而言，公知的是使用熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即具有 使得它們適合構(gòu)造結(jié)構(gòu)元件的機(jī)械性能并具有在高溫下保持這些性能的能力的復(fù)合材料。 該類熱結(jié)構(gòu)材料特別地為碳/碳(C/C)復(fù)合材料(碳纖維增強(qiáng)體和碳基體)；和陶瓷基體 復(fù)合材料(CMC)，例如C/SiC (碳纖維增強(qiáng)體和碳化硅基體)、C/C-SiC (碳纖維增強(qiáng)體和混 合的碳和碳化硅基體)，或者實(shí)際上SiC/SiC?？赏ㄟ^(guò)卷繞細(xì)絲或者通過(guò)在模型(former)上重疊纖維層以獲得形狀接近待制部 件的形狀的纖維預(yù)成型體，從而獲得熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的纖維增強(qiáng)體。纖維層可特別地通過(guò) 針刺而彼此結(jié)合，所述針刺使用相對(duì)于層橫向移動(dòng)纖維的倒鉤針，由此提供層之間的結(jié)合 從而增加抗分層性，即對(duì)層彼此分離的抵抗性。通過(guò)碳或陶瓷基體致密化纖維增強(qiáng)體可使用液體技術(shù)或通過(guò)化學(xué)氣相滲透(CVI) 進(jìn)行。使用液體技術(shù)的致密化包括以公知的方式用包含碳-或陶瓷-前體樹(shù)脂的液體組合 物浸漬纖維增強(qiáng)體，然后聚合并熱解樹(shù)脂以獲得碳或陶瓷殘余物，有可能進(jìn)行多個(gè)連續(xù)的 浸漬、聚合和熱解循環(huán)。以如下公知的方式進(jìn)行CVI致密化將纖維增強(qiáng)體置于封閉體內(nèi)并 通過(guò)使反應(yīng)氣體進(jìn)入封閉體，從而特別地，在確定的壓力和溫度條件下，氣體擴(kuò)散至纖維增 強(qiáng)體內(nèi)并通過(guò)一種或多種氣體組分分解的方式或通過(guò)一種或多種組分反應(yīng)的方式而用于 沉積基體材料。對(duì)于具有特定形狀，特別是復(fù)雜形狀的部件，可在適當(dāng)?shù)墓ぞ呱线M(jìn)行使用液 體技術(shù)的第一步固結(jié)從而將纖維增強(qiáng)體凍結(jié)為所需的形狀，而無(wú)需使用工具，例如通過(guò)CVI 而繼續(xù)進(jìn)行致密化。特別地，在文獻(xiàn)EP-A-0633 233中描述了使用液體技術(shù)的相關(guān)固結(jié)和 通過(guò)CVI的致密化。已經(jīng)提議由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造噴嘴擴(kuò)張區(qū)段。因此，文獻(xiàn)US-A-6 817 184公開(kāi)了通過(guò)卷繞碳纖維紗的細(xì)絲并成形以獲得具有 纖維增強(qiáng)體的連續(xù)性的整體凸緣部分而制造薄壁C/SiC材料擴(kuò)張區(qū)段的方法?？刹迦胩伎?物插入體以局部增加厚度。在該文獻(xiàn)中，提及的現(xiàn)有技術(shù)包括將重疊的織物層置于模型上， 用碳前體樹(shù)脂浸漬織物層，并在熱解樹(shù)脂后，用熔融硅進(jìn)行滲透以獲得C/SiC復(fù)合材料。申請(qǐng)人:使用的另一已知的方法包括通過(guò)重疊和針刺在模型上的纖維層并通過(guò)由 CVI獲得的基體將纖維增強(qiáng)體致密化而形成纖維增強(qiáng)體。如上所述，與由未彼此結(jié)合的重疊 層構(gòu)成的纖維增強(qiáng)體相比，針刺提供了抗分層性，以及因此更好的機(jī)械強(qiáng)度。盡管如此，為 了獲得具有基本均勻特征的針刺增強(qiáng)體，需要制造相對(duì)較厚的針刺預(yù)成型體，其僅有中央 部分可有效地利用。例如，為了獲得3毫米(mm)的可用增強(qiáng)體厚度，需要制造總厚度為20 毫米的針刺的纖維預(yù)成型體。因此制造纖維增強(qiáng)體是漫長(zhǎng)的且昂貴的，需要各種操作，并導(dǎo)致材料的大量損失。此外，在針刺的纖維增強(qiáng)體中的纖維體積百分比相對(duì)較低，因此限制了 所得噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種使薄壁噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段能夠由具有極好機(jī)械 強(qiáng)度的復(fù)合材料制得，并同時(shí)避免了上述缺點(diǎn)的方法。通過(guò)包括如下步驟的方法實(shí)現(xiàn)該目的·獲得由三維編織得到的纖維結(jié)構(gòu)的板條(panels)；·通過(guò)在模型上成型(conforming)板條，并通過(guò)經(jīng)由相互接觸邊緣而將板條連接 在一起，從而形成纖維預(yù)成型體，所述模型具有再現(xiàn)待制造的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的內(nèi)表 面或外表面的所需形狀的表面； 通過(guò)對(duì)用包含樹(shù)脂的固結(jié)組合物浸漬的纖維預(yù)成型體進(jìn)行成形而形成固結(jié)的纖 維增強(qiáng)體，對(duì)浸漬的纖維預(yù)成型體施加的成形在模型和夾套之間進(jìn)行以獲得具有至少35% 的纖維體積百分比，且在其軸線尺寸的至少主要部分具有由單層纖維結(jié)構(gòu)板條形成的不大 于5毫米的厚度的固結(jié)的纖維增強(qiáng)體；以及·在熱解樹(shù)脂之后通過(guò)化學(xué)氣相滲透繼續(xù)固結(jié)的纖維增強(qiáng)體的致密化，使得在致 密化之后獲得實(shí)際上具有待制造的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的形狀和壁厚的部件。本發(fā)明的方法的顯著之處在于其使得如下各項(xiàng)同時(shí)成為可能·直接獲得非常輕的而同時(shí)能夠具有相對(duì)較大的尺寸的薄壁噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū) 段，通常所述壁在噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的軸向尺寸的主要部分具有不大于約5毫米的厚 度，優(yōu)選不大于3毫米或者甚至小于2毫米，例如為2毫米至1毫米，或者甚至更小的厚度， 所述相對(duì)較大的尺寸例如軸向尺寸可超過(guò)2000毫米，且出口內(nèi)徑可超過(guò)3000毫米； 直接獲得“近凈成形”噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段，即形狀非常接近其最終完成的形狀， 具有內(nèi)或外主表面，且有利地至少大部分其他主表面呈現(xiàn)所需的形狀而無(wú)需在完成部件階 段或甚至在纖維增強(qiáng)體階段對(duì)這些表面進(jìn)行機(jī)械加工的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段；因此有可能 直接獲得所需的空氣動(dòng)力學(xué)輪廓(profile)，有可能將任何最終的機(jī)械加工限制在縱向端， 特別地將其限制為功能性機(jī)械加工以提供界面和連接部分；以及 通過(guò)使用由經(jīng)由三維(3D)編織獲得的纖維結(jié)構(gòu)(即具有多層通過(guò)編織結(jié)合在一 起的紗，由此相比于以2D織物或片材的形式重疊的兩維QD)層減少了任何分層的風(fēng)險(xiǎn)) 制得的板條并通過(guò)具有相對(duì)較高的纖維含量而獲得具有極好機(jī)械性能的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張 區(qū)段。此外，在固結(jié)的并由此部分致密化的，且具有對(duì)應(yīng)于待制造的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū) 段的壁厚的有限厚度的纖維增強(qiáng)體上進(jìn)行致密化?？刹捎醚刂w維增強(qiáng)體的小或極小的厚 度的致密化梯度而實(shí)現(xiàn)對(duì)如此薄的纖維增強(qiáng)體的致密化。優(yōu)選地，對(duì)纖維預(yù)成型體進(jìn)行成形以獲得至少在其軸端部分呈現(xiàn)整體化的加強(qiáng)筋 部分的纖維增強(qiáng)體。加強(qiáng)筋部分確保盡管極薄的壁厚但符合所需的形狀，至少直至纖維增 強(qiáng)體的致密化。至少一個(gè)加強(qiáng)筋部分可通過(guò)在纖維增強(qiáng)體的軸端部分賦予角度形成輪廓或通過(guò) 局部增加纖維增強(qiáng)體的壁厚而獲得。
板條可以在模型上成型，且它們的相鄰邊緣重疊。可形成具有至少一個(gè)在預(yù)成型體的軸的周圍周向延伸的額外厚度的纖維預(yù)成型 體，所述額外厚度例如通過(guò)纖維結(jié)構(gòu)板條的相鄰邊緣的相互重疊而獲得。可將板條彼此結(jié)合在一起以通過(guò)縫合形成纖維預(yù)成型體。有利地，當(dāng)成形以形成纖維增強(qiáng)體時(shí)，壓縮浸漬的纖維預(yù)成型體以具有高纖維體 積百分比。在浸漬的纖維預(yù)成型體的壓縮過(guò)程中，有利地將膜片，例如由彈性體制得的彈性 可變形且未形成皺折的膜片施用于纖維預(yù)成型體。這有可能獲得纖維增強(qiáng)體，其中遠(yuǎn)離其 施用于模型的表面的表面沒(méi)有缺陷。在模型上成型纖維結(jié)構(gòu)板條之前，可在纖維結(jié)構(gòu)上進(jìn)行用固結(jié)組合物的浸漬。優(yōu)選地，在成形纖維預(yù)成型體以形成纖維增強(qiáng)體之前，對(duì)固結(jié)組合物的樹(shù)脂進(jìn)行 預(yù)固化。纖維結(jié)構(gòu)的剛性可由此得以增加，從而避免了過(guò)度的后續(xù)壓縮。在成型浸漬的纖 維結(jié)構(gòu)板條之前，可至少部分地進(jìn)行樹(shù)脂的預(yù)固化。本發(fā)明還提供以此方式由復(fù)合材料制得的薄壁和低重量的噴嘴和噴嘴擴(kuò)張區(qū)段， 特別是在其軸向尺寸的主要部分具有不大于3毫米的厚度，或者甚至1毫米至2毫米的厚 度，而同時(shí)能夠具有相對(duì)較大的尺寸，例如至少800毫米的軸向尺寸和至少1000毫米的在 下游端的內(nèi)徑的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段。


以下通過(guò)非限制性說(shuō)明的方式并參考附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施方案，其中圖1為可通過(guò)本發(fā)明的方法制得的噴嘴的擴(kuò)張區(qū)段的一個(gè)實(shí)施例的軸向截面的 半視圖；圖2顯示了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施中的方法的步驟；圖3顯示了用于纖維層的3D編織的雙羅紋編織的一個(gè)實(shí)施例；圖4至8顯示了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施中制造用于獲得圖1的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的纖維 預(yù)成型體的連續(xù)步驟，圖5為圖4的細(xì)節(jié)的平面V-V的局部剖面圖；圖9為顯示為了制造具有不同厚度的纖維預(yù)成型體部分的目的而在模型上成型 纖維結(jié)構(gòu)板條的軸向截面的放大半視圖；圖10為顯示用于通過(guò)在模型和夾套之間(彈性體膜片介于其間)壓縮纖維預(yù)成 型體而獲得的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的纖維增強(qiáng)體的軸向截面的半視圖；圖11為在最終機(jī)械加工之前通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的照 片；以及圖12為可通過(guò)本發(fā)明的方法制得的一個(gè)示例性噴嘴的透視圖。
具體實(shí)施例方式圖1為可通過(guò)本發(fā)明的方法制得的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的擴(kuò)張區(qū)段10的軸向半剖視圖。噴嘴擴(kuò)張區(qū)段10可由包含由碳纖維制得的纖維增強(qiáng)體的碳/碳(C/C)復(fù)合材料 制得，所述纖維增強(qiáng)體通過(guò)同樣由碳制得的基體進(jìn)行致密化。噴嘴擴(kuò)張區(qū)段可同樣良好地 由包含由碳纖維制得的纖維增強(qiáng)體的碳/碳-陶瓷復(fù)合材料制得，所述纖維增強(qiáng)體通過(guò)混合的碳和陶瓷基體進(jìn)行致密化，所述陶瓷構(gòu)成基體的外相并提供抗氧化保護(hù)?；w的陶瓷 相可由碳化硅制得，或可由例如Si-B-C三元體系形成。噴嘴擴(kuò)張區(qū)段還可由包含由碳纖維 制得的纖維增強(qiáng)體的碳/陶瓷復(fù)合材料制得，所述纖維增強(qiáng)體通過(guò)由陶瓷或基本上陶瓷制 得的基體進(jìn)行致密化。在該實(shí)施例中，噴嘴擴(kuò)張區(qū)段10是軸向?qū)ΨQ的，其中上游部分12形成緊固件凸 緣，其通過(guò)擴(kuò)張區(qū)段本身14向下游延伸，本文所用的術(shù)語(yǔ)“上游”和“下游”是指氣體通過(guò) 擴(kuò)張區(qū)段的流動(dòng)方向。凸緣12使得擴(kuò)張區(qū)段10能夠在燃燒室的出口處被緊固至火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)機(jī)體。在凸緣形成部分12，自上游端起，擴(kuò)張區(qū)段10的壁厚逐漸減少，隨后基本上恒定， 且在部分14中為最小。此外，在凸緣形成部分12中，自上游端起，直徑減少，隨后在部分14 中增加，擴(kuò)張區(qū)段10的直徑因此在其部分12和14之間的連接處經(jīng)過(guò)最小值。方法(圖2)的第一步驟20在于制備纖維結(jié)構(gòu)，該纖維結(jié)構(gòu)形成用于復(fù)合材料的 纖維增強(qiáng)體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)優(yōu)選通過(guò)碳纖維的三維(3D)編織而獲得。有可能用雙 羅紋編織實(shí)施多層編織，所述雙羅紋編織的平面如圖3所示。經(jīng)紗的每層將緯紗(以截面 顯示)的多個(gè)層連接在一起，給定經(jīng)列的所有紗在編織的平面中以相同的方式移動(dòng)。盡管 如此，可使用其他類型的多層編織，特別是多平面或多緞編織。各種多層類型3D編織技術(shù) 描述于文獻(xiàn)W0-A-2006/136755中。纖維結(jié)構(gòu)有利地在1400°C至2200°C的溫度下并在真空或惰性氛圍下(例如在氮 氣或氬氣下)經(jīng)受熱處理(步驟21)。該熱處理特別地用于獲得提純效果(消除包含于纖 維中的N、0、Na和Ca元素)，且其能夠使得復(fù)合材料獲得更佳的熱機(jī)械性能。用固結(jié)組合物浸漬纖維結(jié)構(gòu)(步驟22)。可僅通過(guò)在樹(shù)脂在溶劑中的浴中沉浸而 進(jìn)行浸漬。使用的樹(shù)脂在干燥和聚合之后留下固體殘余物，所述固體殘余物在樹(shù)脂的熱解 和通過(guò)CVI進(jìn)行的最終致密化之前能夠固結(jié)纖維增強(qiáng)體，如下所述。舉例而言，使用選自酚 醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂的碳前體樹(shù)脂。優(yōu)選以如下方式進(jìn)行浸漬提供一定量樹(shù)脂，使得在壓縮 以成形預(yù)成型體、固化樹(shù)脂和熱解固化的樹(shù)脂的后續(xù)步驟之后，在熱解樹(shù)脂之后在所得固 結(jié)的纖維增強(qiáng)體中殘留的體積百分比為5%至15% (即被樹(shù)脂的熱解殘余物占據(jù)的纖維增 強(qiáng)體的表觀體積百分比)。將浸漬的纖維結(jié)構(gòu)排干并置于爐中以除去樹(shù)脂溶劑并可能地還預(yù)固化樹(shù)脂(步 驟23)。預(yù)固化用于增加纖維結(jié)構(gòu)的剛性，但預(yù)固化是有限的以為后續(xù)成型留下足夠的撓 性。隨后自浸漬的纖維結(jié)構(gòu)切割板條(步驟24)以通過(guò)成型并裝配板條而形成纖維預(yù) 成型體。應(yīng)該觀察到可在切割板條之后進(jìn)行浸漬，在此情況下可在切割板條之前或之后并 在浸漬之前進(jìn)行上述熱處理。在陽(yáng)模40上(圖5至8)成型浸漬的纖維結(jié)構(gòu)板條，該陽(yáng)模具有再現(xiàn)待制造的噴 嘴擴(kuò)張區(qū)段的內(nèi)表面的所需輪廓的外表面，由此制得纖維預(yù)成型體(步驟25)。將第一系列板條41圍繞軸A置于模型40上。每個(gè)板條41在兩個(gè)徑向平面P。和 P2之間以及在兩個(gè)子午面之間延伸。平面Ptl對(duì)應(yīng)于包含纖維預(yù)成型體和待制造的噴嘴擴(kuò) 張區(qū)段的上游端的平面。平面P2大約位于待制造的纖維預(yù)成型體的中間部分。將板條41 并置，它們的相鄰邊緣重疊，從而形成額外的厚度41a，如圖5中可見(jiàn)。在所示的實(shí)施例中，存在四個(gè)板條41。將第二系列板條42圍繞其軸A置于心軸40上。每個(gè)板條42在兩個(gè)徑向平面P3 和P1之間以及兩個(gè)子午面之間延伸，平面P1對(duì)應(yīng)于包含預(yù)成型體和待制造的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段 的下游端的平面，平面P3位于離平面P2的略微上游處。以與板條41相同的方式將板條42 并置，它們的相鄰邊緣重疊，從而形成額外的厚度42a。此外，在軸向方向，將板條41和42 并置，它們的相鄰邊緣重疊，由此在平面P2和P3之間形成額外的厚度42b，板條42的邊緣 覆蓋在板條41的邊緣之上。在所示實(shí)施例中，板條42的數(shù)目同樣為四個(gè)，但是它們相對(duì)于 板條41有角度地偏移，使得在板條41的相鄰邊緣之間的重疊區(qū)域不延伸至在板條42的相 鄰邊緣之間的重疊區(qū)域。當(dāng)其末端對(duì)應(yīng)于預(yù)成型體和待制造的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的下游端時(shí)，模型40呈現(xiàn)形 成邊40a的較大直徑部分。通過(guò)壓制模型40的部分40a而將位于板條42的該水平的末端 向外彎曲，由此形成凸緣42c的環(huán)形邊。選擇3D編織的纖維結(jié)構(gòu)的厚度使得在壓縮纖維預(yù)成型體之后具有最小厚度的噴 嘴擴(kuò)張區(qū)段的部分使用單層纖維增強(qiáng)體制得，如下所述。噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的該最小厚度部分 沿其軸向尺寸的主要部分延伸。在對(duì)應(yīng)于待制造的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的最厚部分的上游部分，重疊多個(gè)纖維結(jié)構(gòu)層。因此，如圖7至9中所示，將一系列板條43置于板條42的上游部分，在平面P。和 徑向平面P4(對(duì)應(yīng)于待制造的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的厚度增加的位置)之間延伸的板條43開(kāi)始 向上游移動(dòng)。存在四個(gè)這種板條，每個(gè)板條占據(jù)兩個(gè)額外厚度4 之間的范圍。將另外系列的四個(gè)板條44 (圖9)置于板條43上，板條44在平面Ptl和位于平面 P4上游的徑向平面P5之間延伸。板條44通過(guò)沿著子午面將邊與邊并置而連接在一起，它 們相對(duì)于額外的厚度4 有角度地偏移。將另一另外系列的四個(gè)板條45 (圖9)置于板條44上，板條45在平面Ptl和位于 平面P4和P5之間的徑向平面P6之間延伸。平面45通過(guò)沿著子午面將邊與邊并置而連接 在一起，它們相對(duì)于在板條44之間的連接的子午面有角度地偏移。最后，將另外系列的四個(gè)板條46(圖8和9)置于板條43、44、45上，板條46在平 面Ptl和位于平面P4和P6之間的中間面P7之間延伸，使得板條46覆蓋板條44和45的下游 邊緣。將板條46沿著子午面邊與邊并置，它們相對(duì)于板條43、44和45的連接子午面有角 度地偏移。自然地，需要取決于待制造的厚度增加的輪廓而選擇在纖維預(yù)成型體的上游部分 的一系列另外的板條的數(shù)目和布置。為了形成內(nèi)聚的纖維預(yù)成型體，通過(guò)植入碳線或優(yōu)選地通過(guò)用碳線縫合而將纖維 結(jié)構(gòu)板條連接在一起(步驟26)。板條41沿著它們相互重疊的邊緣而被縫合在一起，板條 42也如此。板條41和42沿著它們相互重疊的邊緣而被縫合在一起，從而形成額外的厚度 42b。通過(guò)縫合而將板條43、44、45和46裝配至底層板條。在每個(gè)系列的板條中，板條的數(shù)目當(dāng)然可不為4，各系列可互不相同，這特別地取 決于板條密切配合模型形狀而不形成明顯的表面不規(guī)則性的能力。類似地，限定纖維預(yù)成 型體的最小厚度的板條的系列的數(shù)目可為1或2以上。選擇最小厚度使得確保在形成纖維 增強(qiáng)體和致密化之后，獲得不大于5毫米，有利地不大于3毫米，甚至小于2毫米，例如2毫米至1毫米，或甚至更小的所需壁厚。自然地，可采取布置纖維結(jié)構(gòu)板條的其他方式，優(yōu)選地選擇板條以使得它們具有 能夠被成型而它們的表面又無(wú)實(shí)質(zhì)變形的最大尺寸。此外，有可能在纖維預(yù)成型體裝配之后通過(guò)在纖維預(yù)成型體上施用固結(jié)組合物而 浸漬纖維結(jié)構(gòu)。一旦纖維預(yù)成型體已被裝配，固結(jié)組合物的樹(shù)脂可進(jìn)行預(yù)固化或者可繼續(xù)其預(yù)固 化(步驟27)，從而增加纖維預(yù)成型體的剛性，同時(shí)使其具有能夠隨后被壓縮的足夠的撓 性。因此有可能在后續(xù)壓縮過(guò)程中限制纖維預(yù)成型體的平整。因此任何樹(shù)脂的預(yù)固化可以 在兩階段中進(jìn)行，一個(gè)階段在模型40上成型之前用浸漬的纖維結(jié)構(gòu)板條進(jìn)行，另一階段在 纖維預(yù)成型體已被裝配之后進(jìn)行，或者其可在這兩個(gè)階段的僅其中之一進(jìn)行。有利地壓縮纖維預(yù)成型體(步驟觀)以獲得具有所需纖維體積百分比，即至少 35%，優(yōu)選為35%至50%的纖維增強(qiáng)體。為此，將模型40和纖維預(yù)成型體50置于撓性?shī)A 套52內(nèi)(圖9)，夾套內(nèi)部與抽吸設(shè)備連接以壓縮纖維預(yù)成型體?？蓪⒛軌蜃冃味鵁o(wú)皺折形 成的彈性體材料的膜片M插入夾套52和預(yù)成型體50之間，以防止標(biāo)記纖維增強(qiáng)體的外表 面的夾套52的皺折。應(yīng)該觀察到只要可以控制在夾套內(nèi)部的抽吸的水平，就無(wú)需為了限制 纖維預(yù)成型體的壓縮的目的而預(yù)固化樹(shù)脂。在壓縮之后，進(jìn)行固化樹(shù)脂的步驟四從而獲得固結(jié)的，即可被處理同時(shí)保持其形 狀的纖維預(yù)成型體。從用于成型并固結(jié)纖維增強(qiáng)體的工具提取固結(jié)的纖維增強(qiáng)體，模型40由多個(gè)部 分制得，使得其可被拆卸。在其下游端，固結(jié)的纖維增強(qiáng)體呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)于邊42c的環(huán)形邊，由此有助于在該 點(diǎn)加強(qiáng)固結(jié)的纖維增強(qiáng)體，并能夠使得所需的形狀適當(dāng)?shù)氐靡员４嬷辽僦敝林圃靽娮鞌U(kuò)張 區(qū)段的過(guò)程結(jié)束。在其上游端，固結(jié)的纖維增強(qiáng)體首先呈現(xiàn)出額外的厚度，其次呈現(xiàn)出形成 一角度(對(duì)應(yīng)于凸緣12和待制造的擴(kuò)張區(qū)段的部分14之間的連接角度)的輪廓，兩者均 有助于加強(qiáng)并保持上游端的形狀。應(yīng)該觀察到還可在下游端提供厚度的增加以提供取代形 成外部凸緣的加強(qiáng)功能或除了形成外部凸緣之外的加強(qiáng)功能。進(jìn)行熱解固化樹(shù)脂的步驟30，例如在700°C至1200°C的溫度下，然后在爐中通過(guò) CVI致密化纖維增強(qiáng)體(步驟31)。應(yīng)該觀察到當(dāng)在進(jìn)行致密化之前立即提高CVI爐內(nèi)部 的溫度時(shí)，樹(shù)脂可被熱解。進(jìn)行CVI致密化以獲得碳基體或混合的碳和陶瓷基體，例如碳和碳化硅(SiC)基 體或者碳和三元硅-碳體系(Si-B-C)基體，或者實(shí)際上陶瓷基體，例如SiC或Si-B-C基體。用熱解碳(PyC)基體致密化纖維增強(qiáng)體的CVI過(guò)程是已知的。將纖維增強(qiáng)體置于 爐中。將作為PyC前體的反應(yīng)氣體引入爐中，通常氣體包含一種或多種烴類化合物。特別 地在壓力和溫度的預(yù)定的條件下，反應(yīng)氣體擴(kuò)散至纖維增強(qiáng)體的內(nèi)部孔中以在其中通過(guò)一 種或多種氣體組分的分解而沉積PyC。形成SiC基體或基體相的CVI過(guò)程也是公知的，反應(yīng)氣體通常包含甲基三氯硅烷 (MTS)和氫氣的混合物。為了形成由Si-B-C三元體系構(gòu)成的基體相，有可能使用包含MTS、 三氯化硼(BCl3)和氫氣混合物的反應(yīng)氣體。由于纖維增強(qiáng)體的厚度有限，避免了在纖維增強(qiáng)體的核與其表面部分之間的任何明顯的致密化梯度的風(fēng)險(xiǎn)。由此直接獲得加強(qiáng)部件，該加強(qiáng)部件具有噴嘴擴(kuò)張區(qū)段所需的形狀(至少就其內(nèi) 表面而言，且有利地還實(shí)際上就其所有的外表面而言)，任何精加工有可能被限制在端部 分，特別是在鄰接處。在致密化之后，如果加強(qiáng)筋在擴(kuò)張區(qū)段中沒(méi)有用，則可除去在固結(jié)的 纖維增強(qiáng)體的下游端形成外緣的加強(qiáng)筋部分。此外，額外厚度42b的存在導(dǎo)致可構(gòu)成在擴(kuò)張區(qū)段中間的加強(qiáng)筋或加強(qiáng)筋的支撐 的增強(qiáng)部分。圖11為顯示在致密化之后和在最終機(jī)械加工之前通過(guò)類似于參照?qǐng)D2至10描述 的方法而獲得的噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的照片，所用的基礎(chǔ)纖維結(jié)構(gòu)為具有雙羅紋編織的1. 5毫米 厚的三維織物。擴(kuò)張區(qū)段本身具有在其與凸緣連接處的約400毫米至在其下游端的約1020 毫米的內(nèi)徑。擴(kuò)張區(qū)段的總長(zhǎng)度為約970毫米，包括擴(kuò)張區(qū)段本身(不包括凸緣)的約850 毫米。對(duì)于這樣的尺寸，值得注意的是，在致密化之后，擴(kuò)張區(qū)段具有約42%的高纖維含量 和極低的重量，即約6. 48千克(kg)，在最終致密化之前和在固化樹(shù)脂之后的固結(jié)的纖維增 強(qiáng)體的重量為約5. 52千克。在形成擴(kuò)張區(qū)段本身的部分，在對(duì)應(yīng)于纖維結(jié)構(gòu)板條之間重疊 的區(qū)域外的壁厚為約1.5毫米。本發(fā)明不限于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴擴(kuò)張區(qū)段。本發(fā)明可應(yīng)用于制造用于飛機(jī)或直 升飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴。圖12顯示了用于燃?xì)鉁u輪機(jī)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)這樣的噴嘴。 在其軸端，噴嘴呈現(xiàn)形成角的輪廓部分，該部分在纖維增強(qiáng)體階段構(gòu)成加強(qiáng)筋部分。本發(fā)明的顯著之處特別在于本發(fā)明使得有可能獲得薄壁、重量輕的噴嘴或噴嘴擴(kuò) 張區(qū)段，所述噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段能夠具有相對(duì)較大的尺寸，特別是至少800毫米的軸向 尺寸和至少1000毫米的在下游端的內(nèi)徑。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，復(fù)合材料可為陶瓷基體復(fù)合材料(CMC)，纖維增強(qiáng)體由陶瓷 纖維，例如由碳化硅制得，且基體同樣由陶瓷，例如同樣由碳化硅制得，固結(jié)樹(shù)脂優(yōu)選為陶 瓷前體樹(shù)脂。在某些應(yīng)用中，特別是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，纖維預(yù)成型體的成形(shaping)和 纖維增強(qiáng)體的成型(conforming)可在呈現(xiàn)再現(xiàn)噴嘴的外表面的所需形狀的內(nèi)表面的陰模 上進(jìn)行。還應(yīng)該觀察到，本發(fā)明可用于制造并非完全軸向?qū)ΨQ的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段，如 圖12中所示的噴嘴。
權(quán)利要求
1.由包含通過(guò)基體致密化的纖維增強(qiáng)體的復(fù)合材料制造薄壁噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的 方法，該方法包括 獲得由三維編織得到的纖維結(jié)構(gòu)的板條； 通過(guò)在模型上成型板條并通過(guò)經(jīng)由相互接觸邊緣而將板條連接在一起，從而形成纖 維預(yù)成型體，所述模型具有再現(xiàn)待制造的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的內(nèi)表面或外表面的所需形 狀的表面；通過(guò)將對(duì)用包含樹(shù)脂的固結(jié)組合物浸漬的纖維預(yù)成型體進(jìn)行成形而形成固結(jié)的纖維 增強(qiáng)體，對(duì)浸漬的纖維預(yù)成型體施加的成形在模型和夾套之間進(jìn)行以獲得具有至少35%的 纖維體積百分比，且在其軸向尺寸的至少主要部分具有由單層纖維結(jié)構(gòu)板條形成的不大于 5毫米的厚度的固結(jié)的纖維增強(qiáng)體；以及 在熱解樹(shù)脂之后通過(guò)化學(xué)氣相滲透繼續(xù)固結(jié)的纖維增強(qiáng)體的致密化，使得在致密化 之后獲得實(shí)際上具有待制造的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段的形狀和壁厚的部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將纖維預(yù)成型體成形以獲得至少在其軸端 部分呈現(xiàn)整體化的加強(qiáng)筋部分的纖維增強(qiáng)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于至少一個(gè)加強(qiáng)筋部分通過(guò)將角度形成輪廓 賦予固結(jié)的增強(qiáng)體的軸端部分而獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于至少一個(gè)加強(qiáng)筋部分通過(guò)局部增加固結(jié)的 增強(qiáng)體的壁厚而獲得。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于將板條在模型上成型，且板條 的相鄰邊緣重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于形成具有至少一個(gè)在預(yù)成型 體的軸的周圍周向延伸的額外厚度的纖維預(yù)成型體，所述額外厚度通過(guò)纖維結(jié)構(gòu)板條的相 鄰邊緣的相互重疊獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述板條通過(guò)縫合而結(jié)合在 一起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于當(dāng)將浸漬的纖維預(yù)成型體成 形以形成纖維增強(qiáng)體時(shí)，壓縮該浸漬的纖維預(yù)成型體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在壓縮浸漬的纖維預(yù)成型體的過(guò)程中，將 彈性可變形且未形成皺折的膜片施用在纖維預(yù)成型體上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在將纖維結(jié)構(gòu)板條在模型上 成型之前在纖維結(jié)構(gòu)上進(jìn)行用固結(jié)組合物的浸漬。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在成型纖維預(yù)成型體以形 成纖維增強(qiáng)體之前，將固結(jié)組合物的樹(shù)脂預(yù)固化。
12.根據(jù)權(quán)利要求10和11所述的方法，其特征在于在將浸漬的纖維結(jié)構(gòu)板條在模型上 成型之前至少部分地進(jìn)行預(yù)固化。
13.通過(guò)如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法獲得的由復(fù)合材料制得的薄壁噴嘴或 噴嘴擴(kuò)張區(qū)段，所述薄壁噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段在其軸向尺寸的主要部分具有不大于3毫米 的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段，其特征在于所述厚度為1毫米至2毫米。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的噴嘴或噴嘴擴(kuò)張區(qū)段，其具有不小于800毫 米的軸向尺寸和不小于1000毫米的在其下游端處的內(nèi)徑。
全文摘要
通過(guò)在模型(40)上成形纖維結(jié)構(gòu)的板條，并通過(guò)在相互接觸的邊緣處連接板條而獲得纖維預(yù)成型體(50)，其中所述模型(40)具有再現(xiàn)待制造的噴嘴或擴(kuò)張噴嘴元件表面的所需幾何的表面；通過(guò)對(duì)用包含樹(shù)脂的固結(jié)組合物浸漬的纖維預(yù)成型體進(jìn)行成型操作而制得固結(jié)的纖維增強(qiáng)體，對(duì)浸漬的纖維預(yù)成型體施加的成型操作在模型(40)和殼(52，54)之間進(jìn)行以獲得具有至少35％的纖維體積分?jǐn)?shù)、且在其軸向尺寸的至少大多數(shù)部分具有至多5毫米的厚度的固結(jié)的纖維增強(qiáng)體。在熱解樹(shù)脂之后通過(guò)化學(xué)氣相滲透繼續(xù)纖維增強(qiáng)體的致密化，使得在致密化之后獲得實(shí)際上具有待制造的噴嘴或擴(kuò)張噴嘴元件的形狀和壁厚的部件。
文檔編號(hào)C04B35/83GK102099313SQ200980127835
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月17日
發(fā)明者B·德?tīng)柵謇镆? F·沙勒, J-M·帕朗托 申請(qǐng)人:斯奈克瑪動(dòng)力部件公司