CN100594110C - 用于制造增强复合材料的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成增强基体复合材料部件的模制工具(100)，包括主体(105)。主体(105)包括能够容纳一部分复合材料预型件(301)的主体表面。第一端板(101)和第二端板(103)连接在主体(105)上，并且包括设置成垂直于该主体表面的大致平面表面。第一(119)组和第二(121)组板(107)连接在相邻于该主体表面的第一(101)和第二(103)端板上，并且具有一定的几何形状，该几何形状包括由第一(119)组和第二(121)组板(107)限界的第一和第二空腔(203)以及第一(101)和第二(103)端板。第一和第二空腔(203)能够容纳一部分复合材料预型件(301)。第二空腔(203)与第一空腔(203)流体连通，第一空腔(203)与真空源(117)流体连通。

Description

用于制造增强复合材料的装置
技术领域
本申请涉及与2004年12月22日提交的转让给本发明受让人的专利申请“用于制造增强复合材料的方法”同时地申请的专利申请No.11/021804(代理人档案号为133632(07783-0213))，该申请通过引用而完整地结合于本文中；本申请还涉及与2004年12月22日提交的转让给本发明的受让人的申请“增强基体复合材料的容纳导管”同时地申请的专利申请No.11/021805(代理人档案号为161341(07783-0215))，该申请通过引用而完整地结合于本文中。
本发明涉及一种用于制造复合材料的装置。更具体而言，本发明涉及一种用于制造增强基体复合材料的装置。
背景技术
航空发动机设计持续地要求航空发动机的构件为轻质材料，以提供航空器的燃料效率和推力性能。在过去，航空器构件由钢制成。然而，钢比较重，现在已由轻质高强材料如铝或钛等来代替。生产轻质零件的进一步进展导致非金属材料的出现，例如嵌入聚酰亚胺树脂中的石墨纤维。复合材料是包括基体材料内的嵌入纤维的材料。纤维提供了对基体材料的增强。在嵌入基体中之前的纤维结构一般称为预型件。嵌入聚酰亚胺树脂内的石墨纤维具有一些缺点，包括，将材料模制成部件的困难性、高度多孔性、微裂纹、分层，以及昂贵的设备和工艺。
用于燃气轮机中的复合材料风道需要具有高强度的法兰和基本上没有起皱和波纹的复合材料。
石墨环氧树脂复合材料风道可利用交迭工具来制造，这种工具公开于授予Pratt的美国专利5145621(′621专利)中，其通过引用而完整地结合于本文中。在′621专利中，织造石墨纤维预型件安装在大卷轴上，以形成石墨环氧树脂复合材料的风道。纤维设置成可在卷轴的任一端处提供法兰。卷轴的形状大致限定了完成复合材料的最终形状。交迭工具拉紧卷轴上的石墨纤维以提供张力。该工具通过使用复杂的十字叉架工具来拉纤维，该十字叉架工具环绕着纤维的法兰部分，并在与三个独立真空密封外壳组合在一起时提供了压力。′621专利中所公开的交迭工具和方法的缺点包括复杂的工艺，以及难于使用的昂贵工具。
石墨环氧树脂复合材料风机外罩也可通过模制系统由弹性体材料制成，以有助于在制造期间在增强材料层片上施加力，如授予Desautels等人的美国专利5597435(′435专利)中所公开，该专利通过引用而完整地结合于本文中。为了生产复合材料基体，将未固化的纤维-增强预浸渍层片(即层片)安装在模具上。预浸渍层片是在安装于模具上之前浸渍有未固化的基体材料的层片。迫压件和限制件设在层片上以将层片保持就位。迫压件设在限制件和模具上的层片之间。将模具、层片、限制件和迫压件放入炉中进行加热。当组件加热时，迫压件均匀地膨胀，均匀的压力就施加在层片上。结果，层片在温度上升时受压。′435专利工艺具有的缺点在于，它仅仅将材料形成一个整体，而未拉紧织物以提供可使完成复合材料具有高强度和均匀性的纤维定向。
用于将基体材料浸渍成增强纤维预型件的现有方法包括，将基体材料膜层放在增强纤维预型件层之上或之中，以覆盖全部或大部分预型件。对整个预型件进行涂覆，使得在加热树脂熔融相的过程中，基体材料熔融，并且流过预型件的厚度以便浸渍该预型件。浸渍利用单层或多层树脂膜来进行。将树脂膜施加在增强纤维预型件的整个表面上。或者，基体材料可被编织在预型件层之间，以便覆盖整个增强纤维预型件层。将树脂层全覆盖在预型件上会夹带可形成空隙(即空隙空间)的空气以及来自于基体材料或其它气体的挥发性材料，这会在固化部件的主体中形成非所需的孔隙。尤其在更复杂部件中的部件特征处或附近，多孔性是不合要求的。这类特征包括复合材料的从部件平面段延伸的那部分。特征性的示例包括燃气轮机部件中的加强段或嵌件。来自于固化增强基体复合材料中的空隙空间的多孔性会降低部件的机械性能，并且会产生不可接受的表面特征，例如点蚀。增强纤维预型件的完全覆盖所具有的另外缺点在于，该方法难于实施，并且需要大量的时间来进行涂覆，因为树脂必须涂覆在预型件的整个表面积上。
本发明通过提供一种可形成纤维增强基体复合材料、同时没有现有技术的缺点的方法和工具，来解决现有技术的问题。
发明内容
本发明是用于形成燃气轮机所用的、包括主体的增强基体复合材料部件的模制工具。该主体包括第一端、第二端和能够容纳复合材料预型件第一部分的主体表面。第一端板可释放地固定在主体的第一端上，并且具有设置成垂直于主体表面的大致平面表面。第二端板连接在主体的第二端上，并且具有垂直于主体表面的大致平面表面。第一组板连接在第一端板的第一表面上。第一组板包括设置成相邻于主体表面的至少一个第一板。第二组板连接在第二端板的第一表面上。第二组板包括相邻于主体表面的至少一个第二板。第一板和第二板可释放地固定，并且包括大致平面的第一板表面和大致平面的第二板表面。第一板和第一端板具有一定的几何形状，其包括由第一板和第一端板限界的第一空腔。第二板和第二端板具有一定的几何形状，其包括由第一板和第一端板限界的第二空腔。第一和第二空腔具有足以容纳复合材料预型件第二部分的体积。第二空腔流体式连接在第一空腔上。第一空腔与真空源流体连通。
本发明的方法和工具可形成轻质增强基体复合材料，其适用作复合材料容纳导管，例如风机外罩，其中该复合材料具有高的强度和均匀性。
本发明的方法尤其适用于制造用于燃气轮机的涡轮机翼型构件。特别是，本发明的方法适用于制造复合材料容纳导管，例如风机外罩。本发明的优点在于，本发明允许制造复合材料容纳导管，其能够包含在操作期间从燃气轮机上松脱的风机叶片。
本发明的方法和工具尤其适用于制造大的复合材料部件，包括直径大于约5英尺的圆柱形部件，包括直径为约10英尺的部件。本发明的优点在于，这种工具和方法能够制造大的部件，例如大的复合材料风机外罩，同时保留容纳性能、更轻的重量、高的强度以及整个部件上的更佳均匀性。
本发明的方法和工具提供了一种用于制造具有完成产品形状的纤维增强基体复合材料的方法，这种材料在安装之前几乎不或者完全不需要进行修边。本发明的优点在于，这种工具和方法以在安装和使用之前几乎不或者完全不需要额外步骤的方式来生产部件。减少或消除另外的步骤会减少用于制造的成本和时间。
本发明的方法和工具提供了一种用于制造纤维增强基体复合材料的方法，这种材料具有高的成分均匀性和较少的缺陷，例如多孔性和起皱。均匀的成分和较少的缺陷就允许用于较少废弃和/或修复的部件。较少废弃和/或修复的部件就允许用于以较低成本来制造复合材料部件，包括大的复合材料部件。
本发明的方法和工具提供了一种用于利用简单、便宜的设备来制造纤维增强基体复合材料的方法。另外，工具取出部件几乎不或者完全不需要另外拆下工具。本发明的优点在于，制造纤维增强复合材料容纳导管所需的设备和人工成本得以降低，因为设备比较便宜，并且在部件的制造期间不需要大规模的装配或拆卸。
本发明的方法和工具提供了一种用于制造纤维增强基体复合材料的方法，其中，该工艺只需要单个真空密封外壳。本发明的优点在于，该工具和方法采用可提供制造纤维增强复合材料容纳导管所需的必要容纳效应和作用力的单一真空密封外壳，而无需使用多个真空密封外壳。单一密封外壳的使用提供了更均匀的真空施加，并且与多个密封外壳相比，所需要的装配和拆卸更少。
从以下结合附图对优选实施例的描述中，可以清楚本发明的其它特征和优点，附图以示例的方式显示了本发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明的工具的透视图。
图2是根据本发明的工具的侧视图。
图3和4是根据本发明工具的第一部分的可选实施例的剖视图。
图5是根据本发明工具的第二部分的剖视图。
图6至9显示了利用根据本发明工具进行的复合材料形成方法的各阶段。
图10是根据本发明的基体材料分布系统的示意图。
图11是根据本发明的复合材料容纳导管的透视图。
零部件清单
图1
100复合材料导管成形工具
101第一端板
103第二端板
105工具主体
107法兰垫板
108法兰垫板接缝
109容器
111应力释放紧固件
113虹吸管
115真空管线
117真空源
119第一组法兰垫板
121第二组法兰垫板
图2
201通道
203空腔
205工具主体的内表面
图3
301纤维织物预型件
303树脂分布通道
305法兰部分
图4
401虹吸管凹口
403基体材料分布通道
405容器通道
图5
501虹吸管凹口
503树脂排出管
505第二端板紧固件
图6
601基体材料
603覆板
605真空袋
607工具主体的中点
609工具主体的边缘
图7
701部分浸渍的纤维织物
703基体材料的分布
图8
801热膨胀方向
803张力部分浸渍的纤维织物上的
图9
901由高压釜气氛施加的压力
903大表面积
图10
1000树脂分布系统
1001基体材料
1003虹吸管
1005纤维织物
1007真空管线
1009重力方向
1011收集阱
1013分布阱
1015纤维织物中的更大量的基体材料流
1016纤维织物中的更少量的基体流
1017虹吸管中的基体流方向
1019纤维织物的中心
1021纤维织物的边缘
1023真空源
图11
1100复合材料容纳导管
1101法兰
1103导管主体
1105 1107内部分
具体实施方式
图1显示了根据本发明的复合材料导管成形工具100。该工具100包括大致圆柱形主体105。第一端板101和第二端板103设置成相邻于主体105的相对平面端。主体105、第一端板101和第二端板103利用具有比工具100所保持工件更大热膨胀系数的材料制成。用于主体105、第一端板101和第二端板103的材料包括但不限于金属或合金。用于主体105的合适材料包括铝和钢。第一端板101利用应力释放紧固件111而紧固在主体105上。相邻于主体105的第二端板103连接在主体105上。主体105具有大致圆柱形的几何形状。大致圆柱形主体105优选从相邻于第一端板101的更小直径渐变至第二端板103的更大直径。尽管图1显示了圆柱形主体105，然而主体并不限于圆柱形的形状。用于主体的可选几何形状包括但不限于矩形、卵形和三角形的几何形状。在可选实施例中，主体105具有大致圆柱形的几何形状，其中在第一端板101和第二端板103之间的中点处具有较小的直径，在主体105各端具有更大的直径。主体105可制成多个可分离的件，以便有助于取出完成的增强基体复合材料部件。
图1显示了设置成相邻于第一端板101的第一组法兰垫板119，其在第一端板101的最接近于第二端板103的表面上周向地围绕主体105。第二组法兰垫板107设置成相邻于第二端板103，其在第二端板103的最接近于第一端板101的表面上周向地围绕主体105。各第一组和第二组法兰垫板119和121的法兰垫板107在法兰垫板接缝108处相互接触。法兰垫板107是由具有比工具所保持的工件更大热膨胀系数的材料制成的板。用于法兰垫板107的材料包括但不限于金属或合金。用于法兰垫板107的合适材料包括铝和钢。法兰垫板107通过应力释放紧固件111紧固在第一端板101和第二端板103上。除了紧固第一端板101和第二端板103之外，应力释放紧固件111还将第一端板101紧固在主体105上。如图1所示，用于紧固法兰垫板107的应力释放紧固件111延伸穿过第一端板101和第二端板103，并穿过法兰垫板107。用于将第一端板101紧固在主体105上的应力释放紧固件111延伸穿过第一端板101而进入主体105。根据本发明的应力释放紧固件111是在对工件加载过程中能够定位第一法兰垫板组119和第二法兰垫板组121的第一端板101和法兰垫板107的任何紧固件，但会屈服于热膨胀引起的压力或其它作用力。当用于保持法兰垫板107的紧固件在适当径向应力下产生屈服，并且用于保持端法兰板的紧固件屈服于轴向应力时，就会形成应力释放。用于应力释放紧固件111的合适材料包括但不限于尼龙。一个或多个容器109设在第一端板101的表面上。容器109与真空源经由真空管线115流体式连通。容器109显示为单独的构件，但也可制造成与第一端板101形成一体。
图2显示了工具100的一个实施例，其定向成使得第一端板101和第二端板103在图上水平地定向。如图2所示的定向阐释了本发明的实施例，其中工具100装入高压釜中，此时第一端板101定向成大致水平地位于第二端板103之上，并且主体105的中心轴线大致定向在垂直方向上。尽管该实施例涉及高压釜，然而能够对工具提供加热和提供压力的任何腔室也适用于本发明。图2显示了设置成周向地围绕主体105的法兰垫板107。第一组法兰垫板119紧固在第一端板101的最接近于第二端板103的表面上。第二组法兰垫板121紧固在第二端板103的最接近于第一端板101的表面上。
沿着相邻于第二端板103的表面在分开式法兰垫板107之间的法兰垫板接缝108中加工出通道201，以形成从相邻于主体105的内表面205至法兰垫板接缝108外周边的流体相连。在法兰垫板接缝108的外周边处，虹吸管113连接在相邻于第二端板103的通道201上，并且设置成与之流体相连。虹吸管113与相邻于第一端板101的容器109流体相连。各容器109是能够在真空下容纳基体材料的中空腔室。各容器109与空腔203流体相连，空腔203由法兰垫板107、第一端板101的下表面以及主体105的内表面205来限定。空腔203具有足够的体积，以允许插入一部分工件(在图3-5中显示为纤维织物301)。工件优选为增强纤维织物的一部分。容器109还通过真空管线115与真空源117流体相连。真空源117提供了至容器109的真空，以便在容器109内的材料上抽真空。
图3显示了代表图2中的视图3-3的剖视图。图3所示截面提供了一部分第一端板101的放大图，其中第一端板101在图中垂直地定向。第一端板101和主体105装载有纤维织物预型件301。纤维织物预型件301包括沿着第一端板101从主体105延伸的法兰部分305。法兰垫板107利用应力释放紧固件111紧固在第一端板101上。同样地，第一端板101利用应力释放紧固件111紧固在主体105上。
图3显示了纤维织物预型件301，其沿着主体105设置并且形成大约90°的角度，以便在法兰垫板107、第一端板101和主体105的内表面205所限定的空腔203内形成法兰形状。法兰垫板107、第一端板101和主体105所限定的空腔203通过基体材料分布通道303而与容器109流体连通。容器109与至少一条真空管线115和至少一条虹吸管113流体连通。
图4显示了代表图2中的视图3-3的剖视图。该剖视图显示了复合材料导管成形工具100的一部分，其具有与图3所示相同设置的主体105、法兰垫板107、纤维织物预型件301和第一端板101。然而，图4所示实施例具有插入法兰垫板107中的虹吸管凹口401内的虹吸管113。虹吸管113与基体材料分布通道403流体连通。基体材料分布通道403从虹吸管113延伸至法兰垫板107、第一端板101和主体105的内表面205所限定的空腔203。法兰垫板107、第一端板101和主体105的内表面205所限定的空腔203通过容器通道405与容器109流体连通。容器109经由真空管线115与真空源117流体连通。
图5显示了代表图2中的视图5-5的剖视图。图5所示的截面提供了在图中垂直地定向的第二端板103的一部分的放大图，其载有纤维织物预型件301的工件。图5还显示了利用应力释放紧固件111紧固在第二端板103上的法兰垫板107。第二端板103通过第二端板紧固件505紧固在主体105上。第二端板紧固件505是在压力下不会产生屈服的紧固件，其类似于应力释放紧固件111。第二端板紧固件505可以为在工具100所产生应力的作用下不会出现屈服的任何紧固件。在可选实施例中，第二端板103和主体105可以是永久相连的，或者为机加工的单件。在该实施例中，第二端板103与主体105形成为一体，并且机加工成或铸造成具有从第二端板103伸出的主体105的单件。或者，主体105和第二端板103可焊接在一起。
图5所示实施例具有插入法兰垫板107中的虹吸管凹口501内的虹吸管113。虹吸管113与基体材料排出通道503流体连通。基体材料分布通道503从虹吸管延伸至法兰垫板107、第二端板103和主体105的内表面205所限定的空腔203。
图6-9显示了根据本发明的复合材料导管成形工具100，其载有将形成复合材料的工件301和基体材料601。图6-9显示了基体材料渗透和固化工艺中的各个阶段。图6显示了在装入高压釜(未示出)之前的工具100。图7和8显示了加强过程中的工具100。图9显示了处于高压釜压力下的工具100。图6-9显示了沿着图1和2所示工具100的主体105的圆柱体部分的中心轴线径向剖开的截面。图6-9显示了工具100，其具有如图1和2所示设置的主体105、第一端板101、第二端板103和法兰垫板107。出于说明目的，图6-9未显示应力释放紧固件111和505、虹吸管113、容器109、真空管线115、基体材料排出通道503或者基体材料分布和真空通道303，403和405。可以注意到，各上述部件处在装入高压釜中的工具100内，以及围绕工具100的真空隔膜或袋605内。
图6显示了在装入高压釜之前的工具100。工具100首先装载有纤维织物预型件301。在纤维织物预型件301上，将基体材料601层涂覆在表面上。基体材料601优选为称量成分开部分的块体树脂。块体树脂是未固化的树脂，其尚未加工成最终的形式(例如，片状或层片)，并且能够分成单独的部分。在室温下，块体树脂优选为柔软的固体。将块体树脂分成大致矩形的部分，将其放在纤维织物预型件301表面上。应注意，提供树脂至纤维织物预型件301表面的任何成形部分适用于本发明。在将该部分放在纤维织物预型件301表面上之后，使矩形部分顺应于表面形状。矩形部分优选在室温下是柔软的。块体树脂的矩形段可选择性地进行预热来增加树脂的柔软程度，以有助于使矩形部分顺应于表面形状。合适的树脂可包括但不限于环氧树脂或聚酰胺树脂。基体材料601涂覆在纤维织物预型件301表面之上，使得更大量的基体材料601(即，每单位表面积的更大量基体材料)涂覆在纤维织物预型件301的中心607(即，第一端板101和第二端板103之间的中点)之上，更少的量(即，每单位表面积更少量的基体材料)涂覆在纤维织物预型件301的边缘609(即，相邻于第一端板101和第二端板103的部位)上。尽管该实施例涉及块体树脂，然而，任何能够形成增强基体复合材料的基体材料可用于本发明。
在工具100装载有基体材料601之后，将弹性体覆板603放在涂覆有基体材料601的纤维织物预型件301上。覆板603由可阻挡基体材料601通过的材料来形成。用于覆板603的合适材料包括但不限于硅酮。任何不与基体材料结合并且可耐受热和压力且为柔性的材料可用作覆板603所用材料。覆板603定位成使得基体材料601可仅沿着纤维织物预型件301行进，进入相邻于第一端板101和第二端板103的区域，在这里基体材料601可进入基体材料排出通道503或者基体材料分布和真空通道303，403和405、虹吸管113或容器109，如图1-5所示。一旦装载好工具100，就将装载好的工具100放入真空袋605内。本发明的工具100提供了一种用于制造纤维增强基体复合材料的方法，其中该工艺只需要单个真空袋605。
图7显示了在暴露于热量下、在加热和固化周期的保持步骤过程中的工具100，以及基体材料601的运动。基体材料601通过加热而变成液体或流体，并且开始渗入纤维织物预型件301以形成部分浸渍的纤维织物预型件701。当基体材料601变成液体或流体时，材料从纤维织物预型件301的中心607(即，第一端板101和第二端板103之间的中点)沿着箭头703所示方向流动。当现在为液体树脂的基体材料601从纤维织物预型件301的中心607运动至外边缘609时，空气、挥发性气体就从基体材料601和其它材料向前流动，例如可能会导致空隙空间的夹带在纤维织物预型件301中的杂质或气体被块体基体材料601流朝着相邻于第一端板101和第二端板103的织物外边缘609推动。来自块体基体材料601和其它材料的可能会导致空隙空间的多余基体材料601、空气、挥发性气体流入虹吸管113中，并且通过图1-5所示基体材料分布通道403而抽入容器109中或进入法兰垫板107、第二端板101和主体105内表面205所限定的空腔203中。
图8显示了在暴露于热量下、在加热和固化周期的保持步骤期间的工具100和部分浸渍的纤维织物预型件701。第一端板101、第二端板103、主体105和法兰垫板107由具有比部分浸渍的纤维织物预型件701更大的热膨胀系数的材料制成。结果，在加热过程中，如图8所示，各第一端板101、第二端板103、主体105和法兰垫板107如箭头801所示地在各个方向上膨胀。与主体105相比，部分浸渍的纤维织物预型件701膨胀量极小。工具100与部分浸渍的纤维织物预型件701之间的热膨胀不同导致了箭头803所示的张力，其用于将部分浸渍的纤维织物预型件701拉至张紧。在基体材料固化之前被拉至张紧的纤维织物预型件701提供了高强度的均匀材料，其基本上没有波纹和起皱。
图9显示了在加热和固化周期的保持步骤期间暴露于压力下的工具100。法兰垫板107由处于平行于第一端板101和第二端板103的平面内的大表面积903制成。当在固化周期过程中高压釜内的压力升高时，高压釜气氛作用于真空袋605和法兰垫板107表面上的如箭头901所示的压力乘以法兰垫板107的表面积903。法兰垫板107表面的表面积903大于形成法兰状形状的纤维织物预型件701，从而增加了来源于高压釜压力的极大位置保持力。该压力在主体105膨胀并将纤维织物预型件301拉至张紧的同时可将纤维织物预型件701保持就位。
图10显示了根据本发明的用于制造纤维-增强基体复合材料(未示出)的基体材料分布系统1000。纤维织物预型件1005装有基体材料1001，其中更大量的基体材料1001设在纤维织物预型件1005的中心1019，比设在边缘1021的量更大。
为了形成根据本发明的纤维增强基体复合材料(未示出)，将涂覆上基体材料1001的纤维织物预型件1005垂直地安装，并将系统1000通过真空管线1007暴露于真空下，并进行充分的加热以便使基体材料1001变得有粘性。基体材料1001在纤维织物预型件1005内的运动如图10中的箭头1015和1016所示。首先，粘性基体材料1001沿着箭头1015和1016所示的两个方向行进。大部分的基体材料1001(显示为箭头1015)沿着重力方向(箭头1009)行进，小部分(显示为箭头1016)沿着朝向真空管线1007的方向而被抽吸。真空管线1007流体式连接在真空源1023上。
沿着重力方向(如箭头1009所示)行进的基体材料1001收集在收集阱1011中。收集阱1011通过虹吸管1003与分布阱1013流体式连通。分布阱1013是相邻于真空管线1007和纤维织物预型件1005上边缘的腔室。基体材料1001通过来源于真空管线1007的抽吸力而从收集阱1011抽吸至分布阱1013，如箭头1017所示。系统是自调节的，并且持续至整个纤维织物预型件1005材料上的基体材料1001在整个纤维织物预型件1005上大致均匀地分布。系统是自调节的，因为只要浸渍有基体材料1001的纤维织物预型件1005上的压力差大于虹吸管1003上的压力差，则虹吸管1003将继续将基体材料1001从收集阱1011抽吸至分布阱1013。一旦虹吸管1003上的压力等于浸渍的纤维织物预型件1005上的压力，就不再将基体材料1001从收集阱1011抽吸至分布阱1013。所得的基体浸渍的纤维织物预型件1005含有大致均匀分布的基体材料1001。将浸渍的纤维织物预型件1005进一步加热以完成固化周期，以及形成纤维增强基体复合材料。
图11显示了根据本发明的复合材料容纳导管1100。复合材料容纳导管1100是工具100(见图1-2)所制成的产品。复合材料容纳导管1100是具有导管主体1103和一体式高强度法兰1101的单件。另外，在法兰1101中加工出孔1105，以允许紧固件将复合材料容纳导管1100连接在另一主体上。法兰1101提供了复合材料容纳导管1100可接在另一主体上的表面。另一主体可包括第二复合材料容纳导管1100。两个容纳导管的连接具有这样的优点，即可有另外的长度和能力来形成具有会聚和发散导管区域的导管。在该实施例中，复合材料容纳导管1100具有锥形导管主体1103，其中在一个法兰处的导管直径大于另一法兰处的导管直径。在一些容纳导管应用中，容纳导管同时具有会聚部分和发散部分是比较理想的。为了形成在一个部分会聚而在另一部分发散的容纳导管1100，在容纳导管的更小导管直径一端通过法兰将锥形容纳导管1100连接在第二大致相同的锥形容纳导管1100上。在更小导管直径处的法兰连接允许导管从组合容纳导管一端至中心发散，并且从组合容纳导管中心至组合容纳导管第二端发散。法兰也可紧固在燃气轮机(未示出)的一部分上。在一个实施例中，法兰可紧固在燃气轮机上，使得燃气轮机的风机叶片(未示出)大致沿着风机叶片尖端路径的外周边而设在导管主体1103的内部分1107中，以便容纳风机叶片。
本发明的一个实施例包括提供具有所需复合材料形状的表面的工具100。在本发明的一个实施例中，主体105大致为圆柱形容纳导管的形状。在该实施例中，圆柱形导管优选朝着主体105中心轴线向内渐变。完成的增强基体复合材料的形状并不限于大致圆柱形形状。具有法兰式外边缘的任何形状通过本发明的方法来制造。除了大致圆柱形导管之外，合适的形状包括但不限于具有复杂截面几何形状(例如，矩形导管，三角形导管或卵形导管)的导管、平板，以及具有壁结构的其它复杂形状。另外，具有特征的壁结构可通过本发明的工具100和方法来形成。本发明的工具100，同样地具有与完成的复合材料大致相同形状的主体105。
工具100由热膨胀系数大于纤维织物预型件301热膨胀系数的材料制成。选择工具材料的一项标准是在纤维织物预型件301所需的张力大小。如果需要更大的张力，则工具材料应具有更大的热膨胀系数。如果需要较小的张力，则工具材料应具有较小的热膨胀系数。优选的是，工具100由金属材料制成。与金属材料相比，构成纤维织物预型件301的纤维具有较小的热膨胀系数。因此，当工具100受热时，工具材料的膨胀速率远远快于纤维织物预型件301的膨胀速率。工具100膨胀相对于纤维织物预型件301膨胀所产生的张力用于将纤维织物预型件301拉至张紧以及使纤维基本上对准，以形成基本上没有波纹和起皱的高强度的均匀复合材料。工具100相对于纤维的热膨胀越大，所产生的张力就越大。适用于制造工具100的材料包括但不限于铝和钢。
用于复合材料基体的增强材料优选为织造纤维织物。纤维织物能够形成增强基体复合材料的预型件。多种纤维适用于复合材料的基体材料。纤维可相互间织造或层叠在一起以形成复合材料预型件。在本发明的一个实施例中，纤维织物预型件301为绞股束的三轴织造织物。三轴织造织物具有轴向延伸的一条绞股束，另一绞股束定向成相对于轴向方向上的束成+60°，第三绞股束定向成相对于轴向方向上的束成-60°。用于形成纤维织物预型件301的合适纤维包括但不限于碳、石墨、玻璃和聚酰胺纤维。纤维织物预型件301优选为干燥的。“干燥”的意思是，在将纤维织物预型件301装在工具100上之前，没有基体材料浸渍入纤维织物中。
用于本发明的增强基体复合材料中的基体材料601是可固化的材料，其在利用增强纤维增强之后就形成了高强度基体复合材料。用于本发明的增强复合材料中的合适基体材料601包括但不限于环氧树脂和聚酰亚胺。
本发明的工艺包括在工具100中装载有用于形成增强基体复合材料的材料。工具100首先装载上用于增强完成复合材料中的基体的材料。增强材料优选为纤维织物预型件301。纤维织物优选为具有织造结构的织物。优选的织造结构具有三束单独的纤维织造，以便具有相互间成60°角度的定向。纤维优选为石墨纤维。织物可包括但不限于三轴向石墨纤维。优选的纤维织物预型件301包括三轴向石墨纤维，其中24k(即24000绞股)丝束处于轴向方向，两个12k(即12000绞股)束处在与轴向方向上的丝束成+60°的方向上，两个12k束处在与轴向方向上的丝束成-60°的方向上。
在本发明的一个实施例中，工具100优选具有预先几何形状的卷轴。卷轴的形状包括大致圆柱形主体105，其连接在两个端板101和103上。两个端板101和103中的至少一个紧固在主体上，并且可拆下。在本发明的该实施例中，工具100这样来定向，其中端板101和103定位成使得其平面表面垂直地定向，以便用增强纤维材料来装填工具100。石墨纤维织物预型件301设置成围绕卷轴的主体105。预型件的法兰部分305沿着各端板101和103的长度设置。沿着第一端板101和第二端板103延伸的织物法兰部分305形成了法兰状的形状。
一旦纤维织物预型件301装在工具上，就将多个板(即法兰垫板107)设置成沿着工具100的周边并沿着端板101和103彼此相邻接。第一组板相邻于第一端板101。第二组板相邻于第二端板103。板优选为金属，并且具有至少一个表面，该表面的表面积903大于沿着端板101和103长度延伸的材料长度的表面积。板定位成可为沿着端板101和103延伸并且形成了法兰部分305的织物材料提供支撑，并且利用应力释放紧固件111紧固在端板上。各应力释放紧固件111是在固化周期之前将垫板在室温下进行定位并且在固化周期的加热部分期间将法兰垫板107从第一端板101和第二端板103上释放开的紧固件。当工具轴向地膨胀时，应力释放紧固件设计成产生屈服而非阻止工具的运动。因此，紧固件将法兰垫板107保持靠在法兰上，但可产生屈服以允许工具轴向地膨胀。
在本发明的一个实施例中，一个或多个板设有通道201，303，403，405，503，以便有助于多余树脂的循环。通道201，303，403，405，503允许基体材料601从工具的载带有基体涂覆纤维的区域通往工具的载带有基体涂覆纤维的区域外侧。通道201，303，403，405，503允许多余的基体材料601出入工具100的保持纤维织物预型件301的区域。当工具100设置成在装载期间使第一端板101和第二端板103相对于高压釜水平对准时，底部的第二端板103包括一个或多个开口，其流体式连通至工具的提供真空的区域，优选在工具的顶部第一端板101处或其附近。工具100包括容器109，其在第一端板101和第二端板103水平对准时位于第一端板101的顶部上。在该实施例中，真空与容器109流体式连通，并且与法兰垫板107中的开口流体连通。流体连通用于虹吸效应，以允许因重力而贮集的多余基体材料601行进至工具的具有抽吸力的区域，从而将基体材料601供应至纤维的具有较少基体材料601的区域，包括第一端板101处或其附近的区域。虹吸管113允许基体材料601在纤维织物预型件301上均匀分布。
然后在工具100上涂覆上优选为块体形式的基体材料601。通过将基体材料601直接涂覆在纤维织物预型件301表面上，而将基体材料601装载在纤维织物预型件301上。将基体材料601放在增强纤维织物预型件301上包括，将预定量的基体材料601置于纤维织物预型件301表面上。基体材料601的预定量是足以浸渍预型件的量。基体材料601以分开的部分而堆叠或放置在表面上。一旦基体材料601放在纤维织物预型件上，就将阻隔层覆板603放在基体材料601上以将其保持就位，直到工具装入高压釜中。在加热期间，所堆叠或放置的基体材料层(即叠层)将会熔化，并且渗入纤维织物预型件301中。由覆板603上的高压釜压力施加在基体材料601上的力将有助于基体材料601渗透纤维织物预型件301并在纤维织物预型件301上向外扩散。熔融的基体材料体在流过纤维织物预型件301时形成了波阵面，其在树脂开始固定和固化之前将气泡迫出预型件。特别是，波阵面从块体基体材料601中推出了空气、挥发性材料，例如溶剂气体以及能够形成空隙的其它其它，例如留在基体材料中或纤维织物预型件301中的杂质气泡。基体材料601的放置还允许浸渍具有复杂形状的预型件。复杂的形状包括具有比带法兰式圆柱体更复杂的几何形状特征的预型件。这些特征可设在具有用于基体材料在固化之前流动的一条以上通路的预型件中。例如，增强基体复合材料部件可包括平面的壁部分，其具有相连的加强结构或镶嵌体特征。
在本发明的一个实施例中，基体材料601是分成矩形块段的树脂，其位于表面上并且顺应于纤维织物预型件的表面。合适的树脂可包括但不限于环氧树脂和/或聚酰亚胺。基体材料601涂覆在纤维织物预型件301表面上，因此较大量的基体材料601涂覆在纤维织物预型件301的中心607上(即，第一端板101和第二端板103之间的中点607，如图6所示)，少量基体材料601涂覆在纤维织物预型件301的边缘609上(即，相邻于第一端板101和第二端板103的区域，如图6所示)。
一旦纤维织物预型件301涂覆上基体材料601，就将基体材料涂覆的纤维织物预型件301涂覆上一层弹性体片(即，覆板603)。覆板603用作阻隔层，以便隔离和控制进入纤维织物预型件301的基体材料流。在覆板603定位之后，将覆板603密封在工具100上以形成阻隔层，并阻止基体通过覆板603，但允许沿着纤维织物预型件301流动。
一旦覆板603设在织物-基体材料周围并且被密封，就将包括覆板603和基体材料601涂覆的纤维织物预型件301的工具100放入真空密封外壳或袋605内。真空源117连接在真空袋605和工具100上，以提供较小的压力(即，真空)。真空源605抽出的真空优选达大约28英寸汞高，更优选达大约30英寸汞高。真空提供了在工艺的加热和固化期间用于分布基体材料601的驱动力。通过真空袋605在工具100上抽真空。然后对装载好的工具100加热。在工具100加热的同时，提供相对于真空袋605外的气体正压力。正压力优选由惰性气体如氮气来提供。在加热和保持周期期间，正压力优选增加至达大约200lb/in2或更高的压力，优选达大约220lb/in2或更高。在装入高压釜时，工具100优选定向成使得第一端板101和第二端板103的平面相对于高压釜水平对准。
为了形成复合材料，对装载有基体材料601的覆板覆盖纤维织物预型件301加热。基体材料601在更高温度下变得具有粘性，并且流入(即浸渍到)纤维织物预型件301中。同时，其上装载了纤维织物预型件301的工具100因热膨胀而产生膨胀。由于纤维织物预型件301几乎不或不发生热膨胀，因此纤维织物预型件301被拉至张紧，从而提供了纤维在纤维织物预型件301中的至少部分张力和对准。工具100和基体涂覆的纤维织物预型件301然后加热至一定温度，以允许基体材料完全地浸渍纤维织物预型件301。在纤维织物预型件3C1被基本上浸渍之后，将工具100和纤维织物预型件301加热至固化温度，并保持在固化温度下，直到纤维增强基体复合材料固化。该方法包括至少以下步骤：第一加热步骤，第一保持步骤，第二加热步骤，第二保持步骤和冷却步骤。温度缓慢地上升至第一保持温度。温度升高的合适速率包括但不限于大约1/2°F/分钟至大约1°F/分钟。第一保持步骤所用的温度和时间足以允许基体材料渗入增强纤维中。第一保持步骤所用的合适温度包括但不限于从大约300°F至大约325°F的范围。第一保持步骤所用的合适温度包括但不限于大约310°F。第二保持步骤的温度和时间用于足以固化基体材料。用于第二保持步骤的合适温度包括但不限于从大约350°F至大约375°F。用于第二保持步骤的合适温度包括但不限于大约360°F。一旦固化，就使增强基体复合材料缓慢地冷却至室温。
在加热步骤中，高压釜的加热气体分布在工具100上以提供对基体浸渍的纤维织物的均匀加热。优选的是，主体105是中空的和/或具有内表面，其相对于其上设有纤维织物预型件301的表面。在该实施例中，内表面暴露于加热气氛下，以便加热通过主体105的纤维织物预型件301和基体材料601。在如图1所示的一个优选实施例中，工具主体为中空的和大致圆柱形的形状。外表面(即，其上设有纤维织物预型件301表面)和圆柱体的内表面均暴露于通过真空袋605的加热气氛中。圆柱体的中空部分入口可包括扩散器，以便均匀地分布加热气氛。加热气氛将热量均匀地分布在基体浸渍的纤维织物701上，以便使增强复合材料基体均匀地固化。
在加热和真空循环周期过程中，覆板605允许基体材料601在朝着真空的方向或重力方向上行进。在重力方向上行进的基体材料601比在真空方向上行进的更多。法兰垫板107中的开口允许多余基体材料离开工具100的用于保持纤维的那部分。当工具100定位成使得第一端板101和第二端板103水平对准时，底部的端板(即，第二端板103)包括一个或多个开口201，其流体式连接在工具100的在容器109处或附近提供真空的区域上。工具100的提供真空的区域优选位于工具100的顶部端板(即，第一端板101)处或其附近。在一个实施例中，工具100包括容器109，其在第一端板101和第二端板103水平对准时位于第一端板101顶部上。在该实施例中，真空源117连接在容器109上，并且流体相连在法兰垫板107中的开口上。流体相连用于虹吸效应，以允许因重力贮集的多余基体材料行进至工具100的具有抽吸力的区域，并将基体材料供应至具有较少基体材料601的纤维区域，
当对工具100加热时，它就产生了热膨胀。工具100由膨胀率超过纤维织物预型件301和基体材料601的膨胀率的材料制成。因此，当工具100膨胀时，纤维织物预型件301以小很多的膨胀率而产生膨胀，并且被膨胀工具100拉至张紧，从而形成了预应力形式的纤维增强。一旦基体材料601已在更大的工具表面积903上基本上分布并固化，就允许工具100冷却至环境温度。工具100材料就随着温度的下降而产生热学收缩。然而，被拉至张紧并且在更高温度下在工具100表面上固化的与基体材料一起固化的纤维，以小很多的收缩率产生热学收缩。当工具100材料冷却时，与基体材料601一起固化的纤维在第一端板101和第二端板103的至少一个上施加作用力，因为更低温度下的固化增强基体材料601表面大于更低温度下的工具表面。允许至少一个第一端板101和第二端板103产生移动，并且保持至少一个端板(即，第一端板101)的紧固件可产生屈服，从而允许端板在工具100主体膨胀时产生移动。因此，紧固件111的屈服不允许法兰组件约束工具100的主体。一旦完成了工艺周期并且具有预应力增强纤维的增强块体基体材料601固化和冷却，就将增强块体基体材料601从工具100中取出，并且在必要时进行修边。另外，如果因已完成部件的几何形状的需要，可以拆下主体105以便取出固化的增强基体复合材料部件。紧固件111是一次性的，不会重复使用。
工具100的与基体材料601接触的各表面可选择性地涂覆上释放膜，例如聚四氟乙烯。这种释放膜不会粘附在工具构件上，并且有助于易于取出完成的部件。例如，主体105、第一端板101和第二端板103、法兰垫板107和/或覆板605可涂覆上聚四氟乙烯。
在本发明的可选实施例中，预浸渍的纤维织物预型件301装在本发明的工具100上。预浸渍的纤维织物预型件301是在装在本发明的工具100上之前装载有未固化的基体材料601的织物。法兰垫板107设在工具100上，并且相邻于预浸渍的纤维织物预型件301。与预浸渍的纤维织物预型件301一起使用的法兰垫板107另外具有导轨、引导件或类似机构，以便在施加高压釜压力时引导法兰垫板107的位移。在具有未预浸渍上基体材料601的纤维织物预型件301的实施例中，法兰垫板107的表面积比法兰部分305中的纤维织物预型件301的表面积更大，以便增加用于保持来自高压釜压力的作用力的较大位置。当工具100在固化周期加热期间发生膨胀时，它将法兰垫板107半径上的纤维织物预型件301纤维拉至张紧。这些导轨、引导件或类似机构设置成可使法兰垫板107在一旦工具100已膨胀至一定程度时仅允许织物上的作用力存在，这种膨胀程度对应于足以使预浸渍的纤维织物中的基体材料601具有粘性的加热量。一旦基体材料601具有粘性，就允许法兰垫板107在纤维织物预型件301上施加作用力，并将纤维织物拉至张紧。在具有干燥纤维织物的实施例中，将纤维织物拉至张紧就形成了带预应力的纤维增强基体复合材料。工具100和完成的产品冷却下来，并且工具100产生热学收缩，但完成的增强基体复合材料不会收缩这么多。法兰垫板107和第一端板101利用应力释放紧固件111紧固起来。当保持法兰垫板107的应力释放紧固件111在适当径向应力下屈服并且保持第一端板101的应力释放紧固件111屈服以释放轴向应力时，就产生了释放。
本发明的一个实施例包括复合材料容纳导管1100，其具有小于或等于2.5％的空隙空间。复合材料容纳导管1100优选具有小于2.0％的空隙空间，最优选具有小于1％的空隙空间。
根据本发明的复合材料容纳导管1100具有改进的容纳性能。本发明的一个实施例是石墨纤维-环氧树脂基体复合材料容纳导管1100。本发明的石墨-纤维环氧树脂基体复合材料具有高强度的性能，包括强度好的法兰，轻质，并且成功地通过了叶片出厂测试。叶片出厂测试是其中燃气轮机安装上所有组风机叶片以及设在叶片路径的周边周围的容纳导管的测试。风机叶片的转速等于航空器起飞时的转速。一个或多个叶片从安装座中脱出，并撞击在容纳导管上。成功的叶片出厂测试将叶片保持在容纳导管那。本发明的方法尤其适用于制造用于燃气轮机的涡轮机翼型构件。特别是，本发明的方法适用于制造容纳导管，例如风机外罩，其可经受叶片出厂测试。
本发明的方法和工具100能够制造大的部件。部件的尺寸略小于工具100的表面尺寸。本发明的工具100和方法尤其适用于制造具有大的壁结构的部件，包括直径为大约5英尺或更大的圆柱形部件，包括直径为大约10英尺的圆柱形部件。在一个实施例中，本发明的工具可产生具有直径为大约十英尺或更大的圆柱形部件，其保持了大致均匀的基体分布和低的空隙含量。
本发明的容纳导管1100的法兰1101具有高强度。高强度的一种成因在于，法兰1101形成为容纳导管1100的一体式部件。另外，法兰1101内的纤维被拉至张紧，从而提供了大致的对准和增加的强度。另外，容纳导管内的基体分布在整个导管主体1103和法兰1101上是大致均匀的。法兰1101内的大致均匀分布有助于实现法兰1101的高强度。法兰1101与壁部分一样具有预应力增强纤维和均匀的基体分布。
本发明的方法和工具100在纤维织物预型件301的浸渍和固化之后，提供了几乎净形状的复合材料。工具100在用基体材料601对预型件进行浸渍时提供了具有所需产品形状的纤维织物预型件301。一旦固化，基体材料601浸渍的纤维织物预型件301就具有几乎纯净的形状，几乎不或完全不需要修边。根据本发明的用于制造纤维增强基体复合材料的方法提供了大致具有完成产品形状的复合材料部件，在安装前几乎不或完全不需要修边。
从本发明的工具100中取出完成的部件比较简单和便宜。除了可选的释放膜之外，第一端板101与主体上分离就允许从主体105上取下部件。工具100不要求拆下工具100的在固化周期期间分开的构件。因此，取出完成的部件需要很少的人工，并且比较便宜。
尽管已经参考优选实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的前提下，可以进行各种变化，并且可用等效物来替换其部件。此外，在不脱离本发明的基本范围的前提下，可以对本发明的讲述内容进行多种修改以适于特定的场合或材料。因此，本发明并不限于所公开的作为实施本发明的最佳方式的实施例，而是，本发明包括属于所附权利要求范围内的所用实施例。

Claims (10)

1.一种用于形成燃气轮机所用的增强基体复合材料部件的模制工具(100)，包括：
主体(105)，其包括第一端、第二端以及能够容纳复合材料预型件(301)第一部分的主体表面；
第一端板(101)，其可拆下地固定在所述主体(105)的第一端上，并且具有设置成垂直于所述主体(105)表面的大致平坦表面；
第二端板(103)，其连接在所述主体(105)的第二端上，并且具有垂直于所述主体表面的大致平坦表面；
第一组(119)的板(107)，其连接在所述第一端板(101)的第一表面上，并且包括设置成相邻于所述主体表面的至少一个第一板(107，119)；
第二组板(107，121)，其连接在所述第二端板(103)的第一表面上，并且包括相邻于所述主体(105)表面的至少一个第二板(107，121)；
所述第一板(107，119)和第二板(107，121)可拆下地固定，并且包括大致平坦的第一板(107，119)表面和大致平坦的第二板(107，119)表面；
所述第一板(107，119)和第一端板(101)具有一定的几何形状，其包括由所述第一板(107，119)和第一端板(101)限界的第一空腔(203)；
所述第二板(107，121)和第二端板(103)具有一定的几何形状，其包括由所述第二板(107，121)和第二端板(103)限界的第二空腔(203)；
所述第一和第二空腔(203)，其具有足以容纳复合材料预型件(301)第二部分的体积；
所述第二空腔(203)，其流体式连接在所述第一空腔(203)上；和
真空源(117)，所述真空源(117)与所述第一空腔(203)流体连通。
2.根据权利要求1所述的模制工具(100)，其特征在于，所述主体(105)具有沿着第一轴线延伸的表面，所述第一空腔(203)沿着第二轴线延伸，所述第二空腔(203)沿着第三轴线延伸，所述第一轴线大致垂直于所述第二轴线和第三轴线。
3.根据权利要求1所述的模制工具(100)，其特征在于，所述主体表面的几何形状为大致圆柱形。
4.根据权利要求3所述的模制工具(100)，其特征在于，所述大致圆柱形主体表面包括相邻于所述第一端板(101)的截面直径，其大于相邻于所述第二端板(103)的所述截面直径。
5.根据权利要求3所述的模制工具(100)，其特征在于，所述大致圆柱形主体(105)表面的几何形状包括相邻于所述第一(101)和第二(103)端板的截面直径，其大于在所述第一(101)和第二(103)端板之间的中点处的截面直径。
6.根据权利要求3所述的模制工具(100)，其特征在于，所述第一(101)和第二(103)端板连接在所述主体(105)表面的圆柱形部分以形成卷轴形状，所述第一(119)组和第二(121)组板(107)设置成周向地围绕相邻于所述第一(101)和第二(103)端板的所述主体表面。
7.根据权利要求3所述的模制工具(100)，其特征在于，所述第一空腔(203)和第二空腔(203)大致为环的形状。
8.根据权利要求1所述的模制工具(100)，其特征在于，所述工具还包括在所述第一和第二空腔(203)之间的为至少一条管(113)的至少一个流体相连装置，其通过所述第一组(119)板(107)的第一板之间的接缝(108)中的通道(201，403，503)而流体式连接在所述第一空腔(203)上，并且通过所述第二组(121)板(107)的第二板之间的接缝(108)中的通道(201，403，503)而流体式连接在所述第二空腔(203)上。
9.根据权利要求1所述的模制工具(100)，其特征在于，所述工具还包括位于所述第一端板(101)的第二表面上的基体材料容器(109)，所述基体材料容器(109)与所述第一空腔(203)流体连通。
10.根据权利要求9所述的模制工具，其特征在于，所述工具还包括与所述基体材料容器(109)及所述第二空腔(203)流体式连通的管(113)，其中所述第一和第二空腔(203)之间的流体连通通过所述基体材料容器(109)。
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