ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B29C70/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к лопаткам турбомашин из композиционного материала, содержащего волокнистый каркас, уплотненный матрицей.

Целенаправленной областью применения изобретения являются лопатки газовых турбин для авиационных двигателей или промышленных турбин.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно изготовление лопаток турбомашин из композиционных материалов. Можно сослаться, например, на патентный документ ЕР 1526285, в котором описан способ изготовления лопатки вентилятора путем выполнения волокнистой преформы посредством трехмерного тканья и уплотнения преформы органической матрицей.

Для изготовления конструктивных деталей турбомашин, которые при эксплуатации подвергаются воздействию высоких температур, известно использование термоструктурных композиционных материалов, в частности композиционных материалов с керамической матрицей. По сравнению с металлическими сплавами эти материалы могут иметь более высокую механическую прочность при высоких температурах и имеют меньшую массу. Для газовых турбин авиационных двигателей снижение массы и снижение загрязняющих выбросов при повышении рабочих температур является особенно важной задачей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, желательно иметь возможность получать лопатки турбомашин из композиционных материалов, в частности, но не исключительно, из термоструктурных композиционных материалов, таких как композиционные материалы с керамической матрицей (CMC, от франц. "materiaux composites а matrice ceramique"), чтобы при этом лопатки имели требуемые механические свойства при относительно сложных формах лопаток.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предложен способ изготовления лопатки турбомашины из композиционного материала, содержащего волокнистый каркас, уплотненный матрицей, при этом способ содержит следующие этапы:

- изготовление волокнистой заготовки в виде единой детали посредством трехмерного тканья,

- придание волокнистой заготовке формы для получения волокнистой преформы в виде единой детали, содержащей первую часть, образующую преформу пера и хвостовика лопатки, и, по меньшей мере, одну вторую часть, образующую преформу площадки или полки лопатки, и

- уплотнение преформы матрицей для получения лопатки из композиционного материала, содержащего образованный преформой волокнистый каркас и уплотненного матрицей, причем лопатка образует одну (т.е. единую) деталь с выполненными заодно с ней площадкой и/или полкой.

При изготовлении волокнистого каркаса лопатки из заготовки, полученной посредством трехмерного тканья в виде единой детали, можно обеспечить, по меньшей мере, частичное взаимное переплетение частей волокнистого каркаса, соответствующих части лопатки, образующей перо и хвостовик, и части или каждой части, образующей площадку и полку.

Это способствует приданию требуемых механических свойств лопатке с выполненными заодно с ней площадкой и/или полкой, в частности, в местах связи между частью, образующей перо и хвостовик, и частью или каждой частью, образующей площадку или полку.

Согласно предпочтительной особенности способа в продольном направлении волокнистой заготовки, соответствующем продольному направлению подлежащей изготовлению лопатки, волокнистая заготовка содержит первый комплект множества слоев нитей, которые связаны между собой для формирования первой части заготовки, соответствующей преформе пера и хвостовика лопатки, и второй комплект множества слоев нитей, которые связаны между собой, по меньшей мере, локально, для формирования, по меньшей мере, одной второй части заготовки, соответствующей преформе площадки или полки лопатки, при этом нити первого комплекта слоев нитей не связаны с нитями второго комплекта слоев нитей, а первый комплект слоев нитей пересекается нитями второго комплекта слоев нитей на уровне расположения второй или каждой второй части заготовки.

Выполнение зон отсоединения связей позволяет придать форму волокнистой преформе без разрезания нитей связи, поскольку такой разрез мог бы снижать механическую прочность волокнистого каркаса, а следовательно, и изготавливаемой лопатки.

Согласно другой особенности способа волокнистую заготовку ткут со вторым непрерывным комплектом слоев нитей, а придание формы волокнистой заготовке включает удаление посредством отрезания частей второго комплекта слоев нитей за пределами второй или каждой второй части волокнистой заготовки.

Согласно еще одной особенности способа в месте расположения или, по меньшей мере, в одном из мест расположения, где первый комплект слоев нитей пересекается нитями второго комплекта слоев нитей, пересечение между слоем нитей первого комплекта и слоем нитей второго комплекта следует по линии, не перпендикулярной продольному направлению волокнистой заготовки. Благодаря этому можно изготавливать лопатку из композиционного материала с площадкой и/или полкой, которые проходят в целом не перпендикулярно продольному направлению лопатки.

Согласно еще одной особенности способа в первой части волокнистой заготовки и в направлении, соответствующем направлению длины профиля пера переменной толщины подлежащей изготовлению лопатки, число слоев нитей в первом комплекте слоев нитей постоянно. При этом нити первого комплекта слоев нитей могут иметь переменный весовой номер и/или переменную плотность переплетения.

Предпочтительно посредством трехмерного тканья изготавливают полосу, содержащую последовательность волокнистых заготовок. Затем они могут быть отрезаны от полосы. Заготовки могут быть вытканы с их продольным направлением, соответствующим продольному направлению подлежащей изготовлению лопатки, в направлении утка или в направлении основы.

В соответствии с настоящим изобретением предложена также лопатка турбомашины из композиционного материала, содержащего волокнистый каркас, полученный посредством трехмерного тканья нитей и уплотненный матрицей, причем лопатка содержит первую составную часть пера и хвостовика лопатки, образующую единую деталь, по меньшей мере, с одной второй составной частью площадки или полки лопатки, при этом две части волокнистого каркаса, соответствующие первой и второй части лопатки, переплетены, по меньшей мере, частично, так что нити одной из частей волокнистого каркаса проникают в другую часть волокнистого каркаса.

Лопатка может быть изготовлена из композиционного материала с керамической матрицей.

Согласно особенности лопатки нити, образующие часть волокнистого каркаса, соответствующую второй части лопатки, пересекают часть волокнистого каркаса, соответствующую первой части лопатки.

Перо лопатки может иметь профиль переменной толщины, вдоль которого часть волокнистого каркаса, соответствующая первой части лопатки, имеет постоянное число слоев нитей, проходящих в продольном направлении лопатки и имеющих переменный весовой номер и/или переменную плотность переплетения, или переменное число слоев нитей.

Изобретением предусмотрена также турбомашина, снабженная определенной выше лопаткой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Далее изобретение будет пояснено на примерах выполнения, не имеющих ограничительного характера, со ссылками на приложенные чертежи. На чертежах:

на фиг.1 показана в перспективе лопатка турбомашины с выполненными заодно с ней площадкой и полкой;

на фиг.2 очень схематично показано расположение двух комплектов слоев нитей в волокнистой заготовке трехмерного тканья, предназначенной для изготовления волокнистой преформы для лопатки, такой как показана на фиг.1;

на фиг.3, 4 и 5 показаны последовательные этапы изготовления из волокнистой заготовки по фиг.2 волокнистой преформы для лопатки, такой как показана на фиг.1;

на фиг.6 показан в сечении плоско развернутый профиль пера лопатки по фиг.1;

на фиг.7 показан в поперечном сечении комплект слоев нитей основы, позволяющий получить профиль по фиг.6;

на фиг.8А и 8В показаны в поперечном сечении основы, демонстрирующие способ тканья волокнистой заготовки по фиг.2;

на фиг.9 показан вид в поперечном сечении параллельно ходу основы и утка в части волокнистой заготовки по фиг.2, соответствующей месту соединения пера и площадки лопатки;

на фиг.10 показан частичный вид в поперечном сечении утка в части волокнистой заготовки по фиг.2, соответствующей месту соединения пера и полки лопатки;

на фиг.11А показан вид в поперечном сечении утка, демонстрирующий пример расположения нитей утка в части волокнистой заготовки, соответствующей части хвостовика пера;

на фиг.11B-11D показаны виды в поперечном сечении утка, демонстрирующие плоскости основы в примере трехмерного (многослойного) тканья в части волокнистой заготовки по фиг.11А;

на фиг.12 показан схематичный частичный вид в поперечном сечении, представляющий другой пример выполнения части заготовки, соответствующей хвостовику пера;

на фиг.13 и 14 очень схематично представлены два примера изготовления волокнистой тканой полосы, полученной трехмерным тканьем и содержащей множество волокнистых заготовок по фиг.2;

на фиг.15 указаны последовательные этапы в примере осуществления способа изготовления лопатки турбомашины в соответствии с изобретением; и

на фиг.16 указаны последовательные этапы в другом примере осуществления способа изготовления лопатки турбомашины в соответствии с изобретением.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение применимо к различным типам лопаток турбомашины с выполненными как одно целое площадками или полками, в частности к лопаткам компрессора и турбины различных газовых турбин, например к лопатке для рабочего колеса турбины низкого давления, такой как показана на фиг.1.

Лопатка 10 по фиг.1 известным образом содержит перо 20, хвостовик 30, который образован частью большей толщины, имеющей, например, поперечное сечение в форме луковицы, и продолжен стойкой 32, внутреннюю площадку 40, расположенную между стойкой 32 и пером 20, и наружный наконечник или полку 50 вблизи свободного конца пера.

Перо 20 проходит в продольном направлении между площадкой 40 и полкой 50 и имеет в поперечном сечении криволинейный профиль переменной толщины между входной кромкой 20а и выходной кромкой 20b.

Лопатку 10 монтируют на роторе турбины (не показана) посредством того, что вводят хвостовик 30 в гнездо ответной формы, выполненное на периферии ротора. Хвостовик продолжен стойкой 32 для соединения с внутренней (или нижней) поверхностью площадки 40.

На своем радиально внутреннем конце перо 20 соединено с площадкой 40 на наружной (или верхней) поверхности площадки, которая ограничивает с внутренней стороны течение газового потока в турбину. На верхнем и нижнем окончании по направлению f потока площадка 40 заканчивается закраинами 44 и 46. В показанном примере выполнения поверхность 42 площадки имеет наклон под отличным от нуля углом φ относительно перпендикуляра к продольному направлению лопатки. В зависимости от желаемого профиля внутренней поверхности для течения газового потока угол α может быть равен нулю или поверхность 42 может иметь в целом не прямолинейный профиль, например изогнутый (криволинейный).

На своем радиально наружном конце перо соединено с полкой 50 на ее внутренней (нижней) поверхности 52, которая ограничивает течение газового потока с наружной стороны. С наружной (верхней) стороны полка ограничивает углубление или корыто 54. Вдоль верхнего и нижнего по направлению потока краев корыта 54 на полке выполнены бортики 56, имеющие профиль зубьев, концы которых могут врезаться в слой истираемого материала турбинного кольца (не показано), чтобы уменьшить зазор между вершиной лопатки и турбинным кольцом. В показанном примере выполнения поверхность 52 полки проходит по существу перпендикулярно продольному направлению лопатки. В варианте выполнения в зависимости от желаемого профиля наружной поверхности для течения газового потока поверхность 52 может быть наклонной, образующей отличный от нуля угол относительно перпендикуляра к продольному направлению лопатки, или может иметь в целом не прямолинейный профиль, например изогнутый (криволинейный).

На фиг.2 очень схематично показана волокнистая заготовка 100, из которой может быть сформована волокнистая преформа для того, чтобы после ее уплотнения матрицей и, при необходимости, механической обработки получить показанную на фиг.1 лопатку из композиционного материала с выполненными заодно с ней площадкой и полкой.

Заготовка 100 содержит две части 102, 104, полученные трехмерным тканьем или многослойным тканьем, при этом на фиг.2 показаны только оболочки этих двух частей. Часть 102 предназначена для того, чтобы после ее формования образовать часть волокнистой преформы, соответствующую преформе пера и хвостовика лопатки. Часть 104 предназначена для того, чтобы после ее формования образовать часть волокнистой преформы, соответствующую преформе площадки и полки лопатки.

Две части 102, 104 в виде полос проходят в основном в направлении X, соответствующем продольному направлению подлежащей изготовлению лопатки. Волокнистая полоса 102 в своей части, предназначенной для формирования преформы пера, имеет переменную толщину в функции (т.е. в зависимости от) толщины профиля пера подлежащей изготовлению лопатки. В своей части, предназначенной для формирования хвостовика, волокнистая полоса 102 имеет утолщение 103, определяемое в функции толщины хвостовика подлежащей изготовлению лопатки.

Волокнистая полоса 102 имеет ширину I, выбранную в функции длины развернутого (плоско) профиля пера и хвостовика подлежащей изготовлению лопатки, а волокнистая полоса 104 имеет ширину L больше ширины I, выбранную в функции длины разверток площадки и полки подлежащей изготовлению лопатки.

Волокнистая полоса 104 имеет по существу постоянную толщину, определяемую в функции толщины площадки и полки подлежащей изготовлению лопатки. Полоса 104 содержит первый участок 104а, который проходит продольно рядом с первой поверхностью 102а полосы 102, второй участок 104b, который проходит продольно рядом со второй поверхностью 102b полосы 102, и третий участок 105а, который проходит продольно рядом с первой поверхностью 102а полосы 102.

Участки 104а и 104b соединены друг с другом соединительным участком 140с, который проходит поперечно полосе 102 в том месте, которое соответствует расположению площадки подлежащей изготовлению лопатки. Соединительный участок 140с пересекает полосу, образуя угол α относительно перпендикуляра к продольному направлению волокнистой заготовки.

Участки 104b и 105а соединены друг с другом соединительным участком 150с, который проходит поперечно полосе 102 в том месте, которое соответствует расположению полки подлежащей изготовлению лопатки. В показанном примере выполнения соединительный участок 150с пересекает полосу 102 по существу перпендикулярно к продольному направлению X волокнистой заготовки. В зависимости от желаемой геометрии на уровне полки лопатки соединительный участок 150с может пересекать полосу 102 с образованием отличного от нуля угла с перпендикуляром к продольному направлению X заготовки, как и в случае площадки. Кроме того, профиль соединительного участка 140с и/или соединительного участка 150с может быть криволинейным, а не прямолинейным, как это имеет место в показанном примере выполнения.

Как это будет описано более подробно дальше, полосы 102 и 104 ткут одновременно путем трехмерного тканья без связей между полосой 102 и участками 104а, 104b и 105а полосы 104, при этом ткут множество последовательных заготовок 100 непрерывным образом в направлении X.

На фиг.3-5 очень схематично показано, каким образом из волокнистой заготовки 100 может быть получена волокнистая преформа, имеющая форму, близкую к подлежащей изготовлению лопатке.

Волокнистую полосу 102 разрезают на одном конце по утолщению 103 и на другом конце немного дальше соединительного участка 150с для получения полосы 120, длина которой соответствует продольному размеру подлежащей изготовлению лопатки, с утолщенной частью 130, которая расположена на месте хвостовика подлежащей изготовлению лопатки.

Кроме того, разрезы выполняют на концах участков 104а, 105а полосы 104 и в участке 104b, чтобы оставить отрезки 140а и 140b с одной и с другой стороны от соединительного участка 140с и отрезки 150а и 150b с одной и с другой стороны от соединительного участка 150с, как это показано на фиг.3. Длины отрезков 140а, 140b и 150а, 150b определены в функции длин площадки и полки в подлежащей изготовлению лопатке.

Благодаря отсутствию связи между полосой 102 волокнистой заготовки с одной стороны и участками 104а, 104b и 105а с другой стороны отрезки 140а, 140b и 150а, 150b могут быть развернуты перпендикулярно полосе 102 без резки нитей для формирования пластин 140, 150, как это показано на фиг.4.

После этого волокнистую преформу 200 подлежащей изготовлению лопатки получают путем формования с деформацией полосы 102 для воспроизведения криволинейного профиля пера лопатки и деформацией пластин 140, 150 для воспроизведения форм, подобных формам площадки и полки лопатки, как это показано на фиг.5. При этом получают преформу с частью 220 преформы пера, частью 230 преформы хвостовика (с преформой стойки) и частями 240, 250 преформы площадки и преформы полки.

Как это будет описано дальше, этапы изготовления преформы лопатки из волокнистой заготовки предпочтительно осуществляют после обработки волокон заготовки и ее пропитки закрепляющей композицией.

Ниже будет подробно описан метод трехмерного тканья волокнистой заготовки 100.

Предполагается, что тканье производят при прохождении нитей основы в продольном направлении X заготовки, однако следует заметить, что возможно также тканье с нитями утка в этом направлении.

Изменение толщины полосы 102 по ее ширине получают путем использования нитей основы переменного весового номера. В варианте выполнения или дополнительно можно изменять плотность переплетения нитей основы (число нитей на единицу длины в направлении утка), при этом более низкая плотность допускает более значительное уменьшение толщины при формовании преформы.

Таким образом, для получения профиля пера лопатки, показанного в плоской проекции на фиг.6, можно использовать три слоя нитей основы переменного весового номера и с переменной плотностью переплетения, как показано на фиг.7.

В примере выполнения используемые нити могут быть нитями карбида кремния (SiC), поставляемыми под маркой "Nicalon" японской компанией Nippon Carbon и имеющими весовой номер (выраженный в числе элементарных волокон), составляющий 0,5 К (500 элементарных волокон).

Основу формируют из нитей SiC весового номера 0,5 К и нитей SiC весового номера 1 К, полученных объединением двух нитей 0,5 К, причем две нити соединяют оплеткой. Оплетку предпочтительно выполняют нитью нестойкого характера, подверженной устранению после тканья, например нитью из поливинилового спирта, устраняемого посредством растворения в воде.

В помещенной ниже таблице 1 для каждой колонки нитей основы даны плотность переплетения (число нитей на сантиметр по длине профиля), число нитей 0,5 К, число нитей 1 К и толщина профиля в мм, при этом в данном варианте она составляет примерно от 1 до 2,5 мм.

Таблица 1 Колонка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Весовой номер 6 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 6 Число нитей 0,5 К 3 3 3 3 3 3 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 2 1 3 Число нитей 1 К 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 3 3 3 3 3 3 1 2 0 Толщина 1 1 1 1 1 1 1,2 1,5 2 2,2 2,4 2,5 2,4 2,4 2,2 2,1 1,8 1,5 1,2

Само собой разумеется, что в зависимости от весового номера имеющихся нитей для получения профиля могут использоваться различные комбинации числа слоев нитей и вариации плотности переплетения и весовых номеров.

На фиг.8А, 8В показаны на виде в поперечном сечении основы две последовательные плоскости полотнища ткацкого переплетения, которое может использоваться для тканья волокнистой заготовки 100 за пределами утолщения 103.

Полоса 102 волокнистой заготовки 100 содержит комплект слоев нитей основы, при этом в данном примере выполнения число слоев равно, например, трем (слои С₁₁, С₁₂, С₁₃). Нити основы соединены нитями t₁ утка способом трехмерного тканья.

Полоса 104 также содержит комплект слоев нитей основы, например, из трех слоев (слои С₂₁, С₂₂, С₂₃). Нити основы соединены нитями t₂ утка способом трехмерного тканья, как и в полосе 102.

Следует отметить, что нити t₁ утка не проходят в слои нитей основы полосы 104, а нити t₂ утка не проходят в слои нитей основы полосы 102, чтобы обеспечить отсутствие связи между ними.

В показанном примере выполнения тканье является многослойным тканьем, выполняемым с атласным или многослойным атласным переплетением. Могут использоваться другие типы трехмерного тканья, например, многослойное тканье с полотняным или многослойным полотняным переплетением или тканье с «интерлочным» переплетением. Под «интерлочным» тканьем здесь подразумевается переплетение, в котором каждый слой нитей утка связывает несколько слоев нитей основы, причем все нити одной колонки утка смещаются одинаково в плоскости переплетения.

Различные способы трехмерного тканья описаны, в частности, в патентном документе WO 2006/136755, содержание которого включено в данное описание в качестве ссылки.

На фиг.9 показан вид в поперечном сечении параллельно ходу основы и утка на уровне пересечения полосы 102 соединительным участком 140с полосы 104, при этом нити основы этого соединительного участка видны в сечении. В соединительном участке 140с каждый слой нитей основы проходит в направлении, образующем угол α к направлению утка полосы 102. Проход полосы 104 от одной стороны полосы 102 к другой выполнен в ходе тканья путем того, что каждую нить основы полосы 104 пропускают индивидуально через комплект нитей основы и утка полосы 102.

На фиг.10 показан вид в поперечном сечении утка на уровне пересечения полосы 102 соединительным участком 150с полосы 104. В показанном примере выполнения, как уже было указано, соединительный участок 150с проходит перпендикулярно направлению основы полосы 102. Однако, как и для соединительного участка 140с, соединительный участок 150с может проходить под отличным от нуля углом относительно перпендикуляра к направлению основы в зависимости от желаемой ориентации полки.

Утолщение 103 может быть получено путем использования нитей утка большего весового номера и дополнительных слоев нитей утка, как это показано, например, на фиг.11А.

На фиг.11А число слоев нитей утка увеличивается от четырех до семи между участком 102₁ полосы 102, соответствующим стойке лопатки, и участком 102₃ полосы 102, представляющим утолщение 103. Кроме того, использованы нити t₁, t'₁, t''₁ утка различных весовых номеров. При этом, например, нити t₁ являются нитями SiC "Nicalon" весового номера 0,5 К (500 элементарных волокон), нити t'₁ получены объединением двух нитей 0,5 К, а нити t''₁ получены объединением трех нитей 0,5 К.

Тканье на участке 102₃ заготовки требует большего числа нитей в слоях основы, чем на участке 102₁. Это предпочтительно реализуют во время перехода между участками 102₁ и 102₃ посредством уменьшения числа плоскостей основы путем выполнения каждой плоскости основы на участке 102₃ посредством объединения нитей основы двух плоскостей основы участка 102₁. На фиг.11В и 11С показаны две соседние плоскости основы на участке 102₁, а на фиг.11D показана плоскость основы, полученная на участке 102₃ путем объединения двух плоскостей основы по фиг.11В и 11С. В целях упрощения на фиг.11В, 11С и 11D не показаны различные весовые номера нитей основы (как это показано на фиг.7) или нитей утка (как это показано на фиг.11А). Штриховые линии между фиг.11В, 11С с одной стороны и 11D с другой стороны показывают, каким образом нити основы различных слоев на фиг.11В, 11С образуют слои нитей основы на фиг.11D.

Само собой разумеется, что для формирования утолщения 103 могут использоваться различные комбинации числа слоев утка и весовых номеров нитей утка.

Согласно другому примеру осуществления, который схематично показан на фиг.12, утолщение 103 может быть получено путем ввода вставки в процессе тканья полосы 102.

На фиг.12 комплект T₁ слоев нитей утка участка 102₁ полосы 102, соответствующего стойке лопатки, разделен в процессе тканья путем разрыва связей на два субкомплекта Т₁₁, Т₁₂, между которыми введена вставка 103₁. В показанном примере выполнения участок 102₁ имеет толщину больше толщины участка 102₂ полосы 102, соответствующего перу лопатки. Переход между участком 102₂ и участком 102₁ может быть выполнен таким же образом, как это описано выше для перехода между участками 102₁ и 102₃ по фиг.11А. Пересечение полосы 102 полосой 104 на уровне соединительного участка 140с по фиг.2 при определенных условиях может быть выполнено через участок 102₁ большей толщины.

На конце вставки 103₁, противоположном участку 102₁, субкомплекты Т₁₁, Т₁₂ слоев нитей утка вновь соединяются посредством тканья для образования участка 102'₁ такой же толщины, как участок 102₁, а затем, путем уменьшения толщины, участка 102'₂ такой же толщины, как участок 102₂, при этом участок 102'₂ образует участок, соответствующий перу лопатки для следующей тканой стойки.

Предпочтительно вставка 103₁ изготовлена из монолитной керамики, предпочтительно из того же керамического материала, что и материал матрицы композиционного материала подлежащей изготовлению лопатки. Так, вставка 103₁ может представлять собой блок SiC, полученный спеканием порошка SiC.

Как показано очень схематично на фиг.13, множество волокнистых заготовок 100 могут быть получены посредством тканья полосы 300, в которой сформирован один или больше рядов последовательных волокнистых заготовок. Зоны 310, 320 припусков выполнены в направлении основы (только нити основы) и в направлении утка (только нити утка), чтобы избежать образования кромок ткани, обеспечить наибольшую свободу деформации в процессе формования преформ и организовать зоны перехода между заготовками 100.

На фиг.14 показан вариант осуществления, согласно которому изготавливают полосу 400 с рядом заготовок 100, вытканных в направлении утка перпендикулярно продольному направлению полосы. Зоны 410, 420 припусков также организованы в направлении основы и в направлении утка. Могут быть вытканы несколько рядов заготовок 100 при подборе соответствующей ширины полосы 400.

Последовательные этапы способа изготовления лопатки из композиционного материала согласно примеру осуществления изобретения указаны на фиг.15.

На этапе 501 способом трехмерного тканья ткут волокнистую полосу, содержащую множество волокнистых заготовок, например несколько рядов волокнистых заготовок, ориентированных в направлении основы, как это показано на фиг.13. Для лопаток турбомашины, предназначенных для использования при высокой температуре и особенно в коррозионной среде (во влажной среде), для тканья используют нити из керамических волокон, в частности из карбида кремния (SiC).

На этапе 502 волокнистую полосу обрабатывают для удаления замасливания на волокнах и оксида на поверхности волокон. Удаление оксида производят кислотной обработкой, а именно погружением в ванну фтористо-водородной (плавиковой) кислоты. Если замасливание не устраняется кислотной обработкой, осуществляют предварительное удаление замасливания, например, разложением замасливания краткой термообработкой.

На этапе 503 на волокнах волокнистой полосы формируют тонкий слой межфазного покрытия способом химической инфильтрации газовой фазы (CVI - Chemical Vapor Infiltration). Материалом межфазного покрытия может быть, например, пиролитический углерод или пироуглерод, нитрид бора (BN) или легированный бором углерод (ВС, содержащий, например, от 5 до 20% В, остальное - С). Предпочтительно тонкий слой межфазного покрытия имеет малую толщину, например не более 100 нм, более предпочтительно не более 50 нм, чтобы сохранить хорошую способность волокнистых заготовок к деформации. Предпочтительно толщина составляет, по меньшей мере, 10 нм.

На этапе 504 волокнистую полосу, волокна которой покрыты тонким межфазным покрытием, пропитывают закрепляющей композицией, в характерном случае - полимером, который, необязательно, может быть растворен в растворителе. Может использоваться полимер - предшественник углерода, например фенольная или фурановая смола, или полимер - предшественник керамики, например полисилазановая смола или полисилоксановый предшественник SiC.

После сушки посредством удаления необязательно присутствующего растворителя (если он присутствует) полимера (этап 505) может выполняться предварительное образование сетчатой структуры или сшивание (этап 506). Предварительное или неполное сшивание позволяет повысить жесткость, а следовательно, и прочность в то же время с сохранением способности к деформации, необходимой для изготовления преформ лопаток.

На этапе 507 отрезают индивидуальные волокнистые заготовки, показанные на фиг.3.

На этапе 508 отрезанной волокнистой заготовке придают форму (как показано на фиг.4 и 5) и помещают ее в форму, например, графитовую для придания формы части преформы пера с хвостовиком и частей преформы площадки и полки.

Далее заканчивают сшивание полимера (этап 509) и сшитый полимер подвергают пиролизу (этап 510). Сшивание и пиролиз могут проводиться последовательно путем последовательного повышения температуры в форме.

После пиролиза получают волокнистую преформу, упрочненную остатком пиролиза. Количество закрепляющего полимера выбирают таким, чтобы остаток пиролиза связывал волокна преформы достаточным образом для проведения с ней операций при сохранении ее формы без помощи оснастки. При этом следует заметить, что количество закрепляющего полимера предпочтительно выбирают по возможности минимальным.

Этапы удаления замасливания, кислотной обработки и формирования межфазного покрытия для подложек из волокон SiC известны. В этом отношении можно сослаться на патентный документ US 5071679.

Второй межфазный слой формируют способом химической инфильтрации газовой фазы (этап 511) для получения в целом поверхности раздела фаз волокна-матрица, имеющей достаточную толщину для того, чтобы обеспечить выполнение функции устранения хрупкости композиционного материала. Второй межфазный слой может состоять из материала, выбранного из пироуглерода (РуС), BN и ВС, при этом он не обязательно должен быть таким же, как первый межфазный слой, а его толщина предпочтительно составляет, по меньшей мере, 100 нм.

Выполнение поверхности раздела фаз из двух слоев, как это указано выше, предпочтительно. Оно описано во французской патентной заявке №08/54937, принадлежащей заявителю по данному изобретению.

Далее выполняют уплотнение упрочненной преформы матрицей. Для лопатки турбомашины, предназначенной для использования при высокой температуре и, в особенности, в коррозионной среде, матрица является керамической, например, из SiC. Уплотнение может производиться способом химической инфильтрации газовой фазы. В этом случае формирование второго межфазного слоя и уплотнение матрицей могут проводиться последовательно в одной печи.

Уплотнение может осуществляться в два отдельных последовательных этапа (этапы 512 и 514), разделенных этапом 513 механической обработки лопатки до желаемых размеров.

Следует отметить, что предварительная механическая обработка может производиться между этапами 509 и 510, то есть после сшивания и до пиролиза полимера.

Последовательные этапы способа изготовления лопатки из композиционного материала согласно другому примеру осуществления изобретения указаны на фиг.16.

Этап 601 трехмерного тканья волокнистой полосы, содержащей множество волокнистых заготовок, и этап 602 обработки для удаления замасливания и оксида подобны этапам 501 и 502 в примере осуществления по фиг.15.

На этапе 603 индивидуальные волокнистые заготовки отрезают от волокнистой полосы и затем придают форму каждой индивидуальной волокнистой заготовке в форме или в фиксирующем приспособлении (этап 604) для получения волокнистой преформы лопатки путем придания формы части преформы пера с хвостовиком и частям преформы площадки и полки.

На этапе 605 на волокнах преформы, удерживаемой в фиксирующем приспособлении, формируют межфазное покрытие для устранения хрупкости способом химической инфильтрации газовой фазы. В качестве примера материалом межфазного покрытия может быть пироуглерод, BN или ВС. Толщина межфазного покрытия составляет примерно несколько сотен нанометров.

Далее, удерживая преформу в фиксирующем приспособлении, проводят упрочнение преформы путем частичного уплотнения (этап 606), при этом упрочнение осуществляют путем формирования керамического отложения на волокнах способом химической инфильтрации газовой фазы.

Формирование межфазного покрытия способом химической инфильтрации газовой фазы и упрочнение посредством осаждения керамики способом химической инфильтрации газовой фазы может производиться последовательно в одной печи для данного способа.

Предпочтительно фиксирующее приспособление изготовлено из графита и имеет отверстия, которые облегчают проход реакционноспособных газовых фаз, обеспечивающих осаждение межфазного слоя и керамики способом химической инфильтрации газовой фазы.

Когда упрочнение достаточно для проведения с преформой операций при сохранении ее формы без помощи оснастки, упрочненную преформу вынимают из фиксирующего приспособления и проводят ее уплотнение керамической матрицей способом химической инфильтрации газовой фазы. Уплотнение может проводиться в два последовательных этапа (этапы 607 и 609), разделенных этапом 608 механической обработки лопатки до желаемых размеров.

В приведенном выше описании предполагалось выполнение профиля лопатки переменной толщины путем использования нитей различных весовых номеров и/или переменной плотности переплетения. В варианте осуществления возможно выполнение части волокнистой заготовки, которая соответствует части преформы для пера лопатки, с помощью определенного числа слоев нитей одного весового номера и с постоянной плотностью переплетения. При этом изменение толщины профиля осуществляется в процессе механической обработки после первого этапа уплотнения или в процессе предварительной механической обработки упрочненной преформы лопатки.

Кроме того, в зависимости от ожидаемых условий эксплуатации лопатки волокна волокнистого каркаса лопатки могут быть из отличного от керамики материала, например из углерода, или матрица может быть из отличного от керамики материала, например из углерода или из полимера. Разумеется, изобретение применимо также для изготовления лопаток из композиционного материала с органической матрицей.

Изобретение относится к способу изготовления лопатки турбомашины из композиционного материала, к лопатке турбомашины из композиционного материала и к турбомашине, оснащенной лопаткой. Согласно способу изготавливают волокнистую заготовку в виде единой детали посредством трехмерного тканья. Придают волокнистой заготовке формы для получения волокнистой преформы в виде единой детали, содержащей первую часть, образующую преформу пера и хвостовика лопатки, и, по меньшей мере, одну вторую часть, образующую преформу площадки или полки лопатки. Уплотняют преформу матрицей для получения лопатки из композиционного материала, содержащего образованный преформой волокнистый каркас и уплотненного матрицей, причем лопатка образует одну деталь с выполненными заодно с ней площадкой и/или полкой. Волокнистую заготовку в виде единой детали ткут так, что она содержит первую часть, которая составляет, после придания формы, первую часть волокнистой преформы, и вторую часть, которая составляет, после придания формы, вторую часть волокнистой преформы. Изобретение обеспечивает повышение механических свойств в лопатке, имеющей сложную форму. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 20 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления лопатки турбомашины из композиционного материала, содержащего волокнистый каркас, уплотненный матрицей, содержащий этапы:
- изготовление волокнистой заготовки в виде единой детали посредством трехмерного тканья,
- придание волокнистой заготовке формы для получения волокнистой преформы в виде единой детали, содержащей первую часть, образующую преформу пера и хвостовика лопатки, и, по меньшей мере, одну вторую часть, образующую преформу площадки или полки лопатки, и
- уплотнение преформы матрицей для получения лопатки из композиционного материала, содержащего образованный преформой волокнистый каркас и уплотненного матрицей, причем лопатка образует одну деталь с выполненными заодно с ней площадкой и/или полкой,
причем волокнистую заготовку в виде единой детали ткут так, что она содержит:
первую часть, которая составляет, после придания формы, первую часть волокнистой преформы, и
вторую часть, которая составляет, после придания формы, вторую часть волокнистой преформы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в продольном направлении волокнистой заготовки, соответствующем продольному направлению подлежащей изготовлению лопатки, волокнистая заготовка содержит первый комплект множества слоев нитей, которые связаны между собой с образованием первой части заготовки, соответствующей преформе пера и хвостовика лопатки, и второй комплект множества слоев нитей, которые связаны между собой, по меньшей мере, локально, с образованием, по меньшей мере, одной второй части заготовки, соответствующей преформе площадки или полки лопатки, при этом нити первого комплекта слоев нитей не связаны с нитями второго комплекта слоев нитей, а первый комплект слоев нитей пересекается нитями второго комплекта слоев нитей на уровне расположения второй или каждой второй части заготовки.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что волокнистую заготовку ткут со вторым непрерывным комплектом слоев нитей, а придание формы волокнистой заготовке включает удаление посредством отрезания частей второго комплекта слоев нитей за пределами второй или каждой второй части волокнистой заготовки.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в месте расположения или, по меньшей мере, в одном из мест расположения, где первый комплект слоев нитей пересекается нитями второго комплекта слоев нитей, пересечение между слоем нитей первого комплекта и слоем нитей второго комплекта следует по линии, не перпендикулярной продольному направлению волокнистой заготовки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первой части волокнистой заготовки и в направлении, соответствующем направлению длины профиля пера переменной толщины подлежащей изготовлению лопатки, число слоев нитей в первом комплекте слоев нитей постоянно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нити первого комплекта слоев нитей имеют переменный весовой номер.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что плотность переплетения нитей первого комплекта слоев нитей является переменной.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что посредством трехмерного тканья изготавливают полосу, содержащую последовательность волокнистых заготовок.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки ткут с их продольным направлением, соответствующим продольному направлению подлежащих изготовлению лопаток, в направлении утка.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовки ткут с их продольным направлением, соответствующим продольному направлению подлежащих изготовлению лопаток, в направлении основы.

11. Лопатка турбомашины из композиционного материала, содержащего волокнистый каркас, полученный посредством трехмерного тканья нитей и уплотненный матрицей, отличающаяся тем, что лопатка содержит первую составную часть пера и хвостовика лопатки, образующую единую деталь, по меньшей мере, с одной второй составной частью площадки или полки лопатки, при этом две части волокнистого каркаса, соответствующие первой и второй части лопатки, переплетены, по меньшей мере, частично, так что нити первой части волокнистого каркаса проникают во вторую часть волокнистого каркаса.

12. Лопатка по п.11, отличающаяся тем, что изготовлена из композиционного материала с керамической матрицей.

13. Лопатка по п.11, отличающаяся тем, что нити, образующие часть волокнистого каркаса, соответствующую второй части лопатки, пересекают часть волокнистого каркаса, соответствующую первой части лопатки.

14. Лопатка по п.11, отличающаяся тем, что перо лопатки имеет профиль переменной толщины, вдоль которого часть волокнистого каркаса, соответствующая первой части лопатки, имеет постоянное число слоев нитей, проходящих в продольном направлении лопатки и имеющих переменный весовой номер и/или переменную плотность переплетения.

15. Лопатка по п.11, отличающаяся тем, что перо лопатки имеет профиль переменной толщины, вдоль которого часть волокнистого каркаса, соответствующая первой части лопатки, имеет переменное число слоев нитей, проходящих в продольном направлении лопатки.

16. Турбомашина, оснащенная лопаткой, изготовленной способом по любому из п.п.1-10.

17. Турбомашина, оснащенная лопаткой по любому из п.п.11-15.