[發明專利]飛機發動機的次級結構以及相關工藝

在審

• 申請號: 201380028575.8
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN104364068A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: B.A.迪特施;J.M.科斯卡;D.E.戴爾;J.M.烏爾夫
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;B29C70/72;C08J7/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;肖日松

背景技術

本發明總體上涉及飛機發動機的次級結構，例如，飛機發動機中使用的托架，并且涉及這些結構的生產工藝。具體來說，本發明涉及使用增材制造(additive?manufacturing，AM)技術，從基于聚合物的材料，包括加固(復合)基于聚合物的材料和非加固基于聚合物的材料制造次級結構的方法。

聚合物技術的成熟增加了將基于聚合物的非加固(純)和復合材料用于各種應用中的機會，包括但不限于飛機發動機，例如，通用電氣公司制造的和商用發動機。歷史上，人們受減輕重量需求的驅動而使用基于聚合物材料制造部件，但是金屬成本上升也已稱為一些應用的驅動因素。

復合材料通常包括嵌入基體材料中的纖維加固材料，對于聚合物復合材料，所述纖維加固材料是聚合物材料(聚合物基體復合材料，即PMC)。相反，非加固聚合物材料不含任何所述加固材料。PMC材料的加固材料用作復合材料的次級成分，而所述基體材料用于保護所述加固材料、維持其纖維的定向并且用于分散加固材料上的載荷。PMC基體材料樹脂通常可以分類為熱固樹脂或熱塑樹脂。熱塑樹脂通常歸類為聚合物，所述聚合物可以在受熱時反復軟化和流動，并且在充分冷卻時由于物理變化而不是化學變化而硬化。熱塑樹脂的典型實例包括尼龍、熱塑性聚酯、聚芳醚酮和聚碳酸酯樹脂。已設想用于航空航天應用中的高性能熱塑樹脂的具體實例包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亞胺(PEI)和聚苯硫醚(PPS)。相反，一旦完全硬化成堅硬固體之后，熱固樹脂在受熱后不會明顯軟化，但在充分受熱后將熱分解。熱固樹脂的典型實例包括環氧樹脂和聚酯樹脂。各種纖維加固材料已用于PMC中，例如，碳(例如，AS4)、玻璃(例如，S2)、聚合物(例如，)、陶瓷(例如，)和金屬纖維。纖維加固材料可以以相對短切纖維或長連續纖維的形式使用，后者通常用于生產“干”織物或襯墊。可通過將短纖維分散在基體材料中，或者用基體材料浸漬干織物的一層(股)或多層(股)纖維來生產PMC材料。

基于聚合物的材料(本說明書中是指非加固聚合物材料和PMC材料)是否適用于指定應用取決于特定應用的機械、化學和熱學要求，對于PMC材料而言，取決于特定基體材料和加固材料以及制造具有目標幾何結構的PMC制品的可行性。由于在減輕重量方面存在巨大潛力，因此已研究出將非加固聚合物材料并且尤其是PMC材料在飛機燃氣渦輪發動機中的多個應用。但是，相應的挑戰在于如何確定可通過當前制造方法生產的擁有可接受性質的材料系統以得到經濟有效的部件。例如，眾所周知，飛機發動機應用具有高性能機械要求，例如，強度和疲勞性質(由于發動機環境中的振動而必需)，以及高溫性質、耐化學性/流體阻力等。特別是位于高旁路渦輪風扇發動機的核心發動機(模塊)外部，例如位于機艙內或所述發動機的風扇區周圍的托架和其他次級部件不直接接觸核心發動機內的惡劣熱環境，但是仍然可能振動、溫度升高、化學反應等，因此需要提出苛刻的性能要求。因此，盡管可以通過使用基于聚合物的材料制造飛機發動機的托架和其他次級部件來減輕重量，但是所述托架的所述性能要求以及大小、可變性和復雜性復雜化了使用這些材料以經濟有效的方式生產托架的能力。例如，使用傳統熱固樹脂生產PMC托架通常視作成本過高，因為這些熱固樹脂涉及大量人力勞動和較長制造周期時間，同時大量相對較小的托架具有許多不同的零件構造。另一方面，使用熱塑性基體材料形成的PMC受高溫下趨于軟化并喪失強度限制。

另一個復雜之處在于飛機發動機應用中的PMC材料所需的加固系統類型。通常，為通過使用熱固性或熱塑性PMC材料大幅減輕重量，托架需要使用連續纖維加固PMC材料來最大限度地減小其截面，同時滿足飛機發動機應用中的高性能機械要求(尤其是強度和疲勞性質)。但是，使用連續纖維加固材料中涉及的手工涂敷(lay-up)工藝進一步復雜化了生產形狀復雜的各種相對較小托架的能力。另一方面，短切纖維加固系統，無論是在熱塑性還是熱固性樹脂基體中，均不是理想的解決方案，因為它們的機械性能較低。具體來說，使用短切纖維加固的PMC部件強度較低，因此必須制造相對較厚且重的托架。此外，短切纖維系統通常使用網狀成型法處理，從而形成復雜形狀。但是，由于用于飛機發動機中的大量托架具有不同的形狀，因此與每個獨特托架所需的各個模具相關的高昂工具加工成本通常導致無法使用此制造方法。

發明內容