专利名称：纤维增强的Al-Li压缩机翼型件及制造方法
技术领域：
本发明大体涉及金属基质复合物物品，并且更具体而言，涉及利用在铝锂的金属基质中的编织物丝束的压缩机翼型件。
背景技术：
制造技术和材料的改进对于许多物品而言是提高性能和降低成本的关键。作为一个实例，工艺和材料的继续和常常相互关联的改进导致燃气轮机发动机的性能有较大的提高。燃气轮机发动机用轴向流压缩机吸进空气且压缩空气，使压缩空气与燃料混合，燃烧混合物，并且通过轴向流涡轮而排出燃烧产物，轴向流涡轮对压缩机提供动力。压缩机包括具有从盘的周缘凸出的叶片的盘。盘作为转子的一部分而迅速地转动，并且弯曲的叶片以稍微与电扇相同的方式吸进空气且压缩空气。由于使燃气轮机以高的速度旋转需要能量，所以减轻燃气轮机的重量的任何努力都将改进燃气轮机的效率。更重要的是，减轻旋转构件的重量会减小构件的应力，并且增强燃气轮机的可靠性。其中可减轻重量的区域中的一个是压缩机。诸如压缩机翼型件(包括压缩机叶片和压缩机导叶两者)的压缩机构件由较重的钢基和铁基合金部件制成。已经努力通过生产空心翼型件来减轻这些钢基和铁基合金部件的重量。但是，这些翼型件仍然提供了减轻重量的机会。减轻压缩机翼型件构件的重量的其它尝试包括金属基质复合物构件(MMC)和聚合物复合物叶片两者。利用了纤维复合物叶片，例如美国专利No. 5，375，978中描述的风扇叶片，其被修改成包括诸如美国专利No. 5，785，498中阐述的金属保护带，这也有助于为风扇叶片提供腐蚀保护，以及协助在被异物冲击的情况下防止剥离，以最大程度地减小异物损害(FOD)。这两个专利均转让给了本发明的受让人。这样的叶片在重量上是轻的，但是制造起来非常昂贵，具有高的废品率。此外，这些叶片适于用于其中风扇以比压缩机叶片低得多的速度旋转的风扇应用中。因而压缩机叶片比风扇叶片经受显著更高的应力。已经使用以传统的方式叠置且覆盖有钛销(sheath)或包覆有其它材料的织物来制造使用MMC的压缩机叶片。这些叶片也被证明制造起来昂贵，以及缺乏基于地面的燃气轮机运行所需的强度。其它尝试包括了具有用金属基质复合材料增强的外表面的金属梁， 暴露于大气的表面是金属。虽然这些MMC叶片被证明具有较大的强度，但是重量减轻不如具有纤维增强的芯体的叶片那样好。需要的是一种提供重量减轻又可具有足够的耐用性和强度以用于基于地面的涡轮运行的压缩机翼型件。除了重量轻之外，该翼型件还应当理想地可协调，以进行共振频率控制。该翼型件还应当制造起来容易和成本低，而具有高产量。
发明内容
一种复合物轻质物品包括嵌在轻质金属中的近表面编织物。该物品可为翼型件。 编织物由多个捻合纤维丝束形成，该多个捻合纤维丝束沿一定方向编织和定向，使得该多个丝束中的各个相对于物品的主方向成角度地延伸。主方向可为任何方向，但通常是最大应力施加的方向。主方向沿最大应力施加的方向从第一端延伸向第二端，并且该多个纤维丝相对于主方向成角度地延伸。该物品进一步包括铝锂合金的芯体。铝-锂合金穿透编织物的间隙和该多个捻合纤维丝束，以形成铝锂合金的外表面。铝-锂合金通过织物的间隙和该多个捻合纤维丝束而从芯体到外表面基本连续。根据结合附图得到的优选实施例的以下更详细的描述，本发明的其它特征和优点将是显而易见的，附图以实例的方式示出了本发明的原理。
图I是本发明的压缩机叶片的透视图。图2是本发明的压缩机叶片的截面图。图3描绘了相对于叶片的轴线成角度地交织的本发明的织物的结构，并且包括基本沿叶片的径向方向和基本平行于轴线而提供的填充物丝束。图4是大体形成为类似袜套的形状的图3的交织织物的透视图。图5描绘了在用挥发性聚合物粘合剂浸溃交织纤维使得类似袜套的形状具有翼型件的轮廓之后的编织纤维预成形件。图6描绘了将编织纤维预成形件置于型芯上面，以浸入聚合物浆料中而形成翼型轮廓。图7描绘了利用受压力的精密模具来制造本发明的金属基质复合物叶片的方法。图8描绘了用于通过加压浇铸来制造本发明的金属基质复合物叶片的设备。
具体实施例方式本文描述了包括嵌在轻质金属中的编织物的金属基质复合物轻质压缩机翼型件。 该翼型件可为叶片或导叶，但是翼型件优选为压缩机叶片，因为附连到与发动机一起旋转的燃气轮机发动机中的盘上的压缩机叶片会经历较高水平的应力，而压缩机导叶固定就位，并且使被翼型件叶片移动的空气改道向燃烧器，但不经历这么高水平的应力。然而，本发明的金属基质复合物可用作导叶，因为它可提供可接受的强度，同时降低发动机中的重量，这进一步改进了效率。将编织物制造成沿径向方向对金属基质复合物翼型件提供另外的强度，在径向方向上，特别是旋转的压缩机叶片会经历高应力。针对贯穿本公开而使用的用语来阐述了某些定义。如本文所用，伴随的杂质意味着在合金中的另外的和不同的元素，其存在的量未到影响合金的性质和特性。丝束是布置成没有确切捻度的形式的连续的细丝束。捻度指细丝的每单位长度围绕轴线的螺旋圈数。 以圈数每英寸来表达捻度。细丝是单个连续的纤维，并且是纤维材料的最小单元或基本单元。用语纤维与细丝可互换地使用。织物是由编织纤维、细丝、单细丝或丝束制成的材料。 氧化物陶瓷纤维包括硅-氧化铝和氧化铝纤维。非氧化物陶瓷纤维包括碳化硅纤维。碳纤维以碳的有序平面结构为基础。芳族聚酰胺纤维是晶态聚合物纤维。氧化物玻璃纤维来源于氧化物的混合物硅石，或者石英纤维来自单种氧化物。纱是用以形成连续的长度的捻合丝束的组合。编织物或织物是通过使纱、丝束和/或细丝交织而形成织物型式所形成的材料。叶片的径向长度从叶片尖部延伸到鸠尾榫，因为叶片从盘凸出。翼展是不包括鸠尾榫的翼型件或叶片的翼型部分。叶片的轴线是沿径向方向通过翼展的中心而从叶片尖部延伸到叶片鸠尾榫的线。捻回角是围绕叶片或翼型件的径向轴线的捻量。弦宽是叶片的宽度。 翼型表面是从为从前缘上的点到后缘的最短距离的弦偏移的表面。压缩机叶片具有位于其远离盘的端部处的尖部。叶片具有翼型区段，翼型区段具有吸力侧和压力侧。压力侧比叶片翼型区段的吸力侧经历更高的应力。叶片在与其尖部相对的端部处附连到盘上。尽管可使用用于将叶片附连到盘上的其它布置，但是典型的是使用鸠尾榫来将叶片附连到盘上。交织织物包括由多个捻合纤维丝束形成的纱。纤维丝束沿一定方向编织和定向。叶片从盘沿径向向外延伸，盘是转子的一部分。叶片的轴线沿一般所称的径向方向沿着叶片的翼展从叶片与盘的附连部(通常是叶片鸠尾榫)延伸到叶片尖部。导叶在发动机中具有与叶片类似的定向，在压缩机中基本垂直于空气流和类似地定向的轴线的方向而延伸。不像叶片，导叶是基本固定的，但是在一些情形中，导叶可具有绕着其轴线有限地旋转的能力，以便更加高效地引导空气流通过压缩机。通过编织纤维丝束来使纤维丝束形成为编织物。织物在编织纤维丝束和可存在于多个捻合纤维丝束中的任何空间之间具有间隙。织物定位在翼型件内，使得形成织物的编织纤维丝束相对于芯体的轴线成角度地延伸，同时沿径向方向从翼型件的一端延伸到另一端。在叶片的情况下，纱中的编织丝束从尖部至少部分地延伸到叶片的鸠尾榫中。诸如铝锂合金的轻质金属合金形成翼型件的芯体，并且填充织物中的间隙。理想地，金属合金形成翼型件的最外部表面，使得轻质金属合金沿着翼型件横截面从翼型件芯体到其外表面且沿着翼型件的径向方向是连续的基质。通过借助于捻合细丝或纤维而形成多个纤维丝束来制造翼型件。然后将丝束编织成织物。织物由丝束或纱编织而成，使得其在丝束之间包括间隙。可用临时占据织物的间隙的可选的挥发性聚合物浸溃织物，以帮助处理预成形的编织物，但是随后会移除该挥发性聚合物。然后可通过两种单独的方法中的一种来使翼型件形成为金属基质复合物(MMC)。在第一种方法中，对基于编织丝束的预成形件进行编织，并且使其处于干的(未硬化)状态。将干的预成形件置于型芯上面。然后将铝锂箔置于干的预成形件和型芯之间， 将另外的铝锂箔置于干的编织预成形件上面，以形成包括箔、干的预成形件和箔的夹层。然后将这个组件插入具有翼型轮廓的经精密加工的内凹工具中，并且随后对这个组件进行热压，以产生纤维增强的金属基质预成形件。在真空或非氧化气氛中进行热压工艺。这可在加热炉中完成。当在加热炉中进行时，在加热之前，抽真空或将非氧化气氛引进加热炉中，以吹扫包含干的预成形件的工具。 在热压工艺期间，可通过真空泵送来抽出保护气氛和其它流出气体。使用非氧化气氛对防止或者纤维/细丝、金属合金或者两者的氧化是特别有益的。将包括金属合金和编织纤维的预成形件加热到高于金属合金的熔点预定温度，同时对工具施加压力。熔融Al-Li合金渗透织物的间隙，通过织物且抵靠工具的面，使得Al-Li合金和编织碳纤维形成具有工具的外表面的轮廓的金属基质预成形件，工具具有翼型件的形状。在冷却之后，可从加热炉中移除包含翼型件的工具。由于工具是近净形状，所以预成形件仅需要较小的操作，例如移除可存在的任何毛刺。金属基质预成形件准备好进行铸模浇铸工艺，以产生具有一体式翼型件附连部的一体式芯体，铸模浇铸工艺包括下面描述的加压铸模浇铸。在生产碳纤维预成形件的第二种方法中，将基于编织丝束的预成形件置于型芯上面，并且置于呈翼型件的形状的精密工具中。可将挥发性聚合物粘合剂浸溃到编织纤维中， 以使编织碳纤维硬化。经浸溃的纤维在环境温度处或环境温度附近固化。将编织纤维预成形件布置成抵靠工具的面，并且定向成使得丝束与翼型件或叶片的轴线形成角，丝束沿着翼型区段从翼型件的第一端(当翼型件是叶片时，翼型件的尖部)延伸向翼型件的第二端 (当翼型件是叶片时，鸠尾榫)且至少部分地延伸到翼型件的第二端中。在编织纤维布置成抵靠着工具时，施用挥发性聚合物粘合剂。在固化之后，预成形件仅需要较小的修整即可准备好进行铸模浇铸工艺。在类似于真空加热炉的受保护封罩中进行铸模浇铸工艺。在加热之前，将非氧化气氛引进加热炉中，以吹扫具有预成形件的铸模。在浇铸工艺期间，通过真空泵从封罩中抽出保护气氛和其它流出气体。使用非氧化气氛对于防止或者纤维/细丝、金属合金或者两者的氧化是特别有益的。将铝-锂合金加热到高于合金的熔点预定温度。然后以预定速度和压力使用活塞来将熔融金属加压浇铸到铸模中。以足以迫使熔融金属进入铸模中但又没有高到导致预成形件改变其位置的程度的第一压力来注入金属。在铸模基本充满熔融金属之后，对铸模中的熔融金属施加比第一压力高的第二压力。这个较高的压力确保熔融金属流入预成形件的间隙中且流过间隙，从而允许金属在预成形件和铸模表面之间流动。同时， 如果使用可选的挥发性聚合物粘合剂来改进织物和预成形件的处理，则挥发性聚合物粘合剂流入铸模的浇口或立管中，其中可在后续工艺期间移除挥发性聚合物粘合剂。在冷却之后，可从非氧化气氛中移除包含近净形状翼型件的铸模。由于铸模是近净形状的，所以翼型件仅需要较小的操作。但是，必须移除浇口或立管材料，以及可由于加压浇铸工艺而存在的任何毛刺。图I描绘了本发明的一体化混合叶片10。叶片10具有叶片尖部12、将叶片10附连到压缩机盘(未显示)上的叶片鸠尾榫14以及沿基本径向方向延伸的叶片轴线16。图2是混合叶片的横截面侧视图，其示出了位于叶片的金属合金芯体20和金属合金外表面24之间的近表面编织物22。形成叶片10的芯体20和外表面24的金属合金从芯体到外表面是基本连续的，因为延伸通过织物中的间隙。近表面编织物对合金提供了另外的强度，该合金是降低叶片的总重量的轻质合金。编织物定位成在高应力的位置处对轻质合金增加强度。在旋转的压缩机叶片中，高应力的区域将基于叶片设计而有所变化，但是将大体出现在叶片10的压力侧上，并且延伸到鸠尾榫区中，其中叶片10通过鸠尾榫14保持在压缩机盘中。叶片10由于旋转的离心力和空气动力负荷的原因而经历应力，并且鸠尾榫14通过抵靠着压缩机盘而相互作用来对抗这些力。虽然合金可为任何轻质合金，但是优选的轻质合金是铝锂合金，其以重量百分比计包含大约2. 5% -3. 5%的锂(Li)、大约 O. 6%-2. 5% 铜(Cu)、大约 O. 3%-1.0% 的镁(Mg)、大约 O. I %-O. 5% 的锆(Ze)、高达大约 O. 08%的铁(Fe)、高达大约O. 01%的硅(Si)、高达大约O. 03%的钛(Ti)，其余是铝(Al)和伴随的杂质。这个铝锂合金的密度为大约O. 100磅/立方英寸。现在参照图3和4，描绘了编织物30的构造。各个丝束32包括布置成纤维束的一个或多个纤维。然后将丝束32捻合和交织在一起，以形成交织的编织纤维丝束或编织物 30。编织物的编织丝束相对于翼型件或叶片10的轴线16成角度地延伸。已经发现，当编织物的编织丝束与翼型件的轴线形成大约±10°至大约±25°的角时，编织物30在增强叶片方面最有效。如之前提到的那样，轴线16沿径向方向从叶片或翼型件鸠尾榫14延伸到叶片尖部12。图4是相对于轴线16成角度地延伸的编织物30的透视图。这个透视图提供了类似袜套品质的编织物30。在编织物30中在纤维丝束之间存在缺乏材料的间隙区域。织物可由碳纤维、陶瓷纤维、或者氧化物陶瓷纤维或者非氧化物陶瓷纤维、尼龙纤维、芳族聚酰胺纤维和它们的组合构成。纤维可为高强度和高硬度的，但是可与低强度的纤维混合，以在需要的时候对丝束提供损害耐受性。虽然可使用同样大小的纤维或细丝，但是也预想到用不同直径的纤维来形成丝束，并且可使用不同直径的丝束来形成编织物。碳纤维是优选纤维。可容易获得不同强度和不同模数的碳纤维。形成为预成形件的编织物的密度为大约O. 58磅/立方英寸-O. 6磅/立方英寸。当翼型件需要另外的强度时，可对交织织物30添加可选的填充物丝束34。在图3 和4两者中描绘了这些填充物丝束。填充物丝束34沿基本平行于轴线16的方向的方向延伸，或者基本沿翼型件10的径向方向延伸。也可通过穿过间隙区域或以别的方式附连到交织织物30的内部或外部上来将填充物丝束布置或编织到编织物中。对预计其中有高的应力集中的那些区域添加填充物丝束34。填充物丝束34设计成使得一些应力将由丝束中的纤维承载，而非仅由包括交织织物和轻质合金的金属基质复合物承受。通过使用例如层叠理论和有限元分析，填充物丝束34的数量和填充物丝束34的间隔将取决于局部设计状况而所有变化。填充物丝束将改进它们添加到其中的那些区域中的载荷承载能力。如之前提到的那样，翼型件的压力侧可经历最高应力。另外，翼型件的前缘和后缘也可经历高应力。 虽然通过分析各个叶片设计中的应力状况来确定填充物丝束的确切布置，但是翼型件的压力侧和前缘与后缘是其中最有可能布置填充物丝束34的叶片的区。当添加到编织物时，填充物丝束按重量计可构成高达编织物的大约15%。填充物丝束可由碳纤维、氧化物陶瓷纤维、非氧化物陶瓷纤维和它们的组合构成。例如，在具有大约8" -10"的宽度的典型的叶片上，填充物丝束可定位成在叶片的压力侧上隔开大约一英寸，并且可构成高达弦的大约 10%。可在叶片的吸力侧上包括一种或两种填充物丝束。填充物丝束理想地是低模数(例如大约24百万磅每平方英寸(Msi))和高强度的。具有大约24Msi的模数的优选填充物丝束可具有大约300000磅每平方英寸-700000磅每平方英寸(300ksi_700ksi)的抗拉强度。 填充物丝束可为高强度碳纤维丝束、陶瓷纤维丝束或单细丝硼纤维丝束。作为一个备选方案，可在单元化编织物中采用结合了沿径向定向的丝束和以土角度定向的丝束的三轴编织物，并且三轴编织物可包括下面论述的填充物丝束或软化带。可使用可选的软化带来补充或代替填充物丝束34。软化带还沿基本平行于轴线 16的方向的方向定向，或者基本沿翼型件10的径向方向定向。软化带对叶片提供损害耐受性。软化带的特征还在于低模数和高强度，但是软化带大体比填充物丝束具有更低的模数。 例如，软化带可具有大约10Msi-15Msi的模数。软化带协助拦阻裂纹，从而阻止传播。软化带可为高强度碳纤维、纤维玻璃纤维、尼龙纤维、芳族聚酰胺纤维和它们的组合的丝束。优选的是将软化带置于低应力的区域中。可以与填充物丝束34或三轴编织物中的径向丝束相同的方式将软化带添加到编织物30中。例如，在其中翼型件经历振动问题的应用中，软化带是非常有用的，因为允许翼型件进行协调。软化带按重量计可构成高达编织物的另外大约5%。翼型件可有利地利用填充物丝束34和软化带两者。软化带可位于填充物丝束附近的区域中。由于填充物丝束34位于其中应力高的区域中，所以这些区域可经历这样的状况其可导致有过应力状况，从而导致填充物丝束断裂，这还可造成局部裂纹。软化带的策略性位置提供裂纹拦阻能力来阻止裂纹的传播。在叶片10或翼型件的制造期间，可能难以处理丝束和编织成织物(例如编织物 30)的丝束，并且可能难以精确地定位这些丝束。可通过用例如图5中显示的编织物30制造预成形件40来帮助进行处理。现在参看图6，呈袜套的形式的编织物30适配在型芯42 上面或者在型芯42上面展开。型芯42形成为使得一旦编织物适配在其上或者在其上展开， 就成压缩机叶片的近净形状。在这个语境中，近净形状意味着定位在型芯42上面的编织物 30具有略微比成品叶片或翼型件10的轮廓小例如大约O. 005"至大约O. 025"的轮廓，使得编织物将不会形成叶片10或翼型件的外表面24。在将编织物定位在型芯42上面之后， 将其浸在聚合物浆料中。在允许聚合物浆料填充编织物30的间隙之后，从浆料中移除型芯 42，并且使聚合物固化，从而形成预成形件40。选择聚合物，使得其将在空气中或在低温处固化。在固化之后，则可从硬化的预成形件中移除型芯42。在这个形式中，织物较易于处理。预成形件40现在可为形成叶片提供基础。备选地，编织物30可浸在聚合物浆料中，用聚合物浸溃，并且被移除。在这个实施例中，允许聚合物浆料干掉但不固化。编织物保持有黏性和柔韧，使其可较易于处理，但又不硬化。现在可使用编织物30来形成压缩机叶片。在后续处理期间，有黏性的预成形件可有利地粘到表面上。在类似于在上面和在图6中描述的实施例的另一个实施例中，诸如型芯42的型芯与精密工具60结合起来使用，以形成用铝-锂合金来硬化的预成形件。呈袜套的形式的编织物适配在型芯上面或者在其上面展开。但是，现在将金属箔(在优选实施例中，铝-锂合金箔)的薄箔置于型芯和编织物之间。可在将编织物适配到型芯上之前或之后完成这一点。现在参看图7，提供了精密的内凹工具60。将金属箔(在优选实施例中，优选铝-锂合金箔)置于精密的内凹工具60和包括编织物30的型芯62中，并且将箔置于工具60中。在插入内凹工具60中时，编织物夹在金属箔(在优选实施例中，优选铝-锂合金箔)之间。现在可关闭工具且将工具置于非氧化气氛中。非氧化气氛可为真空或惰性气体，例如氩气、氦气或氖气或氮气气氛。由于必须加热工具，所以可在加热炉中便利地完成这一点，但是可使用任何其它组件，因为可使用电阻加热器、感应线圈、石英照明或任何其它方便的加热方法来加热工具。在保持非氧化气氛的同时，将工具加热到升高的温度，同时对工具施加压力。 温度充分地升高，以使箔流动，以及结合箔-织物-箔夹层，以允许金属(在优选实施例中， 优选铝-锂合金)渗透到编织物的间隙及其丝束中。对于优选的铝锂合金，这个温度在大约1200° F-1300° F(649° -705° )的范围中。优选地，加热炉的温度升高到金属合金的熔点以上大约45° F-90° F(25°C-50°C )，以确保熔融合金完全熔化和流到间隙中。允许工具60冷却，从而形成金属/织物预成形件。然后可从型芯62中移除预成形件。然后通过加压浇铸来制造轻质MMC压缩机叶片。在图8中描绘了这个工艺。在这个工艺中，提供精密铸模70。精密铸模70具有腔体72，腔体72的壁74形成叶片10或翼型件的净形状。将编织物30置于精密铸模70中抵靠着铸模70的壁74。编织物30可包括或可不包括填充物丝束34或软化带，这取决于之前论述的叶片设计。优选的是用挥发性聚合物粘合剂浸溃编织物30，以帮助进行处理，以及将织物粘附到铸模70的壁74上，但是利用未浸溃的织物30是可行的。最优选地，将上面描述的且使用或者挥发性聚合物或者金属
1合金(在优选实施例中，铝-锂合金)来硬化的硬化预成形件40插入精密铸模中，因为硬化预成形件40在后续的浇铸操作期间有利地提供对抗运动的良好抵抗力。然后关闭精密铸模70，并且将其固定在锻模枕76中，锻模枕76将精密铸模70的半部固定在一起，并且防止精密铸模70在后续的操作期间有任何运动。具有与铸模腔体72 连通的第一端80和在锻模枕78的外部的第二端82的流道78从精密铸模70延伸且通过锻模枕76。在流道78的第二端82的附近的是活塞86，活塞86在流道78内在第二端82和第一端80之间可滑动地运动。诸如浇杯的用于浇灌的入口 84在流道上位于第一端80和第二端82之间。将铸模70置于非氧化气氛中。如之前论述的那样，非氧化气氛可为真空、惰性气体气氛或氮气气氛。然后将精密铸模预加热到在大约800° F-1150° F(427°C _621°C )的范围中的预先选定的第一温度，同时保持非氧化气氛。可通过在加热炉内保持非氧化气氛且使加热炉的温度升高来实现这一点，或者可用诸如感应线圈或电阻线圈的电加热来加热精密铸模。可使用任何其它方便的方法。当活塞86定位在流道78的第二端82处时，将熔融金属合金(例如优选的铝锂合金)浇铸到流道中，直到腔体72和流道78基本被填充到活塞86。对于优选的铝锂合金，合金的熔化温度在大约1200° F-1300° F(649°C_705°C)的范围中，而浇灌温度为在金属合金的熔点以上大约45° F-90° F(250C -50°C )，以提供过热来确保熔融合金完全熔化和流过流道78，进入铸模腔体72中以及进入编织物30的间隙中。在将熔融金属合金引进铸模腔体72中时，如果使用挥发性聚合物来帮助处理编织物30，例如形成其所熔化成的预成形件40。熔融金属合金穿透编织物30的间隙，从而移走聚合物。可存在于铸模腔体72中的液体聚合物和任何气体均移置到出口 88中。浇铸工艺典型地在大约10毫秒-100毫秒的时间里迅速完成。然后活塞86可滑动地运动向流道78的第一端80，从而对铸模腔体中的熔融金属施加第一压力。在活塞运动向流道78的第一端80时，通过活塞推杆速度来调节第一压力。活塞推杆速度优选在大约10米每秒-100米每秒的范围中。这个活塞迫使熔融金属合金进入铸模腔体72的所有区域和任何未填充的空隙区域中，例如编织物30的间隙。 也可迫使少量熔融金属合金进入出口 88中，在出口 88中，熔融金属合金将迅速凝固，因为这样的出口 88小，而且铸模70的壁比金属合金的温度冷得多。接下来，使用活塞86来对铸模腔体72中的熔融金属合金施加另外的压力。压力增大到大约10巴-150巴。施加另外的压力使得熔融金属可被迫进入腔体的还未被填充的任何部分中。该另外的压力还迫使熔融金属通过腔体壁74和交织织物30之间的间隙，使得编织物30移置到略微在叶片10或翼型件的表面的下面的编织物22位置，使得金属合金形成叶片10或翼型件的外表面24。优选地，外表面24上的金属合金的厚度在大约O. 002" 至大约O. 025"的范围中，优选O. 005"至大约O. 025"。在叶片10或翼型件凝固和冷却的同时保持压力和非氧化气氛。加压金属将消除由于凝固而引起的任何空隙或收缩，因为熔融金属合金被迫进入这些收缩区域中。在恰当地设计的铸模或模具中，进料区域(在图 8中是流道78)应当是熔融金属合金在其中凝固的最后区域。应当注意，如果叶片10或翼型件设计需要的话，铸模可还包括浇口(未显示)，以供应熔融金属合金，如本领域中众所周知的那样。在凝固之后，铸模70可冷却，同时保持非氧化气氛。在冷却到氧化不再成问题的温度时，可从加热炉中移除铸模，并且打开铸模。然后可从铸模70中移除翼型件或叶片10， 并且可完成任何清理操作，以移除流道78和毛刺，以提供成品叶片10或翼型件。虽然参照了优选实施例来描述本发明，但是本领域技术人员将理解，可作出各种改变，而且可用等效物代替本发明的元件，而不偏离本发明的范围。另外，可作出许多修改， 以使特定情形或材料适于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意图本发明不限于作为为了执行本发明而构思的最佳模式所公开的特定的实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种复合物轻质物品，包括近表面编织物，其中，所述编织物进一步包括由多个捻合纤维丝束形成的织物，所述多个捻合纤维丝束沿一定方向编织和定向，使得所述多个丝束中的各个相对于彼此且相对于所述物品的主方向成角度地延伸，其中，所述主方向从所述物品的第一端延伸向第二端；铝锂合金制成的芯体；所述铝锂合金制成的外表面；以及其中，所述铝-锂合金穿透所述织物的间隙和所述多个捻合纤维丝束，使得所述铝-锂合金基本是连续的。
2.根据权利要求I所述的复合物轻质物品，其特征在于，所述物品是用于涡轮机的压缩机翼型件。
3.根据权利要求2所述的复合物翼型件，其特征在于，所述多个编织纤维丝束中的各个相对于所述翼型件的轴线以大约±10°至大约±25°的角延伸，所述翼型的所述轴线沿径向方向从所述第一端处的翼型件尖部延伸到所述第二端处的翼型件鸠尾榫。
4.根据权利要求2所述的复合物翼型件，其特征在于，所述复合物翼型件进一步包括包含相对于所述翼型件的所述轴线基本以0°布置和延伸的纤维的丝束，使得所述丝束中的各个基本平行于所述翼型件轴线。
5.根据权利要求4所述的复合物翼型件，其特征在于，以三轴编织型式包括所述丝束。
6.根据权利要求4所述的复合物翼型件，其特征在于，所述丝束是进一步包括具有高强度和低弹性模数的纤维的、形成高达所述织物的体积的大约15 %的填充物丝束。
7.根据权利要求4所述的复合物翼型件，其特征在于，所述丝束是进一步包括具有高弹性模数的纤维的、形成高达所述织物的体积的大约15%的软化带。
8.根据权利要求2所述的复合物翼型件，其特征在于，所述铝锂合金以重量百分比计进一步包含大约2. 5% -3. 5%的Li、大约O. 6% -2. 5%的Cu、大约O. 3% -I. 0%的Mg、大约O.1% -O. 5% ^ Zr、高达大约O. 08%的Fe、高达大约O. 01%的Si、高达大约O. 03%的Ti， 其余是Al和伴随的杂质。
9.根据权利要求2所述的复合物翼型件，其特征在于，所述多个捻合纤维丝束中的各个进一步包括选自由下者组成的组的细丝碳纤维细丝、氧化物陶瓷纤维、尼龙、非氧化物陶瓷纤维和芳族聚酰胺纤维和它们的组合。
10.根据权利要求6所述的复合物翼型件，其特征在于，所述填充物丝束进一步包括选自由下者组成的组的纤维碳纤维、氧化物陶瓷纤维、非氧化物陶瓷纤维和它们的组合。
11.根据权利要求7所述的复合物翼型件，其特征在于，所述软化带进一步包括选自由下者组成的组的纤维碳纤维、纤维玻璃纤维、尼龙纤维、芳族聚酰胺纤维和它们的组合。
12.一种用于制造用于涡轮机的复合物轻质压缩机翼型件的方法，包括以下步骤形成多个捻合纤维丝束；用所述多个捻合纤维丝束形成编织物，所述编织物在所述丝束之间具有间隙；提供呈所述翼型件的形状的内凹工具和型芯，所述工具具有形成呈所述翼型件的形状的腔体的面，并且所述型芯具有所述翼型件的近净形状；将所述编织物夹在铝-锂合金的箔之间，并且将箔和织物的夹层插入所述工具中；将所述型芯插入所述工具中使得箔和织物的所述夹层填充所述腔体，以及关闭所述工具。在保持非氧化气氛的同时，将所述工具加热到高于所述合金的熔点的过热温度，并且对所述工具进行热压，同时保持所述过热温度和压力足够的时间，以使铝锂合金结合和渗透到所述编织物丝束中，从而产生纤维增强的金属基质预成形件；将所述纤维增强的金属基质预成形件置于具有所述翼型件的净形状的铸模中；在保持非氧化气氛的同时，将熔融铝-锂合金加压浇铸到所述铸模中且抵靠所述金属基质预成形件，以形成具有一体式铝-锂合金芯体和铝-锂合金鸠尾榫附连部的金属基质复合物翼型件；以及在冷却之后，从所述铸模中移除所述翼型件。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述金属合金以重量百分比计进一步包含大约2. 5% -3. 5%的Li、大约O. 6-2. 5%的Cu、大约O. 3 % -I. 0%的Mg、大约O.1% -O. 5% ^ Zr、高达大约O. 08%的Fe、高达大约O. 01%的Si、高达大约O. 03%的Ti， 其余是Al和伴随的杂质。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非氧化气氛是真空。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非氧化气氛是选自由惰性气体和氮气所组成的组的气氛。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，热压到过热温度包括加热到高于所述金属合金片材的熔点大约25°C -50°C (45°C -90° F)的温度。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，形成所述编织物的步骤另外包括为所述编织物提供选自由填充物丝束和软化带所组成的组的另外的丝束，所述另外的丝束基本平行于所述翼型件的所述轴线，使得所述另外的丝束相对于所述翼型件大体沿径向方向延伸，从翼型件尖部延伸到所述翼型件的相对侧。
18.一种用于制造用于涡轮机的复合物轻质压缩机翼型件的方法，包括以下步骤形成多个抢合纤维丝束；用所述多个捻合纤维丝束将编织物形成为翼型形状，所述编织物在所述多个捻合纤维丝束之间具有间隙；可选地，用挥发性聚合物粘合剂浸溃所述编织物，以形成预成形件；提供铸模，所述铸模具有形成呈所述翼型件的形状的腔体的铸模面，所述铸模产生近净形状翼型件；将所述编织物插入所述铸模中，形成所述织物的所述丝束相对于所述翼型件的轴线成角度，所述轴线沿径向方向从翼型件尖部延伸到所述翼型件的相对侧；将所述铸模置于非氧化气氛中；将所述铸模预加热到第一温度；在保持所述非氧化气氛的同时，通过使用活塞而施加第一压力来将金属合金加压浇铸到所述铸模中；然后，在所述铸模填充了熔融金属合金之后，使用所述活塞来施加第二压力，以渗透所述预成形件的所述间隙，以及穿透所述预成形件，以及使所述可选的粘合剂挥发，所述第二金属压力大于所述第一金属压力；在保持所述非氧化气氛的同时，冷却所述铸模，以形成所述翼型件，所述翼型件具有外部金属合金表面和金属合金芯体；以及从加热炉中移除所述翼型件。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述金属合金以重量百分比计进一步包含大约2.5% -3. 5%的Li、大约O. 6% -2. 5 %的Cu、大约O. 3 % -1.0%的Mg、大约O.1% -O. 5%的Zr、高达大约O. 08%的Fe、高达大约O. 01%的Si、高达大约O. 03%的Ti， 其余是Al和伴随的杂质。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，另外，将所述编织物形成为所述翼型形状的步骤另外包括对所述编织物添加填充物丝束，所述填充物丝束基本平行于所述翼型件的所述轴线，使得所述填充物丝束相对于所述翼型件尖部大体沿径向方向从翼型件尖部延伸到所述翼型件的相对侧。
全文摘要
本发明涉及纤维增强的Al-Li压缩机翼型件及制造方法。一种金属基质复合物轻质压缩机翼型件。该翼型件包括嵌在轻质铝-锂合金中的编织物。通过借助于捻合细丝或纤维而形成多个纤维丝束来制造翼型件。然后将丝束编织成织物。可用临时占据织物的间隙的可选的挥发性聚合物浸渍织物，以帮助处理预成形的编织物，但是随后会移除挥发性聚合物。然后可通过两种单独的方法中的一种来使翼型件形成为MMC。在第一种方法中，将铝-锂合金加压浇铸到铸模中，铸模包括用挥发性聚合物浸渍的织物的预成形件。在第二种方法中，使用工具和型芯，通过用铝-锂合金浸渍织物来形成预成形件。然后将铝-锂合金加压浇铸到包括合金浸渍的预成形件的铸模中。
文档编号C22C49/06GK102588333SQ201210013638
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者J·陈, R·R·凯罗 申请人:通用电气公司