专利名称：用于制造线状物/纤维阵列的硬件装置及方法
技术领域：
本发明涉及线/纤维环状物，更具体地，涉及一种具有改进的空洞和纤维结构 的改良基体复合型线/纤维环状物，以及制造所述改良的基体复合型线/纤维环状物的方法。
背景技术：
钛基复合材料(Titanium matrix composite，TMC)环状物使用于在高温中转动的
零件，例如使用于涡轮发动机中，其中特定的硬度和强度是设计中的关键因素。虽然使 用TMC制造方法生产这些材料已普遍地受到资金短缺的妨碍，一种TMC制造方法成为 了希望。根据这种方法，将钛丝(titanium wire)和碳化硅(SiC)纤维结合起来以形成一个 环形增强体阵列(hoop reinforcement array)。美国专利第5763079号(申请人为Hanusiak) 以及5460774号(申请人为Bachelet)已经描述了利用这种方式制造TMC环状物的方法。 这两个专利描述了达到相同目的的不同方法。但是，这两个专利在设计的关键环节上都 限制了生产的灵活性。图1A-IC展示了 Hanusiak的方法。在这种方法中，线状物3和纤维4的结合比 例被限制于1 1，但是只要线状物3的直径比纤维4的直径大，线状物的直径与纤维的 直径就可以不同。通过选择线状物及纤维的直径可以确定纤维在所生成复合物中的含量 (fraction)。例如，使用直径为0.007英寸的线状物和直径为0.0056英寸的纤维可生产出 纤维含量为30%的合成物。根据Hanusiak的发明，组件(assembly)由一个全是线状物 元件的带条(tape)和一个全是纤维元件的带条组成，这两个带条结合起来使每叠(ply)有 两层(layer)。每个带条由尺寸相同的元件组成，但是第一带条中元件的尺寸不一定必须 和第二带条中元件的尺寸相同。所述组件是以相邻的纤维4之间相互不发生接触的方式 将每种类型的带条交替地施加到缠绕芯体(winding core)而形成的。根据Hanusiak等人 的发明制造出的结构的优点在于线状物和纤维直径的比例可以变化，所以可以轻易制 造出纤维含量为35% -45%的合成物。这种范围内的纤维含量对于有效的环状物构建是 特别合适的。但是，根据Hanusiak等人的发明制造出的结构的缺点在于装配后的阵列 (assembled array)含约20%的空洞(void)，这种空洞对较厚的零件是特别有害的，因为它 允许在金属移动时形成不希望出现的尖点(cusp)。另外，根据Hanusiak等人的发明制造 出的结构已经显示出在固化循环中组织性不稳定的特性，所述固化过程是用来消除TMC 零件中的空洞含量。图IA展示了根据Hanusiak等人的发明所制造的复合材料环状物(composite ring)
结构的剖面图。在该结构中，线状物3之间只在高度方向上互相接触，因为结构中存在最大的纤维间距。图IB展示了 Hanusiak等人的发明的一个实施例，其中有适中的纤维 间距以便纤维被等宽等高地分开。图IC描述了 Hanusiak等人的发明的另一个结构的构 造，其中有最小的纤维间距，使得线状物3只在侧面或宽度方向上相互接触。图2A-2C阐述了 Bachelet描述的方法。根据该方法，线状物/纤维的结合被限 制到2 1或3 1的比例。另外，在Bachelet揭露的所有例子中，线状物的直径被限 制到与纤维的直径相同的尺寸。所有组件都利用每叠两层的结构，并分成如图2A-2C所 示的三种类型。更具体地，如图2A所示，每个第一层由纤维4组成，这些纤维4被两个直径相 等的线状物3互相间隔开来，并且第二层被横向地编排(laterally indexed)以使纤维4放置 在下层的两个线状物3之间。如图2B和2C所示，在Bachelet所揭露结构的其他实施例中，其中第一层由纤 维4组成，这些纤维4被一个直径相等的线状物3互相分开。第二层全部由与第一层中 纤维4直径相同的线状物3组成。Bachelet方法的优点在于空洞的含量只有约10%， 而且明显地，此阵列在后续的固化步骤中具有组织稳定性。而且，Bachelet的方法可以 适用于较厚的零件，因为该方法产生相对较低的空洞含量，因为沿TMC周长(perimeter) 形成尖点的趋势较低。但是，Bachelet方法的缺点在于，在其实施例中将线状物和纤维 限定为线状物具有相同的直径，因此使纤维的含量限制在25%-33%之间。从设计的角 度来说，这样的纤维含量不是最理想的范围。即，在很多设计中，需要40%的纤维含量 来实现有用的性能提高。此外，在Hanusiak等人和Bachelet所揭露的实施例中，任何单层中元件的尺寸
都被限定为相等。虽然这些文献中没有特别排除在一层中的元件可以具有不同直径的情 况，但这些文献都没有解决与此结构相关的特殊问题。即，当在单层中使用不同尺寸 的元件，并且所有在一个层上的元件都被同时施加于缠绕芯体时，则会产生固有的堆叠 (stacking),或结构不稳定的问题。Bachelet的专利具有专门将任何单层中的所有元件同时进行施加的特殊要求。 Bachelet显然通过这个限制来控制第一层元件之间的间距，因为该文献中没有描述任何其 他在缠绕心轴上控制第一层中元件的方法。这也暗示在第一层中的元件之间是接触的， 以便有效地实现控制位置的目标。后续层中元件的位置由第一层中元件之间构成的间隙 确定。假如第一层中的元件相互接触，并且线状物和纤维的直径不相似，则后续层中的 元件将由于放置位置的不确定性而无法定位，且组件将排列混乱。图3A-3C描述了具有 尺寸不同的元件的第二层是如何被放置到含有尺寸不同的元件的第一层之上的，以及最 终地，如此放置几层后，实质上所有位置都已错乱(图3C)。即，如果后续层中的元件 同时到达，则在指定层中元件的尺寸不相等将产生对放置位置的竞争。所以，有必要提供一种改良的方法，它可以在稳定的排列中实现空洞含量低的 目的，同时实现纤维的弹性(flexibility)含量在约0% -70%之间，最好在30% -45%之 间。
发明内容
因此，本发明的 一个目的在于提供一种改良的TMC线/纤维环状物结构及其制造方法，。其中，每一层中的每个元件都有一个明确的位置选择。本发明的进一步目的在于提供一种空洞含量低、纤维含量在适当范围内的TMC线/纤维环状物。本发明的进一步目的在于提供一种在单层中包含不同直径的元件的TMC线状物 /纤维环状物。本发明的又一目的在于提供一种为第一层中的线和/或纤维提供明确位置的缠 绕心轴。本发明的另一目的在于界定并实施一套硬件装置及相关部件，以实现稳定、高 效的固化过程。为实现这些和其他目的，本发明提供一种用于制造线状物/纤维阵列的硬件装 置，包括具有缠绕表面的缠绕心轴；从所述缠绕表面径向地向外延伸的一对边环；及 与所述边环的至少一部分接触的闭合环，该闭合环将一个由缠绕表面、边环内表面和闭 合环的内表面界定的组合空间封闭起来。优选地，至少一个所述边环包含一个让位切口。优选地，所述缠绕表面包括与 至少一个所述边环邻接的侧翼。优选地，所述凹槽容纳包装线状物的末端部分。优选 地，所述闭合环与包装线状物接触，所述包装线状物包围处于所述组合空间内的线状物 /纤维组件。优选地，所述的硬件装置进一步包括气密性地封闭所述硬件装置的封装设 备。优选地，所述封装设备包括金属袋。优选地，所述金属含有钛元素。优选地，所 述硬件装置进一步包括至少一个排气导管。另一方面，本发明提供一种加工未成熟线状物/纤维阵列的方法，包括如下步 骤在缠绕心轴上缠绕一组绳股，所述绳股通过缠绕心轴上的边环被限制在所述缠绕心 轴上；使用包装线状物包裹所述一组绳股；及用闭合环将所述绳股和包装线状物封闭在 由缠绕心轴、边环内表面和闭合环的内表面界定的组合区域空间内，其中，所述缠绕心 轴、边环和闭合环构成了一个硬件装置。优选地，所述包装线状物含有钛元素。优选地，所述的方法进一步包括将所述 硬件装置封装在气密容器内的步骤。优选地，所述气密容器包含钛元素。优选地，所述 方法进一步包括抽空所述气密容器的步骤。优选地，所述方法进一步包括通过一个导管 向所述气密容器中充入惰性气体的步骤。优选地，所述惰性气体含有氩气。优选地，所 述的方法进一步包括通过在所述抽空步骤之后密封所述容器来维持所述容器内真空度的 步骤。优选地，所述的方法进一步包括固化所述绳股的步骤。优选地，所述固化步骤包 括将所述绳股加热到1650 T的步骤。优选地，所述固化步骤包括施加不超过15000psi的 压力的步骤。另一方面，本发明提供一种线状物缠绕装置，包括缠绕心轴；一组导辊，所 述每个导辊设置在所述缠绕心轴的圆周上的预定位置；及一组带条，所述每个带条被所 述一组导辊中的一个导辊所引导，且所述每个带条包含一组绳股；其中，当所述缠绕心 轴旋转时，所述每个带条以连续的、一个在另一个之上的方式设置在缠绕心轴上，并且 所述缠绕心轴的一个缠绕表面上具有一组凹槽，缠绕在所述心轴上的第一层中的每个绳 股都有一个明确的巢位，所述每个绳股依照预定的距离与另一个绳股互相隔开，或者所 述缠绕心轴包括紧邻心轴的一个缠绕表面的间隔线状物，缠绕在所述心轴上的第一层中的每个绳股都具有一个明确的巢位，所述每个绳股依照预定的距离与另一个绳股互相隔 开。另一方面，本发明提供一种复合材料环状物，其包括一组第一绳股或元件作为 第一层。每个绳股或元件具有第一直径且以预定的距离相互隔开。一组具有与所述第一 直径不同的第二绳股被适当地放置，使得至少两个所述第二绳股填充在相邻第一绳股之 间，这样形成了第一层。作为第二层，一组直径与所述第一绳股直径相同的第三绳股偏移于所述第一绳 股，从而使所述第三绳股覆盖第一层中的位于第二绳股之间的区域。最后，一组直径与 第二绳股直径相同的第四绳股偏移于所述第二绳股，从而使相邻第四绳股之间的区域处 在所述第三绳股的中心位置。这样形成的整体结构为由四个带条，即四套/束绳股构成 的两层结构。在本发明的一个优选实施例中，所述第一、第二、第三和第四绳股中至少含有 纤维和线状物中的一种。所述纤维优选地含有碳化硅，所述线状物优选地含有钛元素， 从而获得了一种TMC线状物/纤维环状物。同样根据本发明，所述纤维绳股最好具有比所述线状物绳股更大的直径。这样 的结构可导致纤维含量约为30% -45%,空洞含量约12%。根据本发明的一个优选实施例，提供了一种用于缠绕所述TMC零件且具有凹槽 的心轴，所述凹槽分别对应于第一层中每个绳股的理想位置。相应地，第一层中的巢位 经过合理排列，从而适合于第二层或任何后续层。可选地，可以通过在所述心轴上提供 一层具有选定直径的线状物来获得“凹槽”，从而导致产生预定的巢位，这些巢位与所 述第一绳股层所希望的间隔一致。根据本发明的方法，可以对所述含有一组绳股的带条同时进行缠绕，但每个带 条是从不同的切线，或不同的“时钟”位置，缠绕到所述心轴上的。当达到所需厚度时 停止缠绕。根据优选实施例，所述绳股可以相互横向接触或不接触。根据本发明的又一个优选实施方式，当缠绕完成后，优选地，可以使用包装线 状物包裹所述暴露的绳股层，以保护阵列样式。
生产本发明线状物/纤维阵列的硬件装置优选地包括所述心轴，一对从所述心 轴的缠绕表面径向地向外延伸的边环，以及一个闭合环。所述闭合环至少和所述边环的 一部分接触，并且把由缠绕表面、边环的内表面和闭合环的一个内表面界定的组合空间 封闭起来。所述边环优选地包括一个让位切口，以协助固化过程中的压缩动作，且所述缠 绕表面优选地含有与所述边环邻接的侧翼。优选地，所述边环还包括位于其顶部的凹槽，用以容纳所述包装线状物的末端 部分。当完全装配起来后，所述闭合环优选地与包装线状物接触，所述包装线状物将处 于所述组合空间内的、并且已经构建好的线状物/纤维组件包围起来。本发明同时提供一个装置缠绕装置，所述装置包括所述缠绕心轴，一组导辊 (guide roller),每个导辊围绕所述缠绕心轴排列在预定的圆周位置，及一组带条，所述每 个带条都被其中一个导辊所引导，每个带条都包括一组绳股。当所述缠绕心轴旋转时， 所述每个带条连续地、层叠在所述缠绕心轴上。
本发明进一步提供一种加工“未成熟(green)”线状物/纤维阵列的方法，包 括如下步骤在缠绕心轴上缠绕一组绳股，所述绳股通过边环和心轴被限制在缠绕心轴 上；使用包装线状物包裹所述一组绳股；然后，使用闭合环将所述绳股和包装线状物封 闭在一个由心轴、边环内表面和闭合环的一个内表面界定的组合区域空间(assembly area space)内。所述缠绕心轴、边环和闭合环可被称为硬件装置。所述硬件装置优选地被封装在一个密封容器中，优选地，所述密封容器随后通 过在导管内通入惰性气体，如氩气而被抽空。当所述密封容器被完全抽空后，并且所有污染物及不合需要的气体都被清除掉 后，所述容器被密封且优选地随后进行固化步骤。所述固化步骤优选地包括在最高15,OOOpsi的压力加热所述绳股至约1650 T。 在此条件下，所述边环横向移动，而所述线状物/纤维阵列则固化到一个程度。在此程 度，所述线状物/纤维阵列，就如同单一材料那样，可被加工成产品，例如涡轮盘。
通过阅读以下详细说明并结合附图，本发明将变得更加清晰，附图中的相同标 记表示相同的元件，其中图IA-C为装配线状物/纤维结合物的现有方法。图2A-C为装配线状物/纤维结合物的另一种现有方法。图3A-C展示了现有的组合线状物/纤维环状物方法中固有的不稳定性。图4A-E为本发明一个优选实施例所述装配一种TMC线状物/纤维环状物的方法。图5为本发明的一个缠绕装置。图6为本发明的一个心轴。图7A-E展示了以每有一个纤维就有两个线状物的形式构建的阵列的不稳定性， 其中线状物直径大于纤维直径。图8A-E为本发明多个带条的结构，其中线状物的直径比纤维的直径大。图9描述了本发明使用线状物来间隔第一层绳股的心轴。图10为本发明用于加工未成熟线状物/纤维组件的硬件装置。图11为本发明带有线状物/纤维组件和缠绕层的硬件装置。图12为本发明带有线状物/纤维组件、缠绕层、闭合环和封装的硬件装置。图13展示了本发明的完全固化后的线状物/纤维环状物的横截面。图14展示了对本发明的线状物/纤维环状物加工而获得的最终零件。
具体实施例方式参考图4A-E和图5，现在描述本发明的优选实施例。根据本发明，一种可以实 现线状物/纤维环状物空洞含量低、排列稳定、同时纤维的弹性含量约为0%-70%，优 选地约为30% -45%的改进方法被确认。根据本发明，参考图4A-E和图5，堆叠(stacking)得到控制，从而借助四个条 带(tape)在四次操作中将两个层构筑起来。通过这种方法控制堆叠，克服了困扰现有技
8术的稳定性问题。如图所示，借助位于缠绕芯体(windingcore)或心轴(mandrel) 50的四 个依序排列的时钟位置58a-d上的四个带条56a-d而将尺寸不相似的元件施加到缠绕芯体 50上，从而将这些元件可靠地堆叠起来。在每个时钟位置上，包含尺寸全部相同的线状 物的条带或包含尺寸全部相同的纤维的带条被施加到缠绕芯体。为获得所需的组件，需 要考虑在特定带条内元件的选择以及施加带条的顺序。根据本发明，当每个元件被施加 到所述缠绕芯体时，即使采用不同直径的线状物和纤维，所述每层中的每个元件都有一 个明确的位置选择。具体地，在图4A中，一组纤维4首先被排列。在图4B中，一组线状物3被排 列在与所述第一纤维4相同的层中。在一个优选实施例中，所述第一纤维之间具有适当 的距离，从而使两个线状物3被放置在两个相邻纤维4之间。如图4C所示，在第三个时 钟位置上，首先使用纤维4形成第二层。所述每个纤维4覆盖线状物之间的接合点5。 然后，如图4D所示，一组线状物3被填充到相邻纤维4之间的间隙内，从而形成所述第 二层。重复执行上述步骤以达到所需厚度。图4E描述了一个四层结构，S卩，根据本发 明的两个两层结构。根据本发明的优选实施例，所产生的阵列(图4D，4E)的空洞含量约为12%， 此含量是相对较低的，所以是理想的。另一方面，根据本发明，通过选择可提供所需含 量的线状物/纤维的相对直径，很容易将纤维含量控制在所需范围内的任意值。图5展示了借助四个带条形成一叠(即两个层)的装置。如图所示，所述带条 56a-d到达所述心轴50的四个预定的时钟位置58a-d，以方便地控制所述一组绳股的叠放 (nesting)。图5所示的装置包括一个引入辊(lead roller) 54和一组导辊52a_d，所述导辊 52a-d分别围绕心轴50排列，以便每个带条56a-d被施加到所述心轴50的理想时钟位置 上。如上述发明内容部分所述，所述纤维优选地含有SiC，且线状物优选地含有 钛元素。但是，本发明的所述绳股也可以使用其它合适的材料，例如其它金属、细丝 (filament)、玻璃等。以多个带条的形式将这些层施加到所述心轴50解决了使用不相类似尺寸的元件 或绳股形成阵列的问题，但是在缠绕起点处元件位置的控制仍然是一个问题。在Bachelet的发明中，通过互相接触的方式同时施加所有的元件，从而实现位 置控制，所以，每个元件或绳股都与相邻的绳股邻接。但是，如图4B所示的第一层是通 过两个带条，即56a和56b而被施加上去的。如图4A清晰地显示，第一带条中的单个绳 股之间并未互相接触，所以不会为第一带条中的每个绳股确定绳股位置。图6展示了本 发明的一个解决方法。在该方法中，所述心轴50的一个表面60上形成多个凹槽62，所 述凹槽62分别根据第一和第二带条56a，56b的绳股的理想间隔而互相隔开。利用这些 凹槽62，第一带条56a的元件或绳股可根据任何顺序施加到缠绕心轴50上，且所述第一 层的绳股间隔可始终被控制。所属第二层的绳股，即带条56c和带条56d的所有绳股， 随后根据第一层中绳股之间的间隙位置就可被放置。此后，所有的后续层都按照已建立 的式样排列。在心轴50的表面60上使用大量凹槽62的方法减少了线状物/纤维阵列设计的 限制性。如图4A-E所示，通过将元件按照一定顺序施加到所述心轴50上，能够可靠地构成由尺寸不相类似的绳股形成的阵列，其位置控制情况如图6所示。这些例子显示的 是阵列中每有一个纤维就有两个线状物的情况，其中所述线状物3具有比纤维4更小的直 径，并且所有线状物/纤维绳股互相接触，就如同它们被同时施加到所述心轴上。这种 按照一定顺序施加的方案避免了现有技术中当同时施加不同直径的元件或绳股时，如图 3A-C所示的固有堆叠不稳定性。图7A-E展示了图4所示互相接触的元件中固有的堆叠和不稳定性问题，其中 图4中线状物3具有比纤维4更大的直径，S卩，在一个元件比例为2 1的阵列中，所述 “2”具有比“1”更大的直径。特别地，如图7D和7E所示，当仅仅完成几层后，由 于巢位争夺，排列顺序就错乱了。实际上，这种混乱难以借助时针顺序得以减轻。根据 本发明，由于第一层中的元件间隔可以不受元件直径的影响而自 由独立地设置，因此设 计者可以通过消除所述“2”必须小于“1”的限制来控制阵列的几何形状以适应设计和 放宽元件放置位置的范围。图8A-E展示了通过控制第一层中绳股之间的距离来构建的可靠阵列，其中所述 绳股之间的间距通过带有凹槽的心轴50实现。绳股中线状物3具有比纤维4更大的直 径。特别地，如图8B所示，第一层中的一种绳股相互接触，这可以通过使用如图6所示 的带有凹槽的心轴50实现。对于图8C-E所示的后续层而言，由于第一层(如图8B)内 的间隔适当，因此这些后续层具有确定的巢位。所述心轴50上的凹槽可通过多种廉价且有效的方法提供。图6显示了心轴50 上机械加工形成的凹槽62。这种方法成本相对较低。图9显示了在心轴上建立所需线状 物或纤维间距的另一种有效方法。在这种方法中，间隔线状物(spacing wire) 10作为第一 层而被缠绕到所述心轴50上。在这种方法中，通过选择直径与所需元件间隔相同的线状 物，并以相互接触的方式缠绕这些线状物，从而也可以形成所需要的凹槽样式，其成本 较低且不须再进行机械加工。上述描述涉及到线状物/纤维阵列组件的方法和结构，所述线状物/纤维阵列组 件在制造如涡轮发动机转子(rotor)或涡轮轴(shaft)中所需的环形增强复合环状物或复合 杆时特别有用。但是，所述缠绕操作只产生一种“未成熟(green)”的线状物/纤维阵 列，该阵列必须经过进一步加工才能作为成品环状物组件使用。一般地，如下文将要描 述的情况，所述后续加工步骤包括将所述线状物/纤维阵列封装在一个合适的硬件组 件中，将所得组件抽空，以排除气体和潜在的污染物，密封所述组件以维持其内部空洞 空间(internal voidspace)的真空度，进行固化操作以消除所有空洞空间并加工成最终想要 的尺寸。优选的硬件组件包括用于线状物/纤维阵列组合的心轴50，用于在固化步骤中 及在加工之后的最终产品上形成金属包层(metal cladding)的步骤中将空洞从组合中挤掉 的压盘。图10展示了一种典型的、特别适用于制造例如涡轮发动机转子等的硬件装置。如图10和11所示，首先通过心轴50与边环100a，100B的结合而制成一种缠绕 子部件(winding sub-assembly)。然后，所述子部件被装载到绕线机中，并以图5所示的 方式形成一个线状物/纤维阵列110。此后，所述线状物/纤维阵列110借助粘结配件而 被临时地固定到其缠绕物(roll-up)的首尾端，以利于装配。如图11所示，为达到永久 固定的目的，将钛质包装丝(overwrap of Titanium) 115缠绕进所述子部件的空穴120内，并通过例如此处提供的凹槽125而附着到每个边环上。所述钛质包装丝115优选地通过 机械连接的方式而被缠绕，例如穿引到一个边环如IOOa上的狭缝内，在张紧的状态下缠 绕所述缠绕物以形成一个接触层(touching layer)，并且以相同的方式与另一个边环，如 IOOb机械地固定。在这种方法中，利用拉伸锁紧层(tensioned clamping layer)来在整个 工序中固定所述线状物和纤维元件或绳股3，4。提供所述拉伸锁紧层是适当的，因为在 后续的气体排出操作中，粘合组件辅助设备(adhesive assembly aid)将被移走。如果不提 供机械固定，那么所述线状物和纤维绳股将可自由移动，从而无法对所述阵列的几何形 状进行控制。通过在被包覆的缠绕子部件上滑动地加载一个闭合环130来完善所述硬件组 件。随后，所述完整的硬件组件优选地被封装在一个钛片金属容器140中。所述容器 140提供一种为后续气体排出和固化操作而建立真空密闭容器的方法。图12展示了上述 封装后的完整组件。图12所示部件的几个特征对于部件的成功操作需引起注意。例如，人们希望 所述多孔线状物/纤维阵列110的固化方向与所述环的转轴平行。如果所述边环100a、 IOOb在固化过程中可以自由地朝对方运动，从而使所述空洞通过轴向长度的缩减而被除 去，进而使所述纤维和线状物的径向位置相对地保持不变。虽然可以将闭合环130直接焊接到所述边环100a，IOOb上，以形成一个真空密 闭容器，但所述边环100a，IOOb将不能朝对方运动，从而无法实现在所需方向上所需空 洞含量的改变。根据本发明，通过避免所述边环100a，IOOb与所述缠绕心轴50或所述 闭合环130的永久性连接而维持边环100a，IOOb的可移动性。这可以通过以下方式实 现即闭合环130与所述被包裹的子部件的滑动配合，此后将所述组件封装在借助在焊 缝处焊接形成的钛片金属140内。此外，如图10和11的区域A所示，所述边环100a， IOOb和心轴50具有一种特别的界面结构。理想地，在区域A内，所述边环100a，IOOb 和心轴50之间存在与边环100a，IOOb和闭合环130之间类似的滑动配合。但是，在此处 所述滑动配合是不可接受的，因为所述边环100a，IOOb确立了阵列110的缠绕式样的边 缘，因此，所述边环100a，IOOb最好可以准确地被定位，并固定在所述心轴50上。通 过使所述边环100a，IOOb对应安置于侧翼150处，以确立所述阵列110的首列和尾列， 从而实现所述边环的准确定位。另外，所述边环100a，IOOb优选地具有足够的厚度，以 便在构建所述阵列时能够维持一定的平面度。但是，使用厚边板(thick side plate)会出现 问题，因为这样的边板难以实现在固化过程中的移动，特别是在面对所述侧翼150时。为克服此问题，例如，如图10所示，所述边环上形成让位切口(relief cut) 155， 以允许所述心轴50准确地肩负边环100a，100b，而且通过将必须压缩的边环100a，IOOb 材料用量最小化来实现边环100a，IOOb在固化过程中的移动。在固化温度，所述钛金属 容器140的强度大幅下降，所述让位切口 155轻易地叠合以适应固化所述阵列110时边环 移动的需要。另外，需注意的是，所述边板100a，IOOb和心轴50之间的接触面，以及边板 100a, IOOb与闭合环130之间的接触面彼此都不是安全地焊接在一起的。更确切地， 所述边板100a，IOOb优选地只是在线状物/纤维缠绕进行之前与所述心轴50点焊(tack welded)起来。同样，这些接触面优选地并未互相焊接形成真空密封容器。作为一种替代，所述真空密闭容器优选地通过前述方法，即在由其焊缝处焊接形成的钛片金属袋140 中封装所述硬件组件来实现。因此，所述边板100a，IOOb具有相对较小的滑动阻力。当 所述硬件装置由例如很难焊接的高性能钛合金组成时，仅仅依靠金属袋140来形成真空 密闭容器也是有用的。此外，如图12所示，根据本发明，为增强固化过程中所述边板的轴向滑动，所 述边板100a，IOOb的一部分135突出于所述心轴50和闭合环130之外，这样在固化过程 中，封装袋140首先推动所述边环100a，IOOb0因此，所述边环100a，IOOb沿所需轴向 的运动得到了增强。仍参考附图12，在所述金属袋140被密封后，所述组件被脱气和固化，以形成 一个增强型产品毛坯(reinforced component blank)。特别地，为实现该工序，所述金属
袋140上优选地安装排气导管200，并且通过烘烤(bake-out)工序使粘合剂和吸收的污 染物从导管200排出。在一个优选实施例中，一个安装上去的导管200内形成真空，另 一个导管内则用流动性相对较低的氩气净化。所述组件根据预定的加热模式被加热到约 850 T,并维持此温度不变，直到所需挥发物(volatiles)被彻底地移除。随后所述组件转 变到室温条件，并且所述排气导管被阻塞，以使所述组件的内部密封成为真空。所述导 管200优选地随后被阻塞并从所述金属袋140上切断。所述已脱气的组件优选地随后通过热等静压(heat isostatic pressing, HIP)操作而 被固化，以便处消除空洞。所述组件被加热到约1650下，并施加约15000psi的压力使 所有空洞闭合。图13展示了完成的增强型毛坯(completed reinforced blank)的一个部件 210。随后运用标准机械加工技术，机械加工所述增强型毛坯(reinforcedblank)，使其 成为最终想要的产品形状。如图14所示，一个理想化的涡轮发动机转子220可从部件 210机械加工而获得。以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实 施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
1.一种用于制造线状物/纤维阵列的硬件装置，包括 具有缠绕表面的缠绕心轴；从所述缠绕表面径向地向外延伸的一对边环；及与所述边环的至少一部分接触的闭合环，该闭合环将一个由缠绕表面、边环内表面 和闭合环的内表面界定的组合空间封闭起来。
2.如权利要求1所述的硬件装置，其特征在于，至少一个所述边环包含一个让位切
3.如权利要求1所述的硬件装置，其特征在于，所述缠绕表面包括与至少一个所述边 环邻接的侧翼。
4.如权利要求1所述的硬件装置，其特征在于，至少一个所述边环包括凹槽。
5.如权利要求4所述的硬件装置，其特征在于，所述凹槽容纳包装线状物的末端部分。
6.如权利要求1所述的硬件装置，其特征在于，所述闭合环与包装线状物接触，所述 包装线状物包围处于所述组合空间内的线状物/纤维组件。
7.如权利要求1所述的硬件装置，其特征在于进一步包括气密性地封闭所述硬件装置 的封装设备。
8.如权利要求7所述的硬件装置，其特征在于，所述封装设备包括金属袋。
9.如权利要求8所述的硬件装置，其特征在于，所述金属含有钛元素。
10.如权利要求7所述的硬件装置，其特征在于进一步包括至少一个排气导管。
11.一种加工未成熟线状物/纤维阵列的方法，包括如下步骤在缠绕心轴上缠绕一组绳股，所述绳股通过缠绕心轴上的边环被限制在所述缠绕心 轴上；使用包装线状物包裹所述一组绳股；及用闭合环将所述绳股和包装线状物封闭在由缠绕心轴、边环内表面和闭合环的内表 面界定的组合区域空间内，其中，所述缠绕心轴、边环和闭合环构成了一个硬件装置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述包装线状物含有钛元素。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于进一步包括将所述硬件装置封装在气密容 器内的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述气密容器包含钛元素。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括抽空所述气密容器的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于进一步包括通过一个导管向所述气密容器 中充入惰性气体的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述惰性气体含有氩气。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于进一步包括通过在所述抽空步骤之后密封 所述容器来维持所述容器内真空度的步骤。
19.如权利要求11所述的方法，其特征在于进一步包括固化所述绳股的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述固化步骤包括将所述绳股加热到 1650 步骤。
21.如权利要求19的方法，其特征在于，所述固化步骤包括施加不超过15000psi的压 力的步骤。
22.—种线状物缠绕装置，包括缠绕心轴；一组导辊，所述每个导辊设置在所述缠绕心轴的圆周上的预定位置；及一组带条，所述每个带条被所述一组导辊中的一个导辊所引导，且所述每个带条包 含一组绳股；其中，当所述缠绕心轴旋转时，所述每个带条以连续的、一个在另一个之上的方式设置在 缠绕心轴上，并且所述缠绕心轴的一个缠绕表面上具有一组凹槽，缠绕在所述心轴上的第一层中的每 个绳股都有一个明确的巢位，所述每个绳股依照预定的距离与另一个绳股互相隔开，或 者所述缠绕心轴包括紧邻心轴的一个缠绕表面的间隔线状物，缠绕在所述心轴上的第 一层中的每个绳股都具有一个明确的巢位，所述每个绳股依照预定的距离与另一个绳股 互相隔开。
全文摘要
本发明提供一种用于制造线状物/纤维阵列的硬件装置及方法，其中所述硬件装置包括具有缠绕表面的缠绕心轴；从所述缠绕表面径向地向外延伸的一对边环；及与所述边环的至少一部分接触的闭合环，该闭合环将一个由缠绕表面、边环内表面和闭合环的内表面界定的组合空间封闭起来。利用该硬件装置可以生产出空洞含量为12％、纤维含量为0-70％，最好为30-45％的线状物/纤维环状物。
文档编号B22F3/00GK102009174SQ20101027095
公开日2011年4月13日 申请日期2005年7月19日 优先权日2004年7月29日
发明者史蒂芬·斯皮尔, 威廉·哈努斯克, 杰弗瑞·帕讷尔, 查理斯·罗文, 莉莎·哈努斯克 申请人:赛夸公司