具有温度自锁连接的装配件的制作方法
【专利说明】具有温度自锁连接的装配件
【背景技术】
[0001] 本发明涉及采用机械连接装置来将由诸如陶瓷基复合(CMC)材料或碳/碳(C/C)材 料等热结构复合材料制成的部件装配在一起，其中，这类材料通常由多孔衬底组成，例如， 由陶瓷基体增密的多孔纤维衬底。特别地，该衬底的纤维可由碳或陶瓷制成。该基体可由耐 火陶瓷制成，例如，耐火碳化物、氮化物、硼化物或氧化物。热结构复合材料引人注目，这是 由于其具有卓越的机械性能而适于构成结构元件，且能够在高温保持这些性能。
[0002] 更具体地，本发明涉及机械连接装置的空气动力和热性能，所述机械连接装置用 于在由热结构复合材料制成的部件将要浸入到高温蒸汽中时将该部件装配在一起，例如， 当为诸如尾喷管(也称为"排气塞"）或可变截面喷嘴调节片的航空发动机装配全部或部分 后体装配件时。
[0003] 在这些应用领域中，装配在一起的部件通常比较精细（厚度只有几毫米），且需要 满足空气动力学要求，这意味着优先选用铆钉来连接所述部件之间的机械连接装置。对于 用来制造航空发动机后体部件的装配件而言，一般的做法是采用铆钉，该铆钉在该装配件 的一侧具有平头（即头是截头圆锥形而端部是平的），该平头容纳于形成在待装配部件之一 的埋头孔之中；该铆钉在该装配件的另一侧用柱形物或垫圈来弥补铆钉之间的差胀，铆钉 膨胀较大，而由热结构复合材料制成的部件则膨胀很小。将铆钉的头融合入存在于所述装 配件一侧的埋头孔，可以获得良好的空气动力性能。但是，只能在所述部件的所述一侧获得 良好的空气动力性能，这是因为存在于所述装配件的另一侧的柱形物和铆钉体的一部分会 产生相当大的拉力。
[0004] 另一方案用于制造变截面喷嘴的调节片，其在于用铆钉将由热结构复合材料制成 的部件连接在一起，比如，以Fybrfest?^标出售的铆钉，所述铆钉的一端具有头而另一端 具有端部，所述端部被压平以将所述部件扣紧。然而，用该类型的铆钉，所述头和该铆钉体 的压平部分从该装配件的任一侧伸出，从而伸出装配件的流线之外。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一项使用一种或多种紧固件系统将由复合材料制成的部件 装配在一起的解决方案，该紧固件系统的热膨胀系数大于由复合材料制成的部件的热膨胀 系数，有必要使该紧固件系统对该装配件的空气动力性能影响很小，甚至没有影响。
[0006] 该目的是由一种装配件来实现的，该装配件包括由复合材料制成的第一部件和第 二部件，通过至少一个紧固件系统使一部件抵靠另一部件，所述紧固件系统包括螺栓和螺 母，所述螺栓具有延伸出螺纹部分的平头，所述螺母具有延伸出柄的平头，所述柄包括适于 与所述螺栓的螺纹部分配合的攻丝，所述螺栓的头抵靠形成在所述第一部件中的埋头孔， 所述螺母的头抵靠形成在所述第二部件中的埋头孔，在所述紧固件系统轴向膨胀期间，所 述紧固件系统适于使所述两个头中的至少一个向容纳该两个头中的至少一个的埋头孔倾 斜。
[0007] 因此，本发明的装配件是由机械连接装置制成的，所述机械连接装置集成在连接 处的两面，即，机械连接装置不会伸出所述装配在一起的部件的外表面之外。因此，本发明 的装配件可浸入到高温流的两面，而不降低该连接系统的空气动力性能。
[0008] 此外，所用紧固件系统设计目的在于：由该系统（高温期间该系统会倾斜）的头的 至少一个施加附加的夹持力，从而使得能够对每一紧固件系统的膨胀(尤其是轴向膨胀)进 行补偿，且在温度上升时保持夹持力。
[0009] 在根据本发明所述装配件的一实施例中，该紧固件系统的平头的至少一个包括多 个径向槽且具有一角度，该角度大于所述部件的容纳该平头的至少一个的埋头孔的角度， 所述头在所述埋头孔中承受预应力。因此，当该装配件暴露于高温流之中时，该紧固件系统 膨胀，而先前处于预应力状态的该头向容纳该头的埋头孔倾斜。通过以这种方式倾斜，该头 施加附加力，该附加力使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持 力。
[0010] 根据本发明所述装配件的一方面，所述螺栓和所述螺母由选自如下的至少一种材 料制成：Ineone丨? 625或718，Waspa丨oy?，Haynes? 282?, A286不锈钢和任何其他高性 能钢。
[0011] 在本发明另一实施例中，该紧固件系统包括橛子，该橛子在紧固系统中在该螺栓 的头和该螺母的头之间延伸；该橛子的热膨胀系数大于所述螺栓和所述螺母的热膨胀系 数。因此，当该装配件受到高温时，例如，当该装配件浸入到燃烧气体的热流中，该橛子比该 紧固件系统膨胀得更加厉害，且该橛子分别通过其底端和顶端向该螺栓和该螺母的头的内 部部分施加推力。在该橛子轴向膨胀期间，所述头向容纳该投的埋头孔倾斜，且每一头对所 述部件施加力，从而使得该紧固件系统能够在高温时保持其施加在所述部件上的夹持力。
[0012] 根据本发明所述装配件的一方面，所述螺栓和所述螺母由Inconel? 718(CTE6〇(fc =14.8)制成，而所述橛子由六286不锈钢(配方26%了25且0^()()。(：=18)制成。根据本发明所 述装配件的同一方面，所述螺栓和所述螺母由钛（CTE6()()。c=9.9)制成，而所述橛子由 Waspal ( CTE6〇〇°c= 14 · 6)制成。
[0013] 根据本发明所述装配件的另一方面，所述螺栓的头和所述螺母的头各自包括槽。 所述槽可在该橛子膨胀和收缩期间促进所述头的弹性变形。
[0014] 根据本发明所述装配件的另一方面，所述第一部件和第二部件由陶瓷基复合材料 制成。
[0015] 根据本发明所述装配件的又一方面，所述第一部件和第二部件各自具有小于3毫 米(mm)的厚度。
[0016] 根据本发明所述装配件的再一方面，所述第一部件和第二部件是航空发动机的后 体部件。
【附图说明】
[0017] 本发明的其他特征和优点详见本发明具体实施例(非限制性的，结合【附图说明】）的 以下描述，图中：
[0018] 图1是显示根据本发明一实施例的装配件的透视示意图；
[0019] 图2A和图2B分别是显示冷却时图1中装配件的剖视图和俯视图；
[0020]图3A和图3B分别是显示图1中装配件暴露于高温流时该装配件的剖视图和俯视 图；
[0021 ]图4是显示根据本发明一实施例的装配件的透视示意图；
[0022] 图5是显示冷却时图4中装配件的剖视图；以及
[0023] 图6是显示图4中装配件暴露于高温时该装配件的剖视图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明以通用方式应用于采用一种或多种紧固件系统的由复合材料制成的部件 之间的任何装配件。该紧固件系统的热膨胀系数大于由复合材料制成的部件的热膨胀系 数，有必要使该紧固件系统对该装配件的空气动力性能产生很小冲击力甚至不产生冲击 力。
[0025] 用于装配在一起的部件可具体由热结构陶瓷基复合(CMC)材料制成，例如，由增强 材料构成的材料制成，该增强材料由耐火纤维(碳或陶瓷纤维）制成，该耐火纤维由也是耐 火材料的陶瓷基体(例如C/SiC、SiC/SiC或C/C-SiC等材料)来致密。所述部件也可由具有低 热膨胀系数的其他热结构复合材料制成，例如C/C材料(增强材料和基体都由碳制成）。
[0026] 本发明的装配件可特别地(但不限于）用于制造航空发动机的全部或部分后体装 配件，例如尾喷管(也称为"排气塞"）或可变截面喷嘴调节片。
[0027]图1、2A、2B、3A和3B示出根据本发明一实施例的一种装配件。如图1所示，由热结构 CMC材料制成的两个部件10和20之间的装配件100本身是通过紧固件系统50来完成的，该紧 固件系统50包括置于孔11和孔21中的螺栓30和螺母40,所述孔11和孔21形成在所述部件10 和部件20之中。更准确地，该螺栓30具有平头31，从该平头31延伸出螺纹部分32,该平头31 容纳在形成在部件10中的埋头孔12之中。该螺母40也具有平头41，从所述平头41延伸出柄 42,所述柄42包括适于与所述螺栓30的螺纹部分32配合的攻丝43。所述螺母40的平头41容 纳在形成在部件20中的埋头孔22之中。特别地，该螺母和该螺栓可由以下任一种材料制成： Inconel?625或718, Waspaloy?，.Haynes?