由金属基体复合材料制造零件的方法及相关装置与流程

本发明涉及一种尤其在航空领域中由复合材料制成的零件的制造方法，所述复合材料包括经金属基体致密化的纤维增强材料。

背景技术：

如今，必须遵守难以与安全性方面的要求相协调的非常高的环境要求，这通常在相关零件的制造中导致质量和成本的不可忽略的增加。然而，据证明：即使零件具有所需的机械性能、热性能和电性能，也难以考虑以过高的成本制造该零件。

例如，在航空领域中，容纳动力电子器件(l'électroniquedepuissance)的航空电子设备外壳承受非常苛刻的温度环境和振动环境，而需要良好的(机械、热和电)能量传输。因此，由于铝既具有低密度又具有良好导热率，所以这些外壳通常由这种材料制成。然而，铝不足以移除由动力电子器件产生的所有热量，从而证实了有必要为外壳配备包括冷却板、散热器和/或热管的补充冷却系统，但这却使得外壳的总质量增加且使其在处理环境限制方面的效率大大降低。

已经有人提出使用复合材料以将几种不同材料的有利性质结合并且改善制造由这些材料制成的不同零件的质量和/或成本。

例如，在航空领域中，已经有人提出制造由具有经聚合物基体致密化的纤维增强材料制成的复合材料的鼓风机罩壳。由此获得的零件既轻又机械性能强。然而，这种类型的材料不是导体，并且由于基体的聚合物组成而难以耐受苛刻的温度环境。因此，不能考虑将这种类型的复合材料用于制造需要良好的热导率和电导率的零件，诸如航空电子设备外壳。

在航天领域中，已经有人提出制造包括经金属基体致密化的增强材料的复合材料(对于金属基体复合材料，已知的为c3m(首字母缩写))。金属基体则可以包括纯金属或合金，而增强材料可以包括纤维或开孔泡沫。

为了获得这些金属基体复合材料，已知在超压包壳(enceintehyperclave)中，使液体形式(熔化)的金属基体在压力下渗入增强材料。根据这项技术，将模具放入该包壳中，该包壳包括纤维预制件和坩埚，所述坩埚容纳用于形成零件的基体的金属块。然后，在包壳和模具内产生真空，对容纳金属块的坩埚进行加热，并对模具进行预热。当容纳在坩埚中的合金完全熔化时，将它转移到模具的内部。通过将包壳加压到通常约30巴至约100巴的压力水平来自动进行这种转移。一旦装满模具，立即通过使制冷构件与模具的壁接触来加速零件的冷却。只要温度没有下降到合金的凝固温度以下，就维持容器中的压力以补偿金属的自然收缩。

这种方法则使得所获得的复合材料具有良好的尺寸稳定性和优异的机械性能、热性能和电性能(取决于选择作为纤维增强材料和金属基体的材料)。然而，这种方法实施起来极其复杂并且消耗大量的能量、制造时间和成本，而难以用于航天领域之外的大规模生产。

在文件ep0164536中，已经有人提出制造细长形状的物体，该细长形状的物体包括由碳纤维和基于镁的金属基体制成的复合材料。为此，将平行高强度碳纤维束引入至预热至约700℃的由不锈钢制成的细长包壳，并且在压力下放入至预热至约200℃的铸造模具的空腔，使得包壳的开口取向向上。然后，将约700℃的熔化的镁合金倒入空腔，随后将加热至约200℃的活塞压到模具的顶部，以便在设备的冷却期间压缩熔化的合金并且迫使其渗入纤维束。在再次升起活塞之后，使用挺杆(poussoir)向上提拉固化的部分。在移除包壳期间，通过机械加工来获得最终零件。

然而，在该文件中，所得零件必然具有沿着活塞的压缩轴线延伸的主方向。此外，零件的形状受限于细长的形状，并且为了使合金渗入碳纤维需要在活塞上施加非常大的压力(约1500巴)。最后，为了去除由此获得的复合材料周围的金属合金和钢包壳，这种方法需要冗长的机械加工步骤。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提出一种尤其能够在航空领域中使用的新的金属基复合材料，该金属基复合材料与单块铝或镁相比具有更好的电性能和热性能以及更好的密度，同时以合理的成本仍然具有相等的机械性能。

本发明的另一个目的是提出一种由新的金属基复合材料制成的零件，该零件结合了几种材料的机械性能、热性能和电性能，以合理的成本能够容易且快速地进行制造，并且(如果需要的话)经历后续的精加工操作，诸如机械加工和其它组装方法(诸如焊接，铆接等)。

为此，本发明提出了一种由包括经金属基体致密化的纤维增强材料的复合材料制造零件的方法，所述零件例如为用于航空发动机的零件，所述制造方法包括以下步骤：

通过将成型部分与支撑部分分开来打开包括所述支撑部分和所述成型部分的装置，以由所述支撑部分界定出凹槽；

将纤维增强材料放入所述装置的凹槽；

通过使所述成型部分靠向所述支撑部分并且在所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间提供空间，来密封地闭合所述装置；

使所述金属基体熔化；

将所述金属基体引入所述装置，以填充所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间的空间；

对所述成型部分和/或所述支撑部分施加力，以使所述成型部分和所述支撑部分合在一起并且减小所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间的空间，从而使所述金属基体浸渍所述纤维增强材料。

上述制造方法的某些优选而非限定性的特征如下：

预热所述支撑部分和/或所述成型部分至小于或等于所述金属基体的熔化温度的预热温度

预热所述支撑部分和/或所述成型部分达到约200℃至600℃的温度；

预热所述支撑部分和/或所述成型部分，其中，所述成型部分预热达到的温度高于所述支撑部分预热达到的温度；

所述方法进一步包括以下步骤：在该步骤期间，在闭合所述装置之前，将金属网格置于所述支撑部分与所述纤维增强材料之间和/或置于所述成型部分与所述纤维增强材料之间；

所述方法进一步包括以下步骤(s20)：对所述纤维增强材料进行处理，该处理适合于提高形成所述纤维增强材料的纤维的渗透性；

所述预处理步骤包括：对形成所述纤维增强材料的纤维进行练漂(désensimage)的步骤，以及通过氟化物盐、通过碳化物沉积物或通过镍沉积物对所述纤维进行化学处理的步骤；以及

在真空下进行填充所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间的空间的步骤和/或使所述金属基体浸渍所述纤维增强材料的步骤。

根据第二方面，本发明还提出一种由包括经金属基体致密化的纤维增强材料的复合材料制成的零件，该零件例如为用于航空发动机的零件，其特征在于，所述零件是使用上述制造方法获得的。

所述零件的某些优选而非限定性特征如下：

所述零件包括例如板或杆的细长零件、发动机用航空电子设备外壳或前缘用金属增强件；

所述零件包括体积百分比为30％至70％的纤维、优选40％至65％；

所述纤维增强材料包括合成纤维；

所述纤维增强材料包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维和/或凯芙拉纤维，例如高热导率模量的碳纤维；

所述纤维增强材料包括一层至十层、优选两层至八层的叠置的纤维板层(ply)；

所述金属基体包括铝合金和/或镁合金；以及

所述纤维增强材料是二维织造的、三维织造的、二维编织的、三维编织的和/或层压的。

根据第三方面，本发明还提出一种用于制造如上所述的零件的装置，包括：

模具，所述模具包括：

支撑部分；

成型部分，所述成型部分能够相对于所述支撑部分移动，以由所述支撑部分界定出适用于接纳纤维增强材料的凹槽；

密封构件，所述密封构件位于所述支撑部分与所述成型部分之间，适用于在所述成型部分靠向所述支撑部分时密封所述装置，同时在所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间提供空间；以及

通孔，所述通孔形成在所述成型部分或所述支撑部分中并且通入所述凹槽，所述通孔适用于将金属基体引入所述凹槽中；以及

作动器，所述作动器配置为对所述模具的成型部分和/或所述模具的支撑部分施加力，以使所述成型部分和所述支撑部分合在一起并且减小所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间的空间，从而使所述金属基体浸渍所述纤维增强材料。

根据第四方面，本发明最后提出一种用于如上所述的装置的模具，其特征在于，所述模具包括：

支撑部分；

成型部分，所述成型部分能够相对于所述支撑部分移动，以由所述支撑部分界定出适用于接纳纤维增强材料的凹槽；

密封构件，所述密封构件位于所述支撑部分与所述成型部分之间，适用于在所述成型部分靠向所述支撑部分时密封所述装置，同时在所述纤维增强材料与所述装置的两个部分之间提供空间；以及

通孔，所述通孔形成在所述成型部分或所述支撑部分中并且通入所述凹槽，所述通孔适用于将金属基体引入所述凹槽中。

根据优选而非限定性的特征，所述模具可以进一步包括通气口，所述通气口通入所述凹槽并且配置为与真空泵流体连通。

附图说明

在阅读下面的详细描述并参考作为非限定性的实例给出的附图后，本发明的其它特征、目的和优点将更加清楚，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的装置的实施例，以及

图2是表示根据本发明的制造方法的实施方式中的不同步骤的流程图。

具体实施方式

在下文中，本发明将更详细地描述其应用于制造涡轮发动机的零件1，通常为航空电子设备外壳、能用于这种外壳以改善外壳的热交换和冷却的散热板、或者用于涡轮发动机叶片的前缘的金属增强材料，该金属增强材料配置为保护叶片的前缘免受在涡轮发动机的操作期间所承受的机械应力和热应力。

然而，并不限于以下程度：本发明适用于通过铸造技术在模具12中所能获得的任何零件1，而不论其形状(平面、凸面、凹面等)或其用途；也不限于以下程度：所述零件1含有包括经金属基体3致密化的纤维增强材料2的复合材料。

本文的复合材料是指包括经金属基体3致密化的纤维增强材料2的材料。

纤维增强材料2可以包括适合于零件1的预期用途的任何类型的纤维。例如，在零件1用于承受苛刻的温度环境的情况下，优选能承受这样温度的纤维。在此实例中，它们可以是除天然纤维之外的任何类型的纤维。

例如，在涡轮发动机的零件1的情况下，纤维可以包括合成纤维，诸如碳纤维(例如，高热导率模量碳纤维，诸如沥青(前体)型纤维)、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、凯芙拉(kevlar)纤维。

纤维增强材料2可以是二维织造的、三维织造的、二维编织的、三维编织的和/或层压的(纤维板层的堆叠)。

为了提高零件1的机械强度，纤维增强材料2的纤维优选具有足够的渗透性以确保金属合金3的良好浸渍。纤维的这种渗透性尤其可以通过它们的润湿角进行表征。在一个实施方式中，润湿角接近0°，例如0°至60°。例如，约40°至50°的润湿角已能够确保纤维的良好浸渍。

如果适用的话，当纤维不具有足以确保金属合金3良好地渗入纤维增强材料2的渗透性时，可以使它们经历预处理以提高它们的渗透性。这种处理可以首先包括通过将纤维加热至约500℃的温度来练漂纤维的步骤。尽管经历该练漂步骤，渗透性可能由于纤维的类型仍然不足。例如，纤维可以具有约150°的润湿角。在这种情况下，为了进一步提高纤维的渗透性水平并达到通常为40°至50°的适合的润湿角，可使用氟化物盐或通过沉积碳化物或镍来对经先前练漂的纤维进行化学处理。

此外，金属基体3可以包括适合于零件1的预期用途的任何类型的合金。因此，对于在苛刻环境中需要具有优异的耐温性、良好的机械强度和良好的导电性的同时，还需要小体积、低重量和中等成本的零件1，金属基体3可以包括铝基合金和/或镁基合金。这种类型的合金尤其可以适用于如上所述的散热板或航空电子设备外壳。

可以使用其它类型的金属合金。这些合金尤其可以包括：能用于砂铸的金属、铸造金属(诸如铸铁和钢)、能用于壳成型(重力、压力或失蜡(cireperdue))的金属，其熔点小于900℃(铜、铝、锌等的合金)。

装置10

可以使用包括模具12的合适的装置10来实施方法s，模具12具有：支撑部分或基体14，以及成型部分或冲头13。冲头13能够相对于基体14移动，以在基体14中界定出适合于容纳纤维增强材料2的凹槽15。在一个实施方式中，基体14的正对面与冲头13的正对面形成凹槽15并且协作使零件1在模具12中成型。

模具12进一步包括形成在冲头13或基体14中并且通入凹槽15中的通孔11，以将熔化的金属合金3引入凹槽15。在图1所示的实施方式中，通孔11形成在冲头13中。

为了制造由复合材料制成的零件1，模具12具有：

初始构型，其中，冲头13与基体14分开，以能够接触凹槽15；

润湿构型，其中，冲头13位于基体14上。在这种润湿构型中，冲头13和基体14界定出用于接纳纤维增强材料2的凹槽15。凹槽15则具有初始内部体积，该初始内部体积对应于形成零件1的纤维增强材料2的体积加上待用金属合金3填充的纤维增强材料2与模具12之间的空气的体积。在这些附图所示的实施方式中，空气的体积例如在纤维增强材料2和冲头13之间延伸；

浸渍构型，其中，冲头13和基体14合在一起，以减小凹槽15的内部体积。在这种浸渍构型中，凹槽15的内部体积基本上对应于零件1的最终体积。

模具12可进一步包括位于基体14与冲头13之间的密封构件17。密封构件17配置为在处于润湿构型或浸渍构型时，密封模具12的凹槽15。为此，选择密封构件17用于密封处于润湿构型的模具12的凹槽15，并且在冲头13和基体14处于浸渍构型时例如通过密封零件17的弹性形变保持这种密封。在这种方式下，能够在润湿构型下，在纤维增强材料2与冲头13之间设置用于接纳金属合金3的空间的同时，仍然保证模具12的密封。

在一个实施方式中，密封构件17可以包括垫圈，该垫圈抵靠至冲头13(或基体14)的周边区域并且用于在模具12闭合时与基体14(或冲头13)进行接触。为了闭合模具12，垫圈17尤其可以包括相对可延展的金属垫圈，其在模具12的温度增加时膨胀并且由此密封模具12。作为一个变型，垫圈17可为通过以下方式靠向基体14(或冲头13)的o形环：当施加冲头13至基体14以闭合模具12时，冲头13(或基体14)与o形环进行接触并压缩o形环，从而密封模具12的凹槽15。

可选地，模具12还可以包括预热构件，该预热构件配置成将模具12预热至根据金属合金3的熔化温度所限定的温度，以在将其引入模具12期间避免金属合金3的热梯度。这种预热构件则可以不受装置10影响，使得模具12在热控制方面具有自主性。

最后，装置10可以包括作动器16，作动器16配置成对冲头13和/或基体14施加压力，以使冲头13和基体14合一起并且减小纤维增强材料2与模具12之间的空间，以使金属合金3浸渍纤维增强材料2。

作动器16可以是模具12的组成部分或者独立于模具12。在作动器16独立于模具12的变型实施方式中，具有以下优点：通过使用多个不同的模具12来用同一作动器16连续制造多个零件1，不受多个零件1在模具12中的冷却的持续时间影响。

在一个实施方式中，作动器16尤其可以包括能施加高达2000吨压力的压力机。当然，所施加的压力适合于装置的尺寸和维度。

在这里，本发明将针对制造包括由复合材料制成的散热板的零件1的情况进行说明，该复合材料包括经金属合金3致密化的纤维增强材料2。本领域技术人员则无需过多的努力，就将知道如何使该方法s的步骤适应于生产由复合材料制成的其它零件1。

在这个实例中，由复合材料制成的散热板包括通过侧缘连接在一起的平行的第一面和第二面。在这里，第一面和第二面对应于平行六面体的具有最大表面积的面。

由基体14和冲头13界定出的凹槽15则具有整体上为平行六面体的形状。因此，基体14和冲头13各自具有轮廓通常为平行六面体的形状的开放式空腔。在组装基体14和冲头13时，所述空腔与模具12的凹槽15一起形成。作为一个变型，只有基体14(或冲头13)可以包括这样的空腔，冲头13(或基体14)则是平面的。

在一个实施方式中，基体14的空腔包括第一壁，该第一壁对应于待生产的板的第一表面，冲头13的空腔包括对应于第二表面的第二壁。在模具12闭合时，第一壁和第二壁以彼此正对的方式平行延伸。换句话说，空腔均具有与冲头13相对于基体14的移位方向基本上垂直的主延伸方向，从而能够优化金属合金3在纤维增强材料2内的分布，并且使施加至零件1最大表面上的压力均匀化。

在零件1具有与板的形状不同的形状的情况下，将理解的是，基体14的形状必须与冲头13的形状相适应。因此，相比较而言，对于整体上为矩形形状的外壳，基体14例如可以包括轮廓整体上为平行六面体的空腔，而冲头13包括配置成伸入基体14的空腔、互补的突出形状。

制造方法s

为制造由复合材料制成的零件1，本发明的方法s包括：第一步骤s1，在第一步骤s1期间，通过将基体14与冲头13分开以打开凹槽15，来使模具12打开而处于初始配置。

在第二步骤s2期间，将用于形成零件1的纤维增强材料2放入模具12中基体14上的凹槽15。

如果适用的话，可对纤维增强材料2进行预处理(步骤s20)，以改变其渗透性并改善金属合金3的浸渍。

在散热板的实施例中，纤维增强材料2可以具有整体上为平行六面体的形状。此外，纤维增强材料2可以包括几层叠置的纤维板层，通常为1层至10层纤维板层，优选2层至8层纤维板层，通常为4层至8层纤维板层。此外，为了使该板导热并导电，板层可以包括碳纤维。

在一个实施方式中，可以将金属网格放置在冲头13与纤维增强材料2之间(步骤s21)，并且，如果适用的话，将金属网格放置在基体14与纤维增强材料2之间。该金属网格的目的是通过产生开放式表面来使金属合金3在纤维增强材料2之上和之中的分布均匀化。开放式表面限制了可能阻碍熔化合金的循环的压力，有助于熔化的合金围绕纤维增强材料2的进展。

在第三步骤s3期间，通过将冲头13施加至基体14来闭合凹槽15，能够使装置10而处于润湿构型。在一个实施方式中，密封地闭合装置10，以防止模具12外部的材料的任何损失。

使用密封构件能够获得闭合模具12的密封。

在润湿构型中，以如下的方式闭合模具：在纤维增强材料2与模具12之间设置空间的同时，确保模具12的密封。该内部空间的体积对应于为形成由复合材料制成的零件1所期望浸入纤维增强材料2的金属合金3的体积。该体积整体上对应于纤维增强材料2的内部体积，即，对应于增强材料的纤维之间的空气体积。

通常，高度h为几十毫米(厚度e为1mm至2mm)至几毫米(厚度e大于2mm)。例如，对于厚度e(沿作动器16施力的轴线的维度)为约2毫米的纤维增强材料2，该纤维增强材料2的上表面与冲头13之间的空间具有约1毫米的高度h(沿作动器16施力的轴线的维度)。

当然应当理解，空间的体积取决于用于获得零件1所期望的纤维百分比。例如，零件1可以包括30％至70％的金属基体3以及70％至30％的纤维(即纤维体积百分比为30％至70％)，优选35wt％至60wt％的金属基体3以及65％至40％的纤维(即，体积百分比为40％至65％的纤维)。

在第四步骤s4期间，在合适的容器18中加热金属合金3，直到达到其熔化温度，以能够将其以液体形式引入到模具12中。

在一个变型实施方式中，对冲头13和/或基体14进行预热s40，以限制热梯度并避免能改变所得零件1的冶金质量的可能冲击。例如，可以将冲头13和/或基体14预热至200℃至600℃的温度。如果适用的话，可根据金属合金3的熔化温度调整该预热温度。因此，对于铝基合金或镁基合金，可以将冲头13和/或基体14预热至约500℃的温度。

可以以常规方式，例如通过感应，进行模具12的预热s40。

在一个变型实施方式中，在将纤维增强材料2引入模具12之前，即在方法s的第二步骤s2之前，可进行对模具12(冲头13和/或基体14)的预热s40。

在第五步骤s5期间，通过通孔11将金属合金3引入闭合的模具12。

在第一实施方式中，金属合金3通过重力渗入模具12。可选地，可通过金属网格来改善金属合金在纤维增强材料2之上和之中的分布。模具12则处于大气压力下。

作为一个变型，尤其在纤维增强材料2具有相当大的厚度或零件1的后续使用需要优异的机械性能时，可以将模具12处于真空下s50，以改善金属合金3在纤维增强材料2中的分布并避免气泡的形成。例如，可使模具12的内部空腔达到约20巴的压力。为此，模具12则可以包括通气口(图中未示出)，该通气口通入模具12的凹槽15并且与泵(该泵配置用于使模具12处于真空)形成流体连通。

在该步骤s5之后，模具12则含有纤维增强材料2、纤维增强材料2之上和/或之下的金属网格(如果适用的话)，以及围绕纤维增强材料2分布的熔化金属合金3。

在第六步骤s6期间，通过作动器16对模具12(即，对冲头13和/或基体14)施力，以通过使冲头13和基体14合在一起来使模具12进入浸渍构型。使冲头13和基体14合在一起具有通过减小模具12的凹槽15的内部体积而迫使金属合金3渗入纤维增强材料2的间隙的效果。

可通过作动器16施加基本垂直于纤维增强材料2的主延伸平面的方向的力。通常，对于包括大致在延伸平面p中延伸的板的零件1，可以施加垂直于该延伸平面p的方向的力。因此，在沿延伸平面p内的轴线施加力时，作动器16施加的压力更均匀，并且由此能够使金属合金3更均匀地浸入纤维增强材料2。

优选地，迅速完成步骤s5和步骤s6，迅速到足以在金属合金3开始硬化之前完成通过使用作动器16使金属合金3浸渍纤维增强材料2。

此外，使金属合金3浸渍纤维增强材料2的步骤s6可以可选地在真空下进行。

在该步骤s6之后，使金属合金3均匀地浸入纤维增强材料2。

在第七阶段s7期间，冷却零件1。冷却可以在装置10的外部空气(l'airlibre)中进行。例如，可以从装置10中取出模具12，然后在不同的模具12用于在装置10中制造另一零件1的同时进行冷却。

当然，应当理解，零件1的冷却方法基于期望获得的零件1的冶金质量进行选择。如果适用的话，例如可以对零件1进行回火。

在冷却步骤s7之后，金属合金3均匀地分布在纤维增强材料2中，从而赋予由此获得的零件1以良好的机械性能、导热和导电性能，这些性能够根据用于金属合金3的材料进行调节。特别是，本发明能够通过最大限度地降低纤维增强材料2的纤维与金属合金3之间的接触阻碍(contactresistance)来优化流动通道，从而纤维增强材料2产生电桥和热桥的网络来通过所得的零件1进行能量的耗散和/或传导。

最后，零件1能够经历诸如机械加工、铆接、胶合、焊接等精加工步骤。