层状复合部件制造技术

本发明专利技术公开了一种层状复合部件（2），所述部件包括：限定相对的部件表面（8、10）之间的部件厚度的多个堆叠层，以及从所述相对的部件表面（8、10）的每个延伸的至少一个增强元件，所述增强元件至少局部地延伸穿过所述部件厚度。还公开了另一种层状复合部件（2），所述部件包括：限定一平面并且具有主要面内轴的多个堆叠层，其中增强元件的至少一个块阵列（6）沿着相对于所述堆叠层的平面成角度的增强方向延伸到部件（2）中，并且其中所述至少一个块阵列（6）在所述堆叠层的平面中相对于主轴成角度。

【技术实现步骤摘要】
层状复合部件
本专利技术涉及一种层状复合部件以及一种形成层状复合部件的方法。这种部件通常包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。
技术介绍
复合材料广泛地使用在各种工业中，并且可以提供优于金属替代物的显著优点。尤其是在航空工业中，复合材料可以有助于减轻重量，同时具有期望的强重比，并且提供对大多数化学和环境威胁的抵抗。燃气涡轮发动机的风扇和/或压缩机系统的组成部件，包括包容机匣、风扇叶片以及次级结构由于它们所运转的相对较低的温度，而给它们自身提供复合构造。在这些运转温度范围上，复合材料可以提供所需水平的坚固性、耐用性、强度和断裂应变。在航空工业中使用的类型的复合材料大体上包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。增强纤维在所述层的平面中延伸并且可以是单向的，或者可以以各种构造并且沿着叠层方向延伸。各种材料可以用于增强纤维，包括碳、石墨、玻璃及各种金属。与使用的具体材料和制造工艺无关，所有复合物表现出某些缺点。在这些缺点中显著的是复合材料的比较差的层间强度。X-Y平面中的沿着所述堆叠层的平面的复合特性由增强纤维支配，意味着X-Y平面中的材料强度和断裂应变是优异的。结果很好地开发了用来生产二维复合结构的制造方法。然而，沿着Z方向的层间特性由基体材料支配，意味着沿着该方向的强度和断裂韧性是比较差的，从而限制了复合物在许多应用中的使用。由于热效应、冲击事件或者在复合物中存在孔或自由边而导致的破裂或脱层会严重地降低压缩和挠曲加载能力，或者导致大规模的脱层，这会导致过早的结构破坏。在航空发动机的情况下，复合部件经受吸入到发动机中的吸气的损坏和外界物体的冲击。这种物体可以是机载的或者吸入到发动机入口中的。这些包括各种类型和大小的鸟以及无生命物体，例如冰雹、沙、陆冰以及跑道碎片。已经发现对包括风扇和压缩机叶片的叶片构件的机翼的冲击损坏以及对气流中的支杆类型构件的损坏导致材料的损失和/或堆叠层的脱层。该程度的损坏会降低运转完整性以及复合物品的寿命。在旋转的叶片中，它会导致发动机变得不平衡，从而导致潜在严重且有害的振动。存在多种技术用于克服复合物中的这些局限性。最经常使用的两种是韧化基体和“横向”增强纤维。韧化基体通常比基准系统昂贵得多，具有差的热湿特性，并且仍然不能为成功的部件设计提供足够的强度。结果，横向增强体通常是更期望的选择，并且已经开发了若干种技术用于穿过复合物的厚度放置纤维以提高它们的层间特性。缝纫、钉钉和针刺都是用于引入横向增强体的已知技术。然而，这些方法都易于导致面内特性的显著下降，难以在复杂形状的部件内实施，并且限制了可以用于增强的纤维的类型。缝纫使用宽度通常超过5mm的针。当用这种大小的针刺入纤维层压板时，对承载面内纤维造成显著的切割或损坏。这样会导致超过20%的强度下降。除了这种针损坏以外，缝纫还使用会损坏表面层的连续线。从一个针脚横移到下一个针脚的线中的线圈使顶面几个层的面内纤维“打结”，从而产生显著的强度损失。由于缝纫需要的固化半径，实际上可以使用的纤维被限制为玻璃或芳香族聚酰胺类型纤维，例如KEVLARRTM。这些材料不是对于所有应用的最有效的横向增强体，并且已知吸收湿气，而这是不期望的。用于克服这些问题和缺点的一种技术包括沿着Z方向穿过复合材料的厚度插入纵向销或钉。US4808461公开了一种所谓Z销的插入方法，其中多个增强销完全沿着与可热分解材料的主体的平面垂直的方向设置。该结构然后经受升高的温度，其分解可热分解材料。使用压力来将增强元件打入所述结构中，其然后固化。最终的复合部件将包含垂直设置的增强元件，在复合部件的期望位置处增加强度。根据其他方法，可以使用销携带器来将销垂直地打入预浸渍（预浸料）纤维的叠层中，其然后定形并固化。US7008689讨论了Z方向增强体的位置，根据任何具体部件区域中的期望应力水平公开了Z销的分布。虽然解决了缝纫的面内损坏问题，但是这些技术也存在缺点。例如，虽然单纯垂直于复合物平面地引入的增强纤维显著地降低了层压板脱离的趋势（参见图1—模式1破裂），但是它们不提供对剪切或者模式II为主的断裂的可比较抵抗。这是因为这些载荷通常与复合物的面内纤维平行地发生，并且增强纤维垂直于面内纤维。为了解决这个问题，已知在沿着特别高应力的平面的层压板中与面内纤维成角度地手动地插入增强棒。这可以在例如石墨—环氧层的叠层固化之前完成。然而，每个增强棒的手动插入以及预先确定特别高应力平面所需要的实验和分析，使得这个技术变成劳动密集型的并且因此是昂贵的。一种替代方法包括用机械冲击或者相似的工具将单个热固树脂浸渍的纤维增强体成角度地打入纤维材料叠层中。然而，该技术也要求劳动力密集和不适于所有应用的高精度制造技术。当单纯考虑Z方向增强销时，已知根据部件厚度和性能要求改变销的长度以及它们在任何一个部件区域中的集中度。US3834832描述了可以以该方式使用的各种Z方向增强元件。然而，这种增强元件的应用由于元件长度的约束仍然限于薄的复合结构（多达～16mm）。此外，销增强体的区域与没有销增强体的区域之间的急速过渡引起部件特性的阶跃变化，这是不期望的。US7008689寻求通过在预浸料板层或层的区域内以一定的密度插入Z方向增强销以便它抵抗该区域的应变能来解决销集中度的问题。该方法的缺点是应变能不是这种销需要满足的唯一要求，并且在具有高应变的区域中具有大量的销对该结构会是不利的。
技术实现思路
本专利技术寻求解决上述缺点中的一些或全部。根据本专利技术，提供一种层状复合部件，其包括：限定相对的部件表面之间的部件厚度的多个堆叠层；以及从所述相对的部件表面的每个延伸的至少一个增强元件，所述增强元件至少局部地延伸穿过所述部件厚度。所述部件表面可以是平面的。所述层可以包括嵌入在可以例如是有机基体材料的基体材料中的面内增强纤维阵列。所述层可以限定所述部件的X-Y平面。所述层的增强纤维可以是单向的、双向的、机织的或者任何其他适当构造。所述增强元件可以垂直于所述部件表面延伸。所述增强元件因此可以沿着所述部件的与部件层的X-Y平面垂直的Z轴延伸。所述增强元件可以包括销。所述增强元件可以包括簇绒增强纤维。所述增强元件的长度可以小于所述部件的厚度。从相对的部件表面延伸的增强元件可以沿着增强方向交叠。所述部件可以还包括至少一个中间增强元件，其可以延伸穿过部件厚度的远离相对的部件表面的每个的区域。来自相对的部件表面的增强元件可以沿着增强方向与至少一个中间增强元件交叠。所述增强元件可以在所述部件内延伸其整个长度，所述长度设置为完全插入的从相对的部件表面延伸的增强元件沿着增强方向互相交叠，或者与中间增强元件交叠。这种交叠确保了在所述部件内没有层不具有增强元件或者仅具有元件末端。所述部件的每个堆叠层可以包括具有一方向的面内增强纤维，并且所述增强元件可以延伸为，增强元件的沿着增强方向的交叠区域包括具有不同增强纤维方向的相邻堆叠层。所述元件的交叠区域可以为至少六个堆叠层的厚度。根据标准规定，不超过四个的相同朝向层应该堆放在一起，六个层交叠确保了在增强元件末端之间总是具有至少一次层朝向变化。增强元件可以设置为块阵列。例如，所述元件可以设置为矩形块阵列，其可以是w元件宽和l元件长。在所述部件的平面中相邻的增强元件的阵列可以从相对的部件表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃气涡轮发动机的层状复合部件，包括：限定相对的部件表面之间的部件厚度的多个堆叠层；以及从所述相对的部件表面的每个延伸的至少一个增强元件，所述增强元件至少局部地延伸穿过所述部件厚度。

【技术特征摘要】
2011.07.07 GB 1111598.71.一种用于燃气涡轮发动机的层状复合部件，包括：限定相对的部件表面之间的部件厚度的多个堆叠层；以及从所述相对的部件表面的每个延伸的增强元件的块阵列，每个块的增强元件仅局部地延伸穿过所述部件厚度；其中相邻增强元件的块阵列从相对的部件表面延伸；并且增强元件的所述块阵列形成人字形图案。2.如权利要求1所述的部件，其中所述增强元件与所述部件表面垂直地延伸。3.如权利要求1所述的部件，其中所述增强元件包括销。4.如权利要求1-3中任意一项所述的部件，其中从相对的部件表面延伸的增强元件沿着增强方向交叠。5.如权利要求1-3中任意一项所述的一种部件，还包括延伸穿过所述部件厚度的远离所述相对的部件表面的每个的区域的至少一个中间增强元件。6.如权利要求5所述的部件，其中来自相对的部件表面的增强元件沿着增强方向与所述至少一个中间增强元件交叠。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：MP杰文斯，R巴克豪斯，
申请(专利权)人：劳斯莱斯有限公司，
类型：发明
国别省市：