飞机发动机的次级结构以及相关工艺的制作方法

飞机发动机的次级结构以及相关工艺的制作方法
【专利摘要】一种使用基于聚合物的材料制造燃气涡轮发动机的次级结构的工艺以及由此形成的次级结构(30)。所述工艺需要执行增材制造技术来生产燃气涡轮发动机的次级结构(30)。所述增材制造技术直接使用基于聚合物的材料生产所述次级结构，以具有复杂三维形状，其中多个部分位于不同的平面中。
【专利说明】飞机发动机的次级结构以及相关工艺

【背景技术】
[0001] 本发明总体上涉及飞机发动机的次级结构，例如，飞机发动机中使用的托 架，并且涉及这些结构的生产工艺。具体来说，本发明涉及使用增材制造 （additive manufacturing，AM)技术，从基于聚合物的材料，包括加固（复合）基于聚合物的材料和非 加固基于聚合物的材料制造次级结构的方法。
[0002] 聚合物技术的成熟增加了将基于聚合物的非加固（纯）和复合材料用于各种应用 中的机会，包括但不限于飞机发动机，例如，通用电气公司制造的GE90?和GEnx?商用 发动机。历史上，人们受减轻重量需求的驱动而使用基于聚合物材料制造部件，但是金属成 本上升也已称为一些应用的驱动因素。
[0003] 复合材料通常包括嵌入基体材料中的纤维加固材料，对于聚合物复合材料，所述 纤维加固材料是聚合物材料（聚合物基体复合材料，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复合材料的次级成分，而所述基体材料用于保 护所述加固材料、维持其纤维的定向并且用于分散加固材料上的载荷。PMC基体材料树脂通 常可以分类为热固树脂或热塑树脂。热塑树脂通常归类为聚合物，所述聚合物可以在受热 时反复软化和流动，并且在充分冷却时由于物理变化而不是化学变化而硬化。热塑树脂的 典型实例包括尼龙、热塑性聚酯、聚芳醚酮和聚碳酸酯树脂。已设想用于航空航天应用中的 高性能热塑树脂的具体实例包括聚醚醚酮（PEEK)、聚醚酮酮（PEKK)、聚醚酰亚胺（PEI)和 聚苯硫醚（PPS)。相反，一旦完全硬化成坚硬固体之后，热固树脂在受热后不会明显软化，但 在充分受热后将热分解。热固树脂的典型实例包括环氧树脂和聚酯树脂。各种纤维加固材 料已用于PMC中，例如，碳（例如，AS4)、玻璃（例如，S2)、聚合物（例如，Kevlar? )、陶瓷 (例如，Nextel? )和金属纤维。纤维加固材料可以以相对短切纤维或长连续纤维的形式 使用，后者通常用于生产"干"织物或衬垫。可通过将短纤维分散在基体材料中，或者用基 体材料浸渍干织物的一层（股）或多层（股）纤维来生产PMC材料。
[0004] 基于聚合物的材料（本说明书中是指非加固聚合物材料和PMC材料）是否适用于 指定应用取决于特定应用的机械、化学和热学要求，对于PMC材料而言，取决于特定基体材 料和加固材料以及制造具有目标几何结构的PMC制品的可行性。由于在减轻重量方面存在 巨大潜力，因此已研究出将非加固聚合物材料并且尤其是PMC材料在飞机燃气涡轮发动机 中的多个应用。但是，相应的挑战在于如何确定可通过当前制造方法生产的拥有可接受性 质的材料系统以得到经济有效的部件。例如，众所周知，飞机发动机应用具有高性能机械要 求,例如,强度和疲劳性质（由于发动机环境中的振动而必需），以及高温性质、耐化学性/ 流体阻力等。特别是位于高旁路涡轮风扇发动机的核心发动机（模块）外部，例如位于机 舱内或所述发动机的风扇区周围的托架和其他次级部件不直接接触核心发动机内的恶劣 热环境，但是仍然可能振动、温度升高、化学反应等，因此需要提出苛刻的性能要求。因此， 尽管可以通过使用基于聚合物的材料制造飞机发动机的托架和其他次级部件来减轻重量， 但是所述托架的所述性能要求以及大小、可变性和复杂性复杂化了使用这些材料以经济有 效的方式生产托架的能力。例如，使用传统热固树脂生产PMC托架通常视作成本过高，因为 这些热固树脂涉及大量人力劳动和较长制造周期时间，同时大量相对较小的托架具有许多 不同的零件构造。另一方面，使用热塑性基体材料形成的PMC受高温下趋于软化并丧失强 度限制。
[0005] 另一个复杂之处在于飞机发动机应用中的PMC材料所需的加固系统类型。通常， 为通过使用热固性或热塑性PMC材料大幅减轻重量，托架需要使用连续纤维加固PMC材料 来最大限度地减小其截面，同时满足飞机发动机应用中的高性能机械要求（尤其是强度和 疲劳性质）。但是，使用连续纤维加固材料中涉及的手工涂敷（lay-up)工艺进一步复杂化 了生产形状复杂的各种相对较小托架的能力。另一方面，短切纤维加固系统，无论是在热塑 性还是热固性树脂基体中，均不是理想的解决方案，因为它们的机械性能较低。具体来说， 使用短切纤维加固的PMC部件强度较低，因此必须制造相对较厚且重的托架。此外，短切纤 维系统通常使用网状成型法处理，从而形成复杂形状。但是，由于用于飞机发动机中的大量 托架具有不同的形状，因此与每个独特托架所需的各个模具相关的高昂工具加工成本通常 导致无法使用此制造方法。


【发明内容】

[0006] 本发明提供了使用基于聚合物的材料制造燃气涡轮发动机的次级结构以及由此 形成的次级结构。典型但非限定的次级结构示例包括各种类型的托架，所述托架位于核心 发动机的外部但在机舱内或者高旁路燃气涡轮发动机的风扇区周围。其他实例包括护罩、 板盖、机罩、盖板、通气孔塞等。
[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种工艺，所述工艺使用增材制造技术生产燃气 涡轮发动机的次级结构。所述增材制造技术直接使用基于聚合物的材料生产所述次级结 构，以具有复杂三维形状，所述复杂三维形状的特征在于位于不同平面内的多个部分。
[0008] 本发明的第二方面包括通过上述加工步骤生产并且随后安装在燃气涡轮发动机 上的次级结构。
[0009] 本发明的另一方面包括飞机发动机的次级结构，其中所述次级结构由基于聚合物 的材料构成，从而一体成形并且具有复杂三维形状，其特征在于包括厚度不同且位于不同 平面中的多个部分的整体结构。
[0010] 本发明的技术效果在于能够生产并利用飞机发动机中的次级结构，所述飞机发动 机可极大地受益于重量减轻但同时也对次级结构提出了严苛的机械和环境性能要求。本发 明能够以最小化制造和材料成本和/或重量而不损坏次级结构功能的方式使用基于聚合 物的材料制造所述次级结构。具体来说，本发明的次级结构使用增材制造技术由基于聚合 物的材料一体成形以具有整体结构，换言之，次级结构不是包括离散且单独形成的子部件 的组件。即使如此，本发明的次级结构也能够具有复杂的几何结构。此外，可以实现复杂几 何结构，而无需通常与网状成型方法等传统加工方法关联的工具加工成本。
[0011] 从以下详细说明中可以更好地理解本发明的其他方面和优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1示意性地示出了根据现有技术的通过组装金属子部件形成的托架的透视图。
[0013] 图2示意性地示出了根据本发明一个实施例的托架的透视图，所述托架适用于替 代图1中所示的托架，但是由增材制造技术形成。

【具体实施方式】
[0014] 本发明将从制造次级结构方面描述，尽管次级结构能够适用于各种应用，但是尤 其适用于作为托架，主要用于支承或固定飞机发动机的多个部件，例如位于高旁路燃气涡 轮发动机的核心发动机外部、但位于机舱内或者该发动机的风扇部分周围的部件。尤其值 得注意的次级结构实例包括安装在风扇箱外部的托架，用于支撑诸如管、软管、歧管、线束 (wiring harness)等其他零件以及诸如油箱、FADEC(完全授权的数字电子控制装置）等其 他部件。但是，本发明所适用的许多其他次级结构和许多其他应用也在本发明的范围内。
[0015] 本发明提供了用于以经济有效方式方式生产次级结构、同时使得所述次级结构具 备适用于飞机发动机应用的机械、化学和热学性质（包括强度、抗疲劳性、最大耐温能力、 耐化学性/流体阻力等）的工艺。具体来说，本发明涉及使用增材制造（AM)技术生产由基 于聚合物材料（非加固聚合物和/或PMC材料）构成的次级结构，所述增材制造（AM)能够 直接产生具有相对复杂的三维形状的次级结构，与特征在于截面厚度基本恒定的单个平的 面板的简单形状不同，所述三维形状的特征在于位于不同平面中的多个部分。
[0016] 图1示出了托架组件10,作为具有复杂三维形状的次级结构的一个代表性但非限 定性实例。托架组件10具有根据传统技艺的金属结构。此外，托架组件10可以视作具有 复杂三维形状，由于其金属结构，因此托架组件10必须由多个单独制成的子部件12和16， 例如，多个冲压件组装而成。最后，托架组件10被图示为包括弹簧夹18、垫片20和托板螺 母22,以便将托架组件10安装在飞机发动机上或者便于附接到计划安装到发动机上的管、 线束、软管、歧管的组件10以及诸如油箱、FADEC等其他部件。
[0017] 图2示出了托架30,作为具有复杂三维形状的次级结构的另一个代表性但非限定 性实例。与图1中所示的托架组件10相反，图2中所示的托架30具有根据本发明的优选 方面的基于聚合物的材料结构。此外，托架30使用增材制造工艺制成，因此托架30能够一 体成形以具有整体结构，只有弹簧夹38、垫片40和托板螺母42,与图1中所示的金属托架 组件10类似。值得注意的是，其弹簧夹38、垫片40和托板螺母42的位置使得图2中所示 的托架30能够整体替代图1中所示的托架组件10。使用增材制造工艺生产托架30可避开 组装托架30的难度和成本，同时允许托架30具有复杂的整体形状，其中托架30的截面厚 度可以大幅改变。
[0018] 适用于本发明的优选基于聚合物的材料是热塑塑料，尤其值得注意的实例包括聚 醚醚酮（PEEK)、聚醚酮酮（PEKK)、聚醚酮醚酮酮（PEKEKK)、聚醚酰亚胺（PEI)、聚苯硫醚 (PPS)、聚砜（PSU)、聚酰胺（PA)和聚邻苯二甲酰胺（PPA)。这些材料尤其适用于作为使用 嵌入式加固材料进行加固的PMC的热塑性基体材料。适用于本发明的优选加固材料是不 连续材料，例如，短切纤维、微球和纳米加固材料。尤其适用的短切纤维材料包括碳（例如， AS4)、玻璃（例如，S2)、聚合物（例如，芳族聚酰胺，例如Kevlar? )、陶瓷和金属纤维。尤 其适用的纤维长度通常为IOmm或以下。其他适用的不连续加固材料被认为包括纳米纤维、 多壁或单壁碳纳米管、石墨烯和/或粘土纳米小片。这些加固材料可以涂敷有功能性涂层， 非限定实例包括镍和银。能够用作加固材料的其他材料包括玻璃、聚合物、碳或陶瓷微球或 微球体，这些材料上也可以具有功能性涂层，例如镍或银。但是，可以预见的是，适用于用作 PMC基体和加固材料的其他适当聚合物材料也可以使用或者在将来适用于本发明。同样，其 他适当的聚合物材料可以使用，或者在将来适用于本发明。本发明PMC材料的适当纤维含 量可以明显不同，但是普遍认为纤维含量不应超过50 %体积百分比，优选地不超过约30% 体积百分比，优选范围被认为是约〇. 1%到约30%体积百分比。
[0019] 尤其适用于本发明的增材制造技术通常包括熔化或软化聚合材料以在一系列按 顺序成形的层中构建三维结构的方法。为制造包含上述一种或多种不连续加固材料的托架 30 (或其他次级结构），优选增材制造技术也能够使用包含所需加固材料的聚合材料。两个 特定实例是选择性激光烧结（SLS)和熔融沉积成型（FDM)。SLS技术通常涉及选择性烧结 (熔融）所需基于聚合物的材料的大块粒状或粉末状材料，以形成固体烧结的三维结构。所 述材料由于所述块的所选部分受激光束或其他定向能源加热而烧结，在烧结过程中，所述 其他定向能源相对于激光束方向在所述块材料上横向（例如，水平方向）移动以及平行于 所述束的路径（例如，垂直方向）移动。激光束的移动可以是进行数字控制，例如，直接受 计算机辅助制造（CAM)软件控制。在烧结过程中，粉末状材料的烧结和未烧结区域用于支 撑后续烧结材料，以便制造具有横向投影（相对于烧结工艺穿过材料的方向）的烧结结构。 SLS工艺中激光所用的最佳操作参数以及SLS工艺的最佳加工参数一起取决于正在烧结的 特定的材料以及所述结构中需要完全致密且无空隙的程度。为包含不连续加固材料，可以 产生所述粉末的基于聚合物的颗粒以包含加固材料，或者可以将所述颗粒与加固材料混合 或调配。
[0020] FDM技术涉及将分送一股（filament)所需基于聚合物的材料，方法是以充足温度 将所述材料从受热喷嘴挤出，以便在加工过程中，使得所述材料在所述喷嘴相对于材料沉 积方向横向（例如，水平方向）移动以及平行于挤出方向（例如，垂直方向）移动时至少 部分熔融。类似于SLS工艺中所用的激光，喷嘴移动可能进行数字控制，例如，使用CAM软 件。由于挤出材料沉积并熔融以形成连续的所需聚合物或复合材料层，因此构成了三维结 构。类似于SLS工艺，基于聚合物的材料可以生产为包含不连续加固材料，或者不连续加固 材料可以与基于聚合物的材料共同挤出，以便基于聚合物的材料和加固材料同时沉积。
[0021] 与连续纤维加固材料相反，由于根据上述工艺制成的整体制品（例如，托架30)包 含不连续加固材料，整体制品的形状和尺寸应纳入目标应用的特定方面中，包括载荷水平 和疲劳性。鉴于以上内容，应认识到，通过增材制造工艺成形的次级结构的厚度可以明显不 同，这取决于结构将要承受的载荷和疲劳条件。例如，图2中的托架30包括从托架30的相 对平坦部分34投射的多个L形部分32 (L形截面）。从图2中可以清楚地看出，部分32全 部相对于彼此和底座部分34而位于不同平面中。图2还示出了托架30,所述托架成形为包 括孔44,用于将弹簧夹38和托板螺母42附接到托架30,以便将托架30安装到燃气涡轮发 动机的外部，例如，其风扇箱，以及/或者附接或支撑计划安装到发动机上的诸如管、软管、 歧管、线束等部件以及诸如油箱、FADEC等其他部件。尽管图2中示出了 L形部分32,但是 增材制造方法也可以产生其他形状，包括但不限于C形特征（具有C形截面）或者其变型， 例如，具有U形或V形截面的形状。孔44还可以通过增材制造工艺产生，但是可以预见的 是，可以在通过增材制造工艺制成托架30之后对其加工以形成孔44。孔44 (或者槽或其他 特征）可以适用于容纳传统机械紧固件和/或附接机构，例如，可以安装到托架30的托板 螺母和弹簧夹。
[0022] 尽管图2中的托架30代表可以根据本发明生产的一种类型的三维结构，但是应注 意，也可以制成复杂性较低和复杂性较高的截面形状。如果次级结构具有一体成形的整体 结构，该结构无法通过简单紧固、连接或弯曲截面厚度恒定的平坦平面来形成，则本说明书 中将该次级结构视作具有复杂形状。
[0023] 图2示意性地示出了托架30,所述托架进一步包括嵌件46,所述嵌件嵌入基于聚 合物的材料中，形成托架30的一个底座区域34。嵌件46代表加固嵌件46,其用于在结构 上硬化托架30或者沿托架30的一个或多个载荷路径增加其强度。具体来说，嵌件46可以 用于硬化托架30、承担应用载荷并且形成托架30中直接安装到发动机的部分。托架30中 不包含嵌件的部分和区域能够实现更复杂的几何结构，同时优选地具有较低承载要求。嵌 件46可以在通过增材制造期间直接并入托架30中，例如，在SLS过程中适当地预置到粉末 状材料块中，或者适当地安置到通过FDM沉积的聚合物层上。额外的或其他结构特征也可 以在制造期间并入托架30中。此外，应了解，并入托架30中的嵌件46并不限于基于聚合 物的材料，而是可以由基于金属或基于陶瓷的材料构成。在一些应用中，嵌件46的更优选 材料是PMC材料，所述PMC材料可以包括连续纤维加固材料并且使用与托架30中的剩余部 分所用的聚合材料相同的基体材料。
[0024] 本发明的另一个方面是能够围绕特定嵌件，例如，诸如衬套、螺纹嵌件、弹簧夹、托 板螺母等金属紧固件，包括图2中所示的弹簧夹38、垫片40和托板螺母42中的任意一个或 多个而形成的基于聚合物的材料的托架30。这些类型的金属嵌件有助于缓解聚合材料可 能存在的压碎应力（crush stress)、扭矩保持和应力松弛问题。通过在增材制造工艺中围 绕嵌件形成托架30 (或者其他次级结构），无需执行任何后续工序，例如加工（例如，钻孔） 或者将多个部件组装到一起。同样在本发明范围内的是，可以直接在增材制造工艺中由用 于形成托架30或其他次级结构的基于聚合物的材料制成这种类型的嵌件。
[0025] 最后，可以向托架30的一个或多个表面涂敷金属涂层，以改进其表面的特定性 质，例如，传热性、导电性、耐化学性和/或耐磨性。这种涂层还可以硬化所述托架等并且增 强机械性质。特定但非限定性实例是通过电镀技术沉积的纳米结晶镀层。这种涂层的适当 厚度通常在约10微米到约250微米的量级上，并且这种涂层的适用材料包括但不限于镍、 铝、铜、银、铬以及其合金和组合。
[0026] 尽管已参考具体实施例描述本发明，但是可以清楚地认识到，所属领域中的技术 人员可以采用其他形式。因此，本发明的范围仅受随附权利要求书限定。
【权利要求】
1. 一种工艺，所述工艺包括： 执行增材制造技术以生产燃气涡轮发动机的次级结构，所述增材制造技术直接使用基 于聚合物的材料生产所述次级结构，以具有复杂三维形状，所述复杂三维形状的特征在于 多个部分位于不同的平面中。
2. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述基于聚合物的材料是非加固热塑塑料或聚合 物基体复合材料，其包括使用不连续加固材料加固的热塑塑料。
3. 根据权利要求2所述的工艺，其中所述热塑塑料选自由以下项构成的组：聚醚醚酮、 聚醚酮酮、聚醚酮醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜、聚酰胺和聚邻苯二甲酰胺。
4. 根据权利要求2所述的工艺，其中所述基于聚合物的材料是聚合物基体复合材料， 并且所述不连续加固材料选自由短切纤维、微球和纳米加固材料构成的组。
5. 根据权利要求1所述的工艺，其进一步包括将所述次级结构安装在所述燃气涡轮发 动机上。
6. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述增材制造步骤产生至少一个嵌件，所述嵌件 至少部分嵌入所述次级结构的所述基于聚合物的材料中。
7. 根据权利要求6所述的工艺，其中所述嵌件是适用于与所述燃气涡轮发动机或所述 燃气涡轮发动机的部件接合的弹簧夹、垫片、托板螺母、紧固件或衬套。
8. 根据权利要求6所述的工艺，其中所述嵌件是加固嵌件，所述加固嵌件适用于在结 构上沿所述次级结构的一个或多个载荷路径硬化所述次级结构。
9. 根据权利要求8所述的工艺，其中所述嵌件由具有连续纤维加固材料的聚合物基体 复合材料构成。
10. 根据权利要求9所述的工艺，其中所述嵌件的所述连续纤维加固材料嵌入由所述 次级结构的所述基于聚合物的材料构成的基体中。
11. 根据权利要求6所述的工艺，其中所述嵌件由基于金属或基于陶瓷的材料构成。
12. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述增材制造步骤包括向热塑性粉末状材料块 施加激光束，以选择性地烧结所述块的有限部分，从而形成所述次级结构。
13. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述增材制造步骤包括加热热塑材料并且沉积 多层所述热塑材料以构建所述次级结构。
14. 根据权利要求1所述的工艺，其进一步包括位于所述次级结构的外表面上的金属 涂层，所述金属涂层的厚度为约10微米到约250微米，并且构成所述金属涂层的材料选自 由镍、铝、铜、银、铬以及其合金和组合构成的组中。
15. -种由权利要求1所述的工艺生产的次级结构。
16. 根据权利要求1所述的工艺，其中所述次级结构是飞机发动机托架。
17. -种由权利要求16所述的工艺生产的飞机发动机托架。
18. -种飞机发动机的次级结构，所述次级结构由基于聚合物的材料构成并且具有复 杂三维形状，所述复杂三维形状的特征在于位于不同平面中的多个部分，所述次级结构通 过增材制造技术制成，使得所述次级结构包括一系列按顺序形成的基于聚合物的材料层。
19. 根据权利要求18所述的次级结构，其中所述基于聚合物的材料是非加固热塑塑料 或聚合物基体复合材料，其包括使用不连续加固材料加固的热塑塑料。
20. 根据权利要求19所述的次级结构，其中所述热塑塑料选自由以下项构成的组：聚 醚醚酮、聚醚酮酮、聚醚酮醚酮酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜、聚酰胺和聚邻苯二甲酰胺。
21. 根据权利要求19所述的次级结构，其中所述基于聚合物的材料是聚合物基体复合 材料，并且所述不连续加固材料选自由短切纤维、微球和纳米加固材料构成的组。
22. 根据权利要求18所述的次级结构，其进一步包括至少一个嵌件，所述嵌件至少部 分嵌入所述次级结构的所述基于聚合物的材料中。
23. 根据权利要求22所述的次级结构，其中所述嵌件是适用于与所述燃气涡轮发动机 或所述燃气涡轮发动机的发动机部件接合的弹簧夹、垫片、托板螺母、紧固件或衬套。
24. 根据权利要求22所述的次级结构，其中所述嵌件是加固嵌件，所述加固嵌件适用 于在结构上沿所述次级结构的一个或多个载荷路径硬化所述次级结构。
25. 根据权利要求24所述的次级结构，其中所述嵌件由具有连续纤维加固材料的聚合 物基体复合材料构成。
26. 根据权利要求24所述的次级结构，其中所述嵌件的所述连续纤维加固材料嵌入由 所述次级结构的所述基于聚合物的材料构成的基体中。
27. 根据权利要求22所述的次级结构，其中所述嵌件由基于金属或基于陶瓷的材料构 成。
28. 根据权利要求18所述的次级结构，其进一步包括位于所述次级结构的外表面上的 金属涂层，所述金属涂层的厚度为约10微米到约250微米，并且构成所述金属涂层的材料 选自由镍、铝、铜、银、铬以及其合金和组合构成的组中。
29. 根据权利要求18所述的次级结构，其中所述次级结构是飞机发动机托架，所述飞 机发动机托架安装到飞机发动机的风扇箱的外部并且将部件固定到所述风扇箱。
【文档编号】B29C70/72GK104364068SQ201380028575
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2012年5月30日
【发明者】B.A.迪特施, J.M.科斯卡, D.E.戴尔, J.M.乌尔夫 申请人:通用电气公司