ДЕТАЛЬ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2021 года по МПК C04B35/80 B29C70/30 

Уровень техники

Изобретение относится к деталям из композитного материала, а также к способам получения таких деталей.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области изготовления конструкционных деталей из композитного материала с волокнистым элементом упрочнения и матрицей из смолы. Такие детали находят применение во многих областях, в частности, в авиационной области. Частным примером может служить изготовление корпусов газотурбинных двигателей. Уплотнение волокнистой структуры элемента упрочнения посредством матрицы из смолы достигается любым известным способом, например, путём трансферного формования смолы (способ RTM = Resin Transfer Moulding).

Другой областью применения изобретения является изготовление деталей из композитного термоструктурного материала, т.е. материала, обладающего механическими свойствами, которые делают его пригодным для изготовления конструктивных элементов и обладающего способностью сохранять эти свойства при повышенных температурах. Термоструктурными композитными материалами являются обычно композитные материалы углерод/углерод (С/С) с волокнистым элементом упрочнения из углерода, уплотнённого углеродной матрицей, а также композитные материалы с керамической матрицей (СМС) с волокнистым жаропрочным элементом упрочнения (углеродным или керамическим), уплотнённым керамической матрицей. Детали из термоструктурного композитного материала применяются, в частности, в авиационной и космической областях. Уплотнение волокнистой структуры элемента упрочнения образующим матрицу материалом может производиться посредством химической инфильтрации в газовой фазе (CVI = Chemical Vapor Infiltration = химическая инфильтрация из паровой фазы) или же жидким способом, что само по себе хорошо известно. Уплотнение жидким способом состоит в пропитке волокнистой структуры жидкой композицией с содержанием предшественника, образующего матрицу материала, обычно смолы, при этом преобразование предшественника проводится посредством термообработки.

Известно применение деталей из композитного материала, образованных из стопки предварительно пропитанных слоёв. Для формования такого типа деталей можно сначала уложить друг на друга множество уже предварительно пропитанных волокнистых слоёв, затем произвести полимеризацию смолы, присутствующей в стопке, термообработкой в автоклаве. В качестве варианта волокнистые слои могут быть уложены друг на друга в сухом состоянии, затем может быть подана смола способом RTM или путём инъекции. После этого введённую смолу полимеризуют термообработкой. Однако такие слоистые структуры могут и не обладать оптимальными механическими свойствами.

Действительно, слоистые структуры (0°, 90°) могут не полностью передавать поперечные нагрузки или сдвиг между слоями, в частности, из-за краевых эффектов, вызывающих преждевременное начало расслоения и последующее разрушение структуры.

С целью снижения такой чувствительности к расслоению можно применять так называемые слоистые квазиизотропные структуры, содержащие слои под углом 45°, предназначенные, в частности, для уменьшения краевых эффектов и задержки начала расслоения.

Однако преимущество композитных материалов состоит в наличии волокон, расположенных в направлении действия усилий, и в том, что жесткость им придана в том же направлении. Упомянутые выше квазиизотропные слоевые структуры не позволяют увеличить до максимума количество волокон в данном направлении и, таким образом, их механические свойства могут быть улучшены.

Следовательно, существует необходимость в наличии новых деталей из композитного материала с улучшенными механическими свойствами.

Раскрытие сущности изобретения

Для этой цели изобретением, согласно его первому аспекту, предложена деталь из композитного материала, содержащего, по меньшей мере:

- предварительно отформованную волокнистую заготовку, содержащую, в частности, стопку, по меньшей мере, из двух волокнистых слоёв, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением и содержит количество слоёв из основных нитей или слоёв из уточных нитей, превышающее или равное 3,

- матрицу в порах предварительно отформованной волокнистой заготовки.

Под «трёхмерной тканью» или «3D тканью» подразумевается в данном случае ткань, в которой, по меньшей мере, некоторые из основных нитей связывают уточные нити на нескольких слоях утка. Под «интерлочным переплетением» здесь подразумевается переплетение трёхмерного ткачества, при котором каждый слой основы связывает несколько уточных слоёв со всеми нитями одной и той же системы основных нитей при том же движении в плоскости переплетения. При описании трёхмерной ткани и интерлочной ткани возможна инверсия ролей между основой и утком, и это защищёно формулой изобретения.

Согласно изобретению стопка образуется при наложении друг на друга множества волокнистых слоёв и, следовательно, она отличается от стопки, полученной путём свёртывания одного волокнистого слоя. Таким образом, нити первого волокнистого слоя стопки не простираются во второй волокнистый слой стопки, отличающейся от первой. В частности, слои стопки не переплетены между собой.

Изобретение основано на применении, в волокнистом элементе упрочнения детали, особой стопки волокнистых слоёв, позволяющей, с одной стороны, контролировать механизмы трещинообразования и, с другой стороны, исключать явление расслоения во время работы детали.

Вследствие того, что каждый слой содержит, по меньшей мере, три слоя основных или уточных нитей, и что тканьё является трёхмерным тканьем интерлочного типа, становится возможным характеризовать их, как повреждаемые. В повреждаемом слое любые образующиеся в матрице трещины имеют ограниченное распространение, при этом распространению этих трещин препятствуют соседние волокна.

Авторами изобретения были проведены разные испытания с целью оценки прочности разных типов волокнистых элементов упрочнения, при этом были сделаны следующие выводы. В том случае, когда волокнистый элемент упрочнения образован одной стопкой слоёв из двухмерной ткани (не относится к изобретению), то энергия, необходимая для распространения трещины в детали, является относительно малой и составляет от около 500 до 600 Дж/м². Распространение трещин в таких структурах может происходить относительно легко и вызывать преждевременное расслоение слоистой структуры. Было проведено другое испытание, при котором волокнистый элемент упрочнения был образован только одним слоем из трёхмерной ткани (не относится к изобретению). Это испытание позволило решить проблему, связанную с расслоением, и увеличить энергию для того, чтобы трещина распространялась при значениях порядка 4000 Дж/м². В этом случае распространение трещин ведёт к повреждению слоя. В изобретении применяется стопка, по меньшей мере, из двух волокнистых слоёв, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением. В изобретении получают особо высокие показатели для энергии распространения трещин, составляющие свыше 6000 Дж/м². Следовательно изобретение позволяет получить не расслаиваемый волокнистый элемент упрочнения, максимально ограничивающий распространение трещин и придающий материалу улучшенные механические свойства. Таким образом, неожиданно было установлено, что стопка из трёхмерных волокнистых слоёв согласно изобретению позволяет существенно увеличить механическую прочность детали по сравнению с применением детали из одного трёхмерного волокнистого элемента упрочнения.

Таким образом, детали согласно изобретению обладают существенно улучшенными механическими свойствами при одинаковом весе, даже при меньшем весе, по сравнению с известными из уровня техники деталями. Расположение нескольких волокнистых слоёв в виде стопки для образования предварительно сформованной волокнистой заготовки имеет то дополнительное преимущество, что могут формироваться крупноразмерные детали, которые трудно произвести трёхмерным ткачеством монолитного волокнистого блока.

В примере осуществления предварительно отформованная волокнистая заготовка может содержать, по меньшей мере, три волокнистых слоя.

В примере осуществления, по меньшей мере, один из уложенных волокнистых слоёв может содержать нити разных титров. Например, каждый из уложенных волокнистых слоёв может содержать нити разных титров.

Изменение титра содержащихся в уложенных волокнистых слоях нитей может, например, обеспечить получение местного утолщения в одной или нескольких зонах предварительно отформованной волокнистой заготовки.

В примере осуществления количество уложенных волокнистых слоёв может быть постоянным во всей зоне, занятой стопкой.

В примере осуществления количество уложенных волокнистых слоёв может изменяться в зоне, занятой стопкой.

Например, изменение числа уложенных волокнистых слоёв может позволить получить местное утолщение в одной или нескольких зонах предварительно отформованной волокнистой заготовки.

В примере осуществления деталь может служить корпусом авиационного двигателя.

Также целью настоящего изобретения является способ получения охарактеризованной выше детали, включающий в себя следующий этап:

- образование матрицы в порах предварительно отформованной волокнистой заготовки, содержащей, в частности, состоящей из стопки, по меньшей мере, двух волокнистых слоёв, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани интерлочного переплетения и содержит количество слоёв основных нитей или слоёв уточных нитей, превышающее или равное 3.

Матрица может быть образована, например, нагнетанием смолы в поры предварительно отформованной волокнистой заготовки.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения вытекают из описания частных вариантов осуществления изобретения, приведённых в качестве неограничивающих примеров со ссылкой на приложенные чертежи.

На фиг. 1 показан очень схематично и не полно первый пример выполнения предварительно отформованной заготовки, пригодной для образования волокнистого элемента упрочнения детали согласно изобретению;

на фиг. 2 показано переплетение при трёхмерном интерлочном тканье, вид в плане;

на фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая разные этапы способа получения детали из композитного материала согласно изобретению;

на фиг. 4 показан очень схематично и не полно второй пример выполнения предварительно отформованной волокнистой заготовки, пригодной для образования волокнистого элемента упрочнения детали согласно изобретению.

Осуществление изобретения

Областью применения изобретения являются, в частности, детали из композитного материала с матрицей типа смолы в случае композитных материалов, применяемых при относительно низкой температуре, обычно достигающей 300°С, или из жаропрочного материала, такого, как углерод, или из керамического материала в случае, когда композиты являются термоструктурными.

На фиг. 1 показана стопка 1 из трёх разных волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2_3, образующих предварительно отформованную заготовку, пригодную для создания волокнистого элемента упрочнения, согласно одному из примеров выполнения детали согласно изобретению. При этом каждый из волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃ выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением и содержит количество слоёв из основных нитей или слоёв из уточных нитей, превышающее или равное 3. Возможно, что, по меньшей мере, один из волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃, и даже каждый из них, содержит одновременно количество слоёв из основных нитей, превышающее или равное 3, и количество слоёв из уточных нитей, превышающее или равное 3. Предпочтительно, чтобы волокна каждого из волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃ располагались по существу в одном направлении. Между двумя смежными волокнистыми слоями 2₁, 2₂ и 2₃ может присутствовать или не присутствовать однонаправленный волокнистый слой. Волокнистые слои 2₁, 2₂ и 2₃ не переплетены между собой. Волокнистые слои 2₁, 2₂ и 2₃ не переплетены между собой по всей ширине и по всей длине предварительно отформованной волокнистой заготовки. Следовательно, предварительно отформованная волокнистая заготовка не содержит зоны, в которой нитевой слой первого слоя переплетён с нитевым слоем второго слоя, отличающегося от первого слоя. В частности, во всей предварительно отформованной волокнистой заготовке ни один из слоёв из основных нитей первого слоя не переплетён со слоем из основных нитей второго слоя. Во всей предварительно отформованной волокнистой заготовке ни один из слоёв из уточных нитей первого слоя не переплетён со слоем из уточных нитей второго слоя.

Как упомянуто выше, стопка 1, как показано, получена наложением друг на друга множества волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃ и, следовательно, она отличается от стопки, получаемой свёртыванием одного волокнистого слоя.

Каждый из уложенных волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃ выполнен из интерлочной ткани. На фиг. 2 показан вид в плане на интерлочное переплетение с 7 слоями основы и 8 слоями утка, пригодными для формирования уложенных волокнистых слоёв 2₁, 2₂ и 2₃. В показанном интерлочном переплетении слой утка Т образован двумя смежными половинными слоями утка t, смещёнными относительно друг друга в направлении основы. Следовательно, имеется 16 половинных слоёв утка, расположенных в шахматном порядке. Каждая основа соединяет между собой 3 половинных слоя утка. Возможно также расположение утка не в шахматном порядке, тогда уточные нити двух соседних уточных слоёв будут располагаться в линию на одних системах. Пригодные к применению переплетения тканья типа интерлок описаны в источнике WO 2006/136755.

Волокна, образующие уложенные волокнистые слои, могут состоять, например, из керамического материала, например, карбида кремния, углерода, оксида, например, глинозёма. Волокна, образующие уложенные волокнистые слои 2₁, 2₂ и 2₃, могут иметь одинаковое происхождение. В качестве варианта уложенные волокнистые слои 2₁, 2₂ и 2₃ могут содержать волокна разной химической природы. В показанном примере количество уложенных волокнистых слоёв остаётся постоянным во всей занятой стопкой зоне, в данном случае оно равно трём.

В показанном примере стопка 1 содержит три уложенных волокнистых слоя 2₁, 2₂ и 2₃. Само собой разумеется, что изобретения не выходит за рамки в том случае, когда стопка содержит два волокнистых слоя или же более трёх волокнистых слоёв.

На фиг. 3 приведена блок-схема для примера на способ получения детали согласно изобретению. На первом этапе 10 укладывают, по меньшей мере, два волокнистых слоя, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением и содержит количество слоёв из основных нитей или слоёв из уточных нитей, превышающее или равное 3. Уложенные слои не переплетены между собой. На этапе 10 слои могут укладываться в сухом состоянии и располагаться в литейной форме для формования предварительной волокнистой заготовки. В таком случае смола нагнетается в поры предварительно отформованной волокнистой заготовки на этапе 20, причём после этого смолу полимеризуют на этапе 30 посредством термообработки с целью формирования матрицы в порах предварительно отформованной волокнистой заготовки. В качестве варианта можно укладывать предварительно пропитанные волокнистые слои и проводить термическую обработку для получения детали согласно изобретению.

На фиг. 4 показан другой пример стопки 1’ волокнистых слоёв 2₁, 2₂, 2₃ и 2₄, образующих предварительно отформованную волокнистую заготовку, пригодную для образования волокнистого элемента упрочнения для детали согласно изобретению. Показанный на фиг. 4 пример, касающийся стопки 1’, содержит на первом участке 3 стопки количество уложенных волокнистых слоёв (четыре волокнистых слоя), отличающееся от второго участка 4 стопки, на котором имеется только три волокнистых слоя. Такие изменения количества волокнистых слоёв в стопке 1’ могут, как изображено, обеспечить получение местного утолщения.

Выражение «составляет от … до …» или «от … до …» следует понимать как выражение, содержащее ограничения.

Изобретение относится к детали из композитного материала, представляющей собой корпус авиационного двигателя. Композиционный материал содержит, по меньшей мере, предварительно отформованную волокнистую заготовку, образующую волокнистый упрочняющий элемент, состоящий из стопки по меньшей мере двух волокнистых слоёв, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением и содержит количество слоёв основных нитей или слоёв уточных нитей, превышающее или равное 3, а также матрицу в порах предварительно отформованной волокнистой заготовки. Технический результат изобретения – повышение прочности детали из композиционного материала за счёт устранения растрескивания и расслоения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Корпус авиационного двигателя из композитного материала, содержащий, по меньшей мере:

- волокнистую заготовку, образующую волокнистый элемент упрочнения, содержащий стопку из по меньшей мере двух волокнистых не сплетённых между собой слоев, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани с интерлочным переплетением и содержит количество слоёв из основных нитей или слоёв из уточных нитей, превышающее или равное 3,

- матрицу, присутствующую в порах волокнистой заготовки.

2. Корпус по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из уложенных волокнистых слоёв содержит нити разных титров.

3. Корпус по п. 1 или 2, отличающийся тем, что количество уложенных волокнистых слоёв является постоянным по всей зоне, занятой стопкой.

4. Корпус по п. 1 или 2, отличающийся тем, что количество уложенных волокнистых слоёв изменяется в зоне, занятой стопкой.

5. Способ получения корпуса авиационного двигателя по любому из пп. 1–4, включающий в себя следующие этапы:

- формирование матрицы в порах волокнистой заготовки, содержащей стопку по меньшей мере из двух волокнистых не переплетённых между собой слоёв, каждый из которых выполнен из трёхмерной ткани интерлочного переплетения и содержит количество слоёв основных нитей или слоёв уточных нитей, превышающее или равное 3.