整体叶环的制备方法和整体叶环与流程

本发明涉及航空技术领域，特别涉及一种整体叶环的制备方法和整体叶环。

背景技术：

为了提高航空涡扇发动机的推重比，在设计发动机时，需要减轻发动机的结构重量。为此，除了改进与优化发动机的总体设计之外，还需要研发更为先进的轻质高性能新材料以及轻量化结构部件。近年来，国外先进航空发动机公司正在研究开发具有高比强度、高刚度、低密度的金属基复合材料整体叶环的制造工艺，以提高发动机的推重比。

目前，已有的金属基复合材料整体叶环多为Sic颗粒增强铝基复合材料或钛基复合材料，并采用融模铸造、锻造、机械加工相结合的方法完成整体叶环零件的制造。与传统的铝合金/钛合金材料相比，虽然颗粒增强铝基或钛基复合材料的力学性能有较大提升，但与整体叶环的工况要求仍有一定差距，因此，采用连续纤维增强金属基复合材料形成整体叶环，以进一步提升整体叶环的力学性能成为整体叶环的一个发展方向。

但是若采用连续纤维增强金属基复合材料，则传统的融模铸造、锻造、机械加工无法适用于整体叶环的加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种整体叶环的制备方法和整体叶环，以制备连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环。

本发明第一方面提供一种整体叶环的制备方法，包括：制备具有连续纤维的叶环环芯毛坯；制备具有环形凹槽的环形合金锻件，所述环形凹槽具有位于所述环形合金锻件的轴向端面的开口；将所述叶环环芯毛坯置于所述环形凹槽中并将所述叶环环芯毛坯与所述环形合金锻件进行融合处理以形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯。

进一步地，所述制备方法还包括对所述整体叶环毛坯进行加工得到工作叶片以形成所述整体叶环。

进一步地，制备叶环环芯毛坯包括：形成环状纤维预制体层；将至少两个环状纤维预制体层叠放设置后连成整体结构以形成所述叶环环芯毛坯。

进一步地，所述至少两个环状纤维预制体层沿所述叶环环芯毛坯的轴向或径向叠放设置。

进一步地，制备叶环环芯毛坯还包括将所述环状纤维预制体层与合金薄片在轴向上交替铺放或径向上交替铺放并进行热压以使得所述环状纤维预制体层与所述合金薄片充分融合。

进一步地，位于最外层的所述环状纤维预制体层处于所述合金薄片之间。

进一步地，形成环状纤维预制体层包括将所述连续纤维缠绕成所述环状纤维预制体层。

进一步地，利用缠绕装置对所述连续纤维进行缠绕以形成所述环状纤维预制体层。

进一步地，从径向内侧向径向外侧缠绕所述连续纤维以形成环状纤维预制体层。

进一步地，对纤维进行缠绕的过程中在环状纤维预制体层的轴向端面上施加一定的压力以保证所述连续纤维缠绕的整齐度。

进一步地，对纤维进行缠绕的过程中对径向上相邻设置的连续纤维段之间进行粘接处理。

进一步地，所述环状纤维预制体层在轴向上为单层纤维。

进一步地，在对所述连续纤维进行缠绕前对所述连续纤维的表面进行预处理使得所述连续纤维的表面覆盖有金属涂层。

进一步地，所述连续纤维包括碳化硅纤维或氧化铝纤维，和/或，所述环形合金锻件包括铝合金锻件或钛合金锻件。

本发明第二方面提供一种整体叶环，所述整体叶环运用本发明第一方面任一项提供的整体叶环的制备方法来制备。

基于本发明提供的整体叶环的制备方法和整体叶环，整体叶环的制备方法包括：制备具有纤维的叶环环芯毛坯；制备具有环形凹槽的环形合金锻件，环形凹槽的开口位于环形合金锻件的轴向端面上；将叶环环芯毛坯置于环形凹槽中并将叶环环芯毛坯与环形合金锻件进行融合处理以形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯。

本发明针对连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环的制备提出一种整体叶环的制备方法，通过先制备叶环环芯毛坯，再将制备好的叶环环芯毛坯与具有环形凹槽的环形合金锻件进行融合处理形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯。另外，本发明的整体叶环的成型工艺简单。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的整体叶环的结构示意图；

图2为本发明实施例的整体叶环的制备方法的流程图；

图3至图5为制备环状纤维预制体层的方法示意图；

图6至图7为制备叶环环芯毛坯的方法示意图；

图8至图11为制备整体叶环毛坯的方法示意图；

图12为加工工作叶片形成整体叶环的结构示意图。

各附图标记分别代表：

1-叶环环芯毛坯；11-环状纤维预制体层；110-涂层纤维；111-纤维；112-金属涂层；12-铝合金薄片；2-环形合金锻件；21-环形凹槽；22-工作叶片；5-缠绕装置；51-圆盘；52-柱状体；53-顶盖；8-热压模具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例的整体叶环的制备方法包括：制备具有连续纤维的叶环环芯毛坯；制备具有环形凹槽的环形合金锻件，环形凹槽具有位于环形合金锻件的轴向端面上的开口；将叶环环芯毛坯置于环形凹槽中并将叶环环芯毛坯与环形合金锻件进行融合处理以形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯。本发明实施例的整体叶环的制备方法通过先制备叶环环芯毛坯，再将制备好的叶环环芯毛坯与具有环形凹槽的环形合金锻件进行融合处理来制备连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环。

本发明实施例的叶环环芯毛坯的纤维可以是碳化硅纤维，也可以是氧化铝纤维。环形合金锻件可以为铝合金锻件，也可以是钛合金锻件，当环形合金锻件为铝合金锻件时，整体叶环即为连续纤维增强铝基复合材料的整体叶环。当环形合金锻件为钛合金锻件时，整体叶环即为连续纤维增强钛基复合材料的整体叶环。

本发明实施例的整体叶环的制备方法还包括对整体叶环毛坏进行加工得到工作叶片以形成整体叶环。

下面将以制备连续纤维增强铝基复合材料的整体叶环的方法为例来进行说明。

如图1所示，本实施例制备的整体叶环包括环芯和工作叶片。其中，环芯为连续纤维增强铝基复合材料，工作叶片为铝合金材料。环芯的内径为R1，环芯的外径为R2。整体叶环的外径为R3。

如图2所示，本实施例的整体叶环的制备方法包括如下步骤：

第一步：制备具有连续纤维的叶环环芯毛坯1；

第二步：制备具有环形凹槽21的环形合金锻件2，环形凹槽21的开口位于环形合金锻件2的轴向端面上；

第三步：将叶环环芯毛坯1置于环形凹槽21中并将叶环环芯毛坯1与环形合金锻件2进行融合处理以形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯；

第四步：对整体叶环毛坯进行加工得到工作叶片以形成整体叶环。

下面将根据图3至图7对第一步的制备具有纤维的叶环环芯毛坯的具体步骤进行说明。

为了提高连续纤维与铝合金锻件之间的相容性以使连续纤维与铝合金锻件之间能够更好地融合，如图3所示，首先要对连续纤维111的表面进行预处理使得连续纤维111的表面覆盖有金属涂层112，例如可以使连续纤维111的表面覆盖有铝合金涂层。可以采用热喷涂或者PVD的方法对连续纤维111进行表面处理。对连续纤维111进行表面处理后得到具有金属涂层的涂层纤维110。

如图4和图5所示，利用缠绕装置5对涂层纤维110进行缠绕以形成环状纤维预制体层11。图5所示的轴线O即为整体叶环的轴线。

本实施例所采用的缠绕装置5的结构如图4所示，缠绕装置5包括中部具有柱状体52的圆盘51和与之配合使用的顶盖53。

优选地，在利用缠绕装置5对涂层纤维110进行缠绕以形成环状纤维预制体层11时，从圆盘51的径向内侧向径向外侧的方向缠绕纤维以形成环状纤维预制体层。

为了保证所制备的整体叶环的大小，缠绕装置5的圆柱体52的半径R4应大于本实施例制备的整体叶环的环芯的内径R1。其差值为5-10mm。

为了利于保证涂层纤维110的缠绕过程中不会发生错乱，在缠绕过程中需对相邻的涂层纤维110进行粘接处理。例如，可以采用室温固化的环氧树脂对相邻的涂层纤维段进行粘接处理。

优选地，为了利于保证涂层纤维110的缠绕的整齐度，在利用缠绕装置5进行缠绕的过程中在环状纤维预制体层11的轴向端面上施加一定的压力以保证缠绕的整齐度。

在本实施例中，在缠绕的同时在顶盖53上施加向下的压力。具体地，每间隔30s，在缠绕装置5的顶盖53上施加不低于10kg的向下的压力以保证涂层纤维110缠绕的整齐程度。

并且在缠绕涂层纤维110时应保持匀速。例如，在缠绕时需要使缠绕速度不大于1m/min。

经过上述缠绕过程，已经得到单层的环状纤维预制体层11。其横截面的结构如图5所示。

在一个附图未示出的实施例中，也可以不对连续纤维的表面进行金属涂层的处理，那么在制备环状纤维预制体层时，就是利用缠绕装置直接对连续纤维进行缠绕。

如图6所示，制备叶环环芯毛坯1包括将至少两个环状纤维预制体层11叠放设置后形成整体结构。

在本实施例中，至少两个环状纤维预制体层11沿叶环环芯毛坯1的轴向叠放设置。

为了使具有纤维的叶环环芯毛坯1与铝合金锻件2能够进行更好地融合，如图6所示，制备叶环环芯毛坯1还包括将环状纤维预制体层11与铝合金薄片12在轴向上交替铺放并进行热压以使得环状纤维预制体层11与铝合金薄片12充分融合。本实施例的整体叶环的制备方法通过热压使环状纤维预制体层11与铝合金薄片12进行充分融合，提升内部致密程度，提升整体叶环的结构完整性，减少内部缺陷，充分改善纤维与合金基体之间的界面性能。

如图6所示，将环状纤维预制体层11和铝合金薄片12交替铺放于热压模具8中。在铺放过程中首先在热压模具8的底部铺放15-20层铝合金薄片12，然后按照一层环状纤维预制体层11叠加两层铝合金薄片12的方式在热压模具8中交替铺层。上述铺放过程要保证环状纤维预制体层11和铝合金薄片的总厚度小于整体叶环的厚度。例如可以小于整体叶环的厚度大约5-6mm。完成上述铺放后，再在上面铺放15-20层铝合金薄片12并闭压热压模具8以进行热压。图6中的箭头示出热压模具8的压力的施加方向。由于铝合金薄片12与环状纤维预制体层11是在叶环环芯毛坯的轴向方向上交替铺放，因此为了使两者更好地融合，热压模具8的热压方向为向下。

图7所示即为经过热压处理后得到的叶环环芯毛坯1。

在一个附图未示出的实施例中，至少两个环状纤维预制体层沿叶环环芯毛坯的径向叠放设置。此时若要在环状纤维预制体层之间设置铝合金薄片，那么热压模具的热压方向就为沿径向向内。

图8和图9示出了本实施例的环形合金锻件2的结构示意图。本实施例的环形合金锻件2具有环形凹槽21。环形凹槽21的开口位于环形合金锻件2的轴向端面上。如图8所示，环形合金锻件2的内径R5对应于图1所示的整体叶环的环芯的内径R1，环形凹槽21的处于径向外侧的壁面与整体叶环的轴线O之间的距离R6对应于图1所示的整体叶环的环芯的外径R2，环形合金锻件2的外径R7对应于图1所示的整体叶环的外径R3。在制备环形合金锻件2时，需使得R5相对于R1预留5-10mm的加工余量，R6相对于R2预留5-10mm的加工余量，R7相对于R3预留5-10mm的加工余量。

如图10所示，将制备好的叶环环芯毛坯1置于环形合金锻件2的环形凹槽21中并将叶环环芯毛坯1与环形合金锻件2进行融合处理以形成连续纤维增强金属基复合材料的整体叶环毛坯。

具体在本实施例中，先将叶环环芯毛坯1置于环形合金锻件2的环形凹槽21中，然后再将其放入热等静压设备中进行扩散和固化处理。将热等静压设备的处理温度控制在450-500℃，压力控制在140-150MPa，并保持上述压力4-5小时，然后自然冷却至室温。图11中的箭头示出进行热等静压处理时压力的施加方向。

在放入热等静压设备之前，并将叶环环芯毛坯放入铝合金锻件中后需要用不锈钢包套进行整体包覆并进行抽真空处理后再放入热等静压设备中。

经过以上步骤形成整体叶环毛坯。最后对形成的整体叶环毛坯进行最后的机械加工，加工出整体叶环的工作叶片就得到了如图12所示的本实施例需要制备的整体叶环。

本实施例制备的整体叶环采用铝合金作为基体材料，由于铝具有更低的密度，因此本实施例制备的整体叶环具有更优异的减重优势。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。