[發明專利]復合材料部件的高壓成型

有效

• 申請號: 201280051607.1
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN103974819B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發明（設計）人: M·奎德;B·布爾西耶
• 申請（專利權）人: 赫克塞爾公司
• 主分類號: B29C70/46
• 分類號: B29C70/46;B29C70/08;B29C33/52
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 劉佳斐;蔡勝利

發明背景

1.技術領域

本發明主要涉及預成型的纖維增強樹脂成分的成型，形成具有多個纖維取向和/或一個或多個內部腔室的復合材料部件。更具體地說，本發明涉及這種預成型件在高壓下的成型。

2.相關技術描述

復合材料通常包括纖維和樹脂基體作為兩個主成分。復合材料通常具有相當高的強度重量比。結果是，復合材料被用在苛刻的環境中，例如在航空航天領域中，復合材料部件的高強度和相對輕的重量是特別重要的。

高強度金屬和金屬合金在過去已被用于形成承受高應力負荷的飛機部件和結構。采用金屬的優點在于，除了極高的強度，金屬可以被精確地加工，使得配合部件的幾何形狀能夠緊密地配合，精密的尺寸公差可以得到滿足。孔也可以被精確地加工到金屬結構中，以接受高耐受性的緊固件和定位銷。

通常用于推進飛機的渦輪風扇發動機包括許多的經受極端應力的部件，還必須滿足精確的尺寸公差。這樣的部件的一個例子是出口導向葉片(0GV)。這些葉片是位于渦輪風扇發動機的旁通區域的翼型部件。出口導向葉片將來自前方風扇組件的徑向氣流重新導向，轉換成去到渦扇壓縮機的軸向氣流。每個引擎可以包含多達100個或以上的出口導向葉片。為了在這種苛刻的環境下正常工作，出口導向葉片傳統上由堅固的金屬或金屬合金制成。一些出口導向葉片由高強度金屬圍繞較輕的核心材料制成。最近，出口導向葉片已包括金屬框架，在其上安裝復合材料蒙皮。例如，參見公布的申請號為2010/0209235A1的美國專利申請。這些以金屬為基礎的出口導向葉片都常常相對較重。因此，人們希望提供一種完全由復合材料制成的重量更輕的出口導向葉片，與金屬基出口導向葉片具有相同的結構特性和加工特性。

由復合材料制作出口導向葉片提出了許多重大的挑戰。為了確保成品部件沒有砂眼或其它缺陷，一般需要使用成型技術，在成型過程中壓力被施加到復合材料。然而，生產出具有與加工成型的金屬部件的公差同樣精密的公差的成型復合材料部件是非常困難的。加工復合材料部件而不產生結構損傷也很困難。纖維往往被破壞，脫層可能發生，這大大降低了部件的強度。由于單向纖維取向所提供的獨特的結構和強度特性，包含單向(UD)纖維的復合材料部件通常用在許多結構件中。由單向纖維所提供的高定向強度使得這種取向用于制造出口導向葉片特別有吸引力。但是，加工包含單向纖維的復合材料部件而不對部件的強度產生不利影響是特別難的。

另一個重大的挑戰是，出口導向葉片的中心翼型件和將翼型件連接在發動機上的安裝法蘭或平臺具有獨特的、不同的設計要求。例如，翼型件需要在結構上堅固，以承受高氣流載荷。法蘭必須足夠強以固定翼型件，也必須滿足嚴格的尺寸公差，以向發動機提供可靠的和精確的裝配。

一種復合材料已經開發出來，可以精確地加工成嚴格的尺寸公差。該復合材料是由浸漬有熱固性樹脂的單向帶的隨機取向的段構成的。這種類型的準各向同性纖維材料已用于制造高壓模具和各種航空航天組件。該材料可以由Hexcel公司(都柏林，CA)以商品名獲得。使用制作的這種類型的部件的示例在美國專利號7，510，390、7，960，674和美國專利申請號12/856，210中描述。

有持續的需要要求開發新的工藝和步驟制作復合材料部件，使其可以用于代替傳統地由金屬制作的出口導向葉片和其他高性能部件。

發明內容

根據本發明，提供了完全由復合材料制成的出口導向葉片。出口導向葉片包括成型體，其由纖維增強材料和固化樹脂構成，其中所述成型體包括中心翼型件部分和形成成型體的端部的兩個實心安裝法蘭或平臺。作為本發明的一個特征，位于中心翼型件部分內的纖維是單向的，位于端部內的纖維是單向纖維帶的隨機取向段。發現，這兩個不同的纖維取向可以在高壓下在樹脂基體中被結合和共同成型，以提供滿足中心翼型件部分和安裝法蘭的結構強度和尺寸要求的復合材料出口導向葉片。這樣的發現，即單向纖維和單向帶的隨機取向的段可共同成型，以提供具有不同局部性質的復合材料部件，這并不限于出口導向葉片。而是，這種發現適于多種部件，其中部件的一部分需要由單向纖維提供的結構強度和剛度，部件的另一部分必須滿足嚴格的尺寸公差，這通常需要加工該部件。