用于加强复合材料部件和包括具有减少厚度的部分的纤维结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于加强复合材料部件的纤维结构(200)，通过第一多线层(C1-C10)和第二多线层(T1-T10)之间的多层编织将纤维结构编织成单件。纤维结构包括具有减小厚度的部分(204)和在所述部分上具有多个表面连续线撤回部分(210、211、212)，其中每个部分具有中断的来自于位于结构表面上第一多线层的线层以下的第一多线层的线层(C3；C8；C4)的线(FC3；FC8；FC4)，和几个表面不连续的线撤回部分(220、221)，其中每个部分具有中断的来自于位于结构表面上第一多线层的线层(C1；C10)的线(FC1；FC10)。每个中断的线(FC1；FC10)在结构表面上被来自于第一多线层以下线层(C2；C9)的线(FC2；FC9)所替代。位于纤维结构表面上来自于第二多线层(T1-T10)的层的线在具有减小厚度的至少整个部分(204)上是连续的。
【专利说明】用于加强复合材料部件和包括具有减少厚度的部分的纤维结构
【背景技术】
[0001]本发明涉及由复合材料制造部件，并且更特别地涉及制造用于这种部件的加强纤维结构。
[0002]本发明应用的特别领域在于制造结构复合材料的部件，S卩，具有由基质所致密的纤维加强结构的部件。复合材料可以制造总重量比由金属制造时相同部件的总重量更少的部件。
[0003]在通过多层编织制造纤维结构，以产生用于复合材料部件，诸如用于航空发动机叶片的纤维加强的范围中，在结构的编织期间必须抽回经向和纬向中的纱线，以匹配例如，在固定中或在叶片后缘中部件厚度的减少，以获得具有叶片的准最终形状(即，具有它的“干净形状”)和尺寸的纤维预制件。在编织期间通过这种方式抽回纱线导致在纤维结构的表面局部地存在非编织的纱线(即，导致漂浮的纱线)，这些纱线随后在第二操作期间被切割。
[0004]切割在结构表面的这些纤维局部地导致纤维未对准，和因此一旦基质已经沉积到基质材料丰富的部件中区域，该区域是部件材料中微裂纹的潜在来源。
[0005]此外，因为在织物表面存在的编织，例如缎纹编织，在已经从纤维取出的纱线的最后联锁点后存在的所有漂浮的纱线需要被切割，由此局部地导致纤维密度的显著变化。
【发明内容】
[0006]由此期望能够有可用的纤维结构，特别地在具有减少厚度的其部分中，其具有待要被制造的复合材料部件的准最终形状和尺寸，并且期望在这种部分中可以具有规律的和最小变化纤维密度的表面状态。
[0007]为此，本发明提供了用于加强复合材料部件的纤维结构，通过第一多层纱线和第二多层纱线之间的多层编织将所述结构编织为单件，纤维结构包括减少厚度的至少一部分。
[0008]该结构的特征在于:在减少厚度的部分中，纤维结构在它的表面包括:
[0009].属于在位于结构表面的第一多层纱线的纱线层以下第一多层纱线的纱线层的被中断的那些纱线的每个纱线中表面连续中的一个或多个纱线抽回部分；和
[0010].位于结构表面中第一多层纱线的纱线层中被中断的那些纱线中每个纱线中表面不连续中的一个或多个纱线抽回部分，每个中断的纱线在结构表面中被第一多层纱线以下的纱线层的纱线所替代；和
[0011]其特征在于:位于纤维结构表面的第二多层纱线的层的纱线在减少厚度的至少整个部分上是连续的。
[0012]纤维结构中表面连续或表面不连续中纱线抽回部分的存在可以最佳化表面中纱线连续性区域，以及由此可以限制结构中表面纤维的未对准和密度变化，同时也使得这种结构更容易编织。如果位于减少厚度的部分中表面的纱线，例如经纱线在该部分的整个长度上被连续地保留，由于沿着所有减少厚度的部分的纬纱线层的连续抽回，那么纱线需要交叉大量纬线层。这些交叉导致高水平的摩擦，后者可以磨损在表面的连续的经纱线和使得该结构更难以编织。通过在表面连续中的抽回部分之间交织表面不连续中的纱线抽回部分，避免了这种缺陷，因为使用从表面不连续中的抽回部分开始的新纱线占据了表面连续。
[0013]根据本发明的特定的方面，在表面不连续中的每个部分中，第一多层纱线的层中每个中断的纱线交织紧邻着退出结构之前的第二多层纱线的层中至少一个纱线。
[0014]通过以这种方式交织从纤维结构抽取的纱线，排除了由于取出纱线而产生的和随后在编织结束时需要被切割的非编织纱线。这减少了表面不连续中的纤维抽回部分中纤维体积密度的变化。
[0015]根据本发明的另一个方面，纤维结构具有在纵向方向上延伸的第一和第二外侧面，第一面中存在的纱线抽回部分纵向地偏移第二面中存在的纱线抽回部分。
[0016]然而，根据本发明的另一个方面，减少厚度的部分在第一多层纱线的纱线方向上具有减少数量的第二多层纱线的纱线层，纤维结构包括根据确定的第二多层纱线的纱线层数量的减少而分布的表面不连续中的纱线抽回部分。
[0017]本发明也提供了复合材料部件，其包括由基质所致密的本发明的纤维结构。特别地，部件可以构成航空发动机叶片。
[0018]本发明也提供了装配有本发明多个叶片的涡轮螺旋桨发动机。
[0019]本发明也提供了装配有本发明至少一个涡轮螺旋桨发动机的航空器。
[0020]本发明也提供了制造用于加强复合材料部件的纤维结构的方法，该方法包括通过第一多层纱线和第二多层纱线之间的多层编织将纤维结构编织为单件，该纤维结构包括减少厚度的至少一个部分。
[0021]该方法的特征在于:在减少厚度的部分的编织期间，限定有:
[0022].位于结构表面的第一多层纱线的纱线层以下的第一多层纱线的纱线层的那些纱线的每个纱线中表面连续中的纱线抽回部分不再与第二多层纱线的层的纱线编织；和
[0023].位于结构表面中第一多层纱线的纱线层的那些纱线的每个纱线中表面不连续的纱线抽回部分不再与第二多层纱线的层的纱线编织，使用来自于第一多层纱线以下的纱线层的纱线，以替代织构表面中不再从表面不连续部分开始被编织的纱线；和
[0024]特征在于:位于纤维织构表面的第二多层纱线的层的纱线至少在减少厚度的整个部分上是连续的。
[0025]根据本发明的特定方面，不再从表面不连续的部分被编织的第一多层纱线的层的纱线与紧邻着退出结构之前的第二多层纱线的层的至少一个纱线交织。
[0026]根据本发明的另一个方面，纤维结构具有在纵向方向上延伸的第一和第二外侧表面，以及第一面中具有的纱线抽回部分纵向地偏移第二面中具有的纱线抽回部分。
[0027]还是根据本发明的另一个方面，减少厚度的部分在第一多层纱线的纱线方向上具有减少数量的第二多层纱线的纱线层，以及纤维结构包括根据确定的第二多层纱线的纱线层的数量减少而分布的表面不连续中的纱线抽回部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]从下面参考附图的非限制性实施例所给出的本发明的特定实施方式的描述可以呈现本发明的其它特征和优点。
[0029]图1是示意图，示意了本发明实施方式中用于制造航空发动机叶片的纤维结构的多层编织。
[0030]图2是图1纤维结构的减少厚度的一部分的放大比例的纬线截面图。
[0031]图3是图1纤维结构的减少厚度的一部分的放大比例的经线截面图。
[0032]图4是从图1纤维结构所获得的叶片纤维预制件的示意立体图；以及
[0033]图5是通过用基质致密图4预制件所获得的复合材料叶片的示意立体图。
【具体实施方式】
[0034]本发明通常应用于制造纤维结构，其适于构造纤维加强件，称为预制件，用在制造复合材料部件，特别地航空发动机叶片中，通过用基质致密纤维结构获得部件。通常，基质由用于复合材料的树脂制造，使用达到相对低，通常达到300°C温度的复合材料，或者通过耐火材料，诸如用于热结构复合材料的碳或陶瓷来制造。
[0035]图1是用于形成航空发动机叶片的纤维加强的纤维结构200的详细示意图。
[0036]通过多层编织获得纤维结构200，使用提花织物类型织机，通过已知的方式进行该多层编织，该织机具有组织为多层的一束经纱线或经线股201，该经纱线与同样地设置为多层的纬纱线202联锁。特别地在下面的文献:US7 101154,US 7 241112和WO 2010/061140中详细地描述了制造用于形成航空发动机叶片的纤维加强的纤维预制件的例子，这些文献的内容在此以参考文献并入。
[0037]编织条带形式的纤维结构200，该条带通常在对应于待要被制造的叶片的纵向方向的方向X上延伸。纤维结构具有通过根据待要被制造的叶片的翼型轮廓的纵向厚度所确定的方式变化的厚度。在将要形成根部预制件的其部分，纤维结构200具有根据待要被制造的叶片根部的厚度所确定的额外厚度203，并且，例如，通过使用更重的纱线或者通过使用插入件可以实现该额外厚度。纤维结构200延伸有待要形成叶片柄脚一部分的减少厚度204，接着延伸有待要形成叶片翼型的一部分205。在垂直于方向X的方向上，部分205具有在待要形成叶片前缘的其边缘205a和待要形成将要被制造的叶片后缘的其边缘205b之间变化的厚度轮廓。
[0038]编织纤维结构200为单件，并且切割非编织的纱线后，它需要具有叶片的准最终形状和尺寸(即，它的“干净形状”)。为此，在纤维结构中变化厚度的部分中，以及在减少厚度204的部分中，通过编织期间逐渐地抽回经纱线和纬纱线的层来减少预制件的厚度。
[0039]图2是纬线截面图，表示纤维结构200的减少厚度204部分的部件的编织，该结构200在减少厚度204部分的该部件的开始，包括在方向X上延伸的10层C1到Cltl经纱线(这里示意为占据单个圆柱)，和10层T1到Tltl纬纱线。在这里所述的实施例中，使用缎织类型编织，这里是缎织-4编织(在联锁点之前漂浮在三个纬纱线上)来制造纤维结构200的外侧面或表面206a和206b，而使用联锁类型编织制造结构200的内部部分。术语“联锁”用在这里意指每层经纱线互连多层纬纱线，同时在给定的经线柱中所有纱线在编织平面中具有相同的移动。
[0040]可以使用其它已知类型的多层编织，特别地诸如文献WO 2006/136755中所描述的多层编织，该文献的内容在此并入为参考文献。[0041]可以特别地，但不是专门地使用碳或陶瓷，诸如碳化硅所制造的纤维来编织本发明的纤维结构。
[0042]随着在减少厚度的部分204的方向X上编织的进行，经纱线层以及纬纱线层的纱线从结构200被抽回。在这里所述的实施例中，对于每10个经线柱抽回一层纬纱线。
[0043]关于纬纱线，在称为“经纱线抽回部分”的确定位置，从结构取出或移除这些经纱线，并且它们不再与位于经纱线抽回部分之后的纬纱线编织。在本发明中，两种类型的经纱线抽回部分将是不同的，即，称为是“表面连续中的”抽回部分和称为是“表面不连续中的”抽回部分。
[0044]在表面连续中的抽回部分中，存在从织构移除的经纱线，该经纱线属于位于结构表面的经纱线层以下的经纱线层，就像应用于图2中所示的表面连续中的抽回部分210、211和212的例子。更精确地，在部分210，存在从结构抽回的经纱线Fra，其形成位于结构表面的经纱线层C2以下的位于纤维结构的该位置的经纱线层C3的部分。同样适于部分211和212，从它们分别地存在从织构抽回的经纱线Fra和Fm，它们属于分别地位于经纱线的表面层C9和C2以下的经纱线层C8和C4。
[0045]通过从位于纤维结构表面的经纱线层以下的层抽回经纱线，确保了在预制件表面的经纱线层的表面连续性，因此特别地可以避免纱线变得未对准，该不对准当表面上纱线被切割时总是出现的，因此致密后产生了树脂丰富和构成复合材料中微裂纹来源的区域。而且，在表面连续中的经纱线抽回部分可以减少在结构的该位置的纤维浓度的变化。
[0046]然而，如果在纤维结构表面，在减少厚度部分的整个长度上保持相同经纱线层的纱线，那么，因为随着编织继续，逐渐地抽回它们的方式，所述层中的纱线被限制为交叉大量层的纬纱线。这些交叉可以产生高水平的摩擦，该摩擦可以磨损经纱线和使得该结构更难以编织。
[0047]为此，并且根据本发明，纤维结构也包括表面不连续中的经纱线抽回部分，其中从纤维结构抽回经纱线，该经纱线属于位于在纤维结构表面的经纱线层，同样适于图2中所示部分220和221中例子。更精确地，在部分220中，存在抽回的纱线Fa，其形成位于在紧邻纬纱线的柱Ct22ci后纤维结构的该位置中表面的经纱线的层C1的部分。一旦从纤维结构取出，由下层经纱线C2的纱线Fffi在表面替代纱线Fa，用与部分220之前用于纱线Fa相同的缎纹编织来编织纱线Fe2超出部分220。相似地，从部分221，存在抽回的纱线Fatl,其形成位于在紧邻纬纱线的柱Ct221后纤维结构该位置中表面的经纱线层Cltl的部分。一旦从纤维结构取出，由下层经纱线C9的纱线Fa3在表面替代纱线Fatl，用与部分221之前用于纱线Fc9相同的缎纹编织来编织纱线Fa3超出部分221。
[0048]可以根据抽回的纬线层的数量来确定表面不连续中的经纱线抽回部分的定位，以限制摩擦和改善编织能力。举例说明，无论什么时候5个纬线层已经被抽回，接着5个以后另一个更多的纬线层已经被抽回，等等，纤维结构在它的面的每个面中可以包括表面不连续中的经纱线抽回部分。本发明的纤维结构优选地比是在表面不连续中的纱线抽回部分具有大多数是在表面连续中的纱线抽回部分。
[0049]存在纤维结构面上的无论表面连续中或是不连续中的纱线抽回部分优选地在结构的纵向方向上偏移所述结构的另一面上具有的抽回部分，如图2中所示，以平衡纤维结构。[0050]无论表面连续中或是不连续中的纱线抽回部分也可以存在于纤维结构面的仅仅一个面上，以最佳化面中一个相对于另一个的表面状态。
[0051]而且，根据本发明的一个方面，当将要从纤维结构取出经纱线时，所述纱线总是与位于紧邻经纱线从其被取出的抽回部分之前的纬纱线柱的至少一个纱线交织，这是独立于在纤维结构的该位置的编织模式。例如，在图2中，从在抽回部分221的纤维结构取出的经纱线Fa交织纬纱线层T9的两个连续的纬纱线，虽然，在实施的缎纹-4模式中，直到结构的表面上的该点，经纱线Fatl应该在部分221之前的柱，离开结构，而不交织位于在结构表面的纬纱线柱Ct22ci的纬纱线。在部分220，在该实施例中不需要强迫经纱线F。/的任何交织，因为紧邻它与纬纱线联锁的点之后，从纤维结构200取出它，该纬纱线位于纬纱线柱Ct22ci的表面。
[0052]通过确保经纱线总是与位于紧邻它从纤维结构退出之前的至少最后一个纬线交织，由此减少了由于经纱线被取出和编织后必须随后被切割所引起的未被编织的纬纱线的数量。这减少了在表面不连续中的经纱线抽回部分中每单位体积的纤维密度的变化。
[0053]在这里所描述的实施例中，从表面不连续中的抽回部分取出位于在纤维结构表面的经纱线。在这种情况下，连续性维持有经纱线，该经纱线位于在纤维结构表面，如图3中所示，其表示在将要形成叶片翼型的结构的部分205的变化厚度的轮廓部分中经线截面图中的编织，其中位于纤维结构200的两侧上表面中的纬纱线Ftsi和Fts2在整个结构上是连续的，而从织构逐渐地取出属于表面纬纱线层以下纬纱线层的纬纱线Fn到Fntl,纱线Ft51和Ft52分别地属于该表面纬纱线层。应该观察到图3中所示的编织与图2中所示的编织不同。
[0054]在本发明的变化形式中，纤维织构包括位于在织构表面的纬纱线层中表面不连续中和/或连续中的纱线抽回部分。在这种情况下，连续性维持有位于在纤维结构表面的经纱线。
[0055]一旦完成纤维结构200的编织，就切割非编织的纱线，特别地无论在表面连续中或在表面不连续中的抽回部分，已经从织构被取出的纱线。这产生了如图4中所示的纤维预制件100，该预制件编织为单件。
[0056]此后，致密纤维预制件100，以形成如图4中所示的复合材料的叶片10。通过用构成基质的材料填充遍及所有或部分预制件体积的预制件小孔，致密将要构成待要被制造部件的纤维增强的纤维预制件。使用液体技术或气体技术(化学蒸气渗透(CVI))，或者实际上通过先后使用这两种技术，可以通过已知的方式进行该致密。
[0057]液体技术包括用液体组合物浸溃预制件，该液体组合物包含用于基质材料的前体。前体通常地是聚合物形式，诸如可能在溶剂中稀释的高性能的环氧树脂。将预制件放置在适于以密封方式被封闭的模具中，该模具具有凹部，该凹部具有最终模压的叶片的形状。此后，封闭模具，并且将基质(例如，树脂)的液体前体喷入整个凹部中，以浸溃预制件的所有纤维结构。
[0058]前体转化成基质，S卩，通过应用热处理，通常地，通过排除任何溶剂和固化聚合物后加热模具，聚合前体，继续保持在模具中的前体具有对应于待要被制造的部件形状的形状。
[0059]当形成碳或陶瓷的基质时，热处理包括热解前体，以根据所用的前体和热解条件，将基质转化为碳或陶瓷基质。举例说明，陶瓷，特别地SiC的液体前体可以是聚碳硅烷(PCS)类或聚钛碳硅烷(PTCS)类或聚硅氨烷(PSZ)类的树脂，而碳的液体前体可以是具有相对高焦炭含量的树脂，诸如酚醛树脂。可以进行多个连续的循环，每个循环进行从浸溃到热处理，以获得期望程度的致密。
[0060]根据本发明的一个方面，特别地当形成有机基质时，可以通过已知的树脂转化模压(RTM)方法致密纤维前体。在该RTM方法中，将纤维预制件放置在模具中，该模具具有待要被制造的部件的外侧形状。将热固树脂注射到包含纤维预制件的模具的内体积。通常，在注射树脂的位置和用于排除树脂的孔口之间的所述内空间中建立压力梯度，以控制和最佳化通过树脂浸溃预制件的方式。
[0061]在已知的方式中，也可以使用基质的化学蒸气渗透(CVI)的气体技术致密纤维预制件。将对应于待要被制造叶片的纤维加强的纤维预制件放置在烘炉中，在烘炉中供给有反应气体。选择烘炉内存在的压力和温度以及气体的成分，以使气体能够在预制件的小孔内扩散，以通过在与纤维接触的材料中心中沉积固体材料，在其中形成基质，与对化学蒸气沉积(CVD)方法特定的压力和温度条件比较，该固体材料是气体分解的成分或多个成分之间反应的结果，该化学蒸气沉积(CVD)方法导致只在材料的表面上发生沉积。
[0062]使用甲基三氯硅烷(MTS)可以形成SiC基质，甲基三氯硅烷(MTS)通过MTS的分解给出SiC，而使用通过裂解产生碳的碳氢化合物气体，诸如甲烷和/或丙烷，可以获得碳基质。
[0063]也可以通过联合液体技术和气体技术进行致密，以方便实施、限制成本和限制制造循环的数量，而还能够获得对于意欲应用的令人满意的特征。
[0064]致密后，获得复合材料叶片10，如图5中所示。它包括在其底部由纤维结构200的额外厚度203构成的根部103，它延伸有柄脚104，该柄脚104由结构200的减少厚度204的部分形成，以及延伸有翼型105，该翼型105由纤维结构的部分205形成。
【权利要求】
1.用于加强复合材料部件的纤维结构，通过第一多层纱线和第二多层纱线之间的多层编织，所述结构编织为单件，该纤维结构包括至少一部分的减少厚度， 该结构的特征在于:在减少厚度的部分中，纤维结构在它的表面包括: ?属于在位于结构表面的第一多层纱线的纱线层以下第一多层纱线的纱线层的被中断的那些纱线的每个纱线中表面连续中的一个或多个纱线抽回部分；和 ?位于结构表面中第一多层纱线的纱线层中被中断的那些纱线中每个纱线中表面不连续中的一个或多个纱线抽回部分，每个中断的纱线在结构表面中被第一多层纱线以下的纱线层的纱线所替代；和 其特征在于:位于纤维结构表面的第二多层纱线的层的纱线在减少厚度的至少整个部分上是连续的。
2.根据权利要求2的纤维结构，其特征在于:在表面不连续中的每个部分中，第一多层纱线的层中每个中断的纱线交织紧接着退出结构之前的第二多层纱线的层中至少一个纱线。
3.根据权利要求1或权利要求2的结构，其特征在于:纤维结构具有在纵向方向上延伸的第一和第二外侧面，第一面中存在的纱线抽回部分纵向地偏移第二面中存在的纱线抽回部分。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求的纤维结构，其特征在于:减少厚度的部分在第一多层纱线的纱线方向上具有减少数量的第二多层纱线的纱线层，纤维结构包括根据确定的第二多层纱线的 纱线层数量的减少而分布的表面不连续中的纱线抽回部分。
5.包括由基质所致密的纤维加强的复合材料部件,其中通过根据权利要求1至4中任一权利要求的纤维结构形成纤维加强。
6.根据权利要求5的部件，其特征在于它构成航空发动机的叶片。
7.涡轮螺旋桨发动机，其包括根据权利要求6的多个叶片。
8.一种航空器，其装配有至少一个根据权利要求7的涡轮螺旋桨发动机。
9.一种制造用于加强复合材料部件的纤维结构的方法，该方法包括通过第一多层纱线和第二多层纱线之间的多层编织来编织纤维结构为单件，该纤维结构包括至少一部分的减少厚度； 该方法的特征在于:在减少厚度的部分的编织期间，限定有: ?位于结构表面的第一多层纱线的纱线层以下的第一多层纱线的纱线层的那些纱线的每个纱线中表面连续中的纱线抽回部分不再与第二多层纱线的层的纱线编织；和 ?位于结构表面中第一多层纱线的纱线层的那些纱线的每个纱线中表面不连续中的纱线抽回部分不再与第二多层纱线的层的纱线编织，使用来自于第一多层纱线以下的纱线层的纱线，以替代织构表面中不再从表面不连续部分开始被编织的纱线；好 特征在于:位于纤维织构表面的第二多层纱线的层的纱线至少在减少厚度的整个部分上是连续的。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于:不再从表面不连续的部分被编织的第一多层纱线的层的纱线与紧邻着退出结构之前的第二多层纱线的层的至少一个纱线交织。
11.根据权利要求9或权利要求10的方法，其特征在于:纤维结构具有在纵向方向上延伸的第一和第二外侧表面，以及第一面中具有的纱线抽回部分纵向地偏移第二面中具有的纱线抽回部分。
12.根据权利要求9至11中任一权利要求的方法，其特征在于:减少厚度的部分在第一多层纱线的纱线方向上具有减少数量的第二多层纱线的纱线层，以及纤维结构包括根据确定的第二多层纱线的纱线层的数量减少而分布的表面不连续中的纱线抽回部分。
【文档编号】B29C70/24GK103998663SQ201280062066
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月10日 优先权日:2011年12月14日
【发明者】布鲁诺·杰克斯·杰拉德·达米布瑞恩, 多米尼克·酷派, 乔纳森·戈林, 吉恩-诺尔·马修 申请人:斯奈克玛