專利名稱：制造帶有金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件的制造。
背景技術(shù)：
特別是在航空學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)不變的目的是優(yōu)化部件的強(qiáng)度以便獲得最小質(zhì)量和最小尺寸。因此，今后，某些部件可以包括由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件。此類復(fù)合材料包括金屬合金基體如鈦(Ti)合金，纖維如碳化硅(SiC)陶瓷纖維在該金屬合金基體中延伸。此類纖維的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦的拉伸強(qiáng)度(與鈦的1000MPa相比而言，通常是4000MPa)。因此是這些纖維承受負(fù)載，而金屬合金基體提供了與部件的其余部分連接起來的結(jié)合劑的功能，并且還提供了保護(hù)與隔離纖維的功能，這些纖維不必互相接觸。此外，雖然陶瓷纖維能抵抗腐蝕，但是其必須利用金屬來增強(qiáng)。
這些復(fù)合材料可用于制造盤片、軸、沖頭體、殼體和墊片，如用于單片式部件如刀片等等的增強(qiáng)層。
為了獲得此類復(fù)合材料嵌件，要預(yù)先形成稱為“帶涂層細(xì)絲”的細(xì)絲，所述細(xì)絲包括帶金屬涂層的陶瓷纖維。金屬賦予細(xì)絲用于處理其所需的彈性和靈活性。優(yōu)選地，極細(xì)微的碳或鎢絲沿著其軸線存在于纖維的中心，這種碳絲涂有碳化硅，同時(shí)由碳構(gòu)成的薄膜插入纖維與金屬之間，以便在沉積于纖維上的液態(tài)金屬冷卻時(shí)發(fā)生的不均勻熱松弛期間提供擴(kuò)散阻隔/緩沖作用。
復(fù)合細(xì)絲或帶涂層細(xì)絲的制造可以按照多種方式進(jìn)行，例如通過在電場中汽相淀積金屬，通過利用金屬粉末的電泳現(xiàn)象，或通過在液體金屬槽中浸涂陶瓷纖維進(jìn)行。以申請(qǐng)人名義提交的專利EP 0 931 846中提出了這種涂敷過程，其中陶瓷纖維浸于液態(tài)金屬中。根據(jù)這種過程能快速制造細(xì)絲。因此，就獲得了復(fù)合細(xì)絲或帶涂層細(xì)絲，這些細(xì)絲用作制造將包括于部件中的復(fù)合材料嵌件的基體。
在用于獲得帶有由金屬合金基體復(fù)合材料制成的嵌件的部件的已知方法中，帶涂層細(xì)絲隨后由稱為預(yù)成形體的工件形成。這種預(yù)成形體通過在兩個(gè)繞著中央芯軸延伸的金屬固定凸緣之間纏繞帶涂層細(xì)絲而獲得。纏繞工作按照螺旋方式進(jìn)行，所獲得的預(yù)成形體為盤片形式，其厚度為構(gòu)成該預(yù)成形體的帶涂層細(xì)絲的厚度。為了保證預(yù)成形體的粘結(jié)力，固定凸緣包括孔，通過該孔噴涂能提供結(jié)合功能的材料例如丙烯酸酯樹脂。
圖1示意性地示出了帶有復(fù)合材料嵌件的部件的一個(gè)實(shí)施例。多個(gè)均為盤片形式的預(yù)成形體1疊放于圓柱形總體形狀的容器2中。容器具有環(huán)形腔，垂直于容器的軸線4的環(huán)形腔3的截面形狀為預(yù)成形體1的截面形狀。預(yù)成形體1被疊放直至填滿腔3的整個(gè)高度。通常，這樣疊放80個(gè)預(yù)成形體。這一操作手動(dòng)進(jìn)行。
隨后，需要進(jìn)行除去結(jié)合劑操作，然后進(jìn)行除氣，以便從預(yù)成形體1上除去結(jié)合劑例如丙烯酸酯樹脂。這是因?yàn)樵跊_壓階段期間，當(dāng)冷卻與加熱時(shí)，必須保持無污染的元件與鈦接觸。
環(huán)形蓋5置于容器2的頂部，其具有形狀與環(huán)形腔的形狀互補(bǔ)但軸向尺寸較小的突起6，突起6與上部預(yù)成形體1形成接觸。蓋子例如通過電子束焊接方法焊接于容器2上，所述組件優(yōu)選地放置于真空中。在隨后的步驟中，組件經(jīng)受高溫等靜壓處理。在這種操作期間，由并列的帶涂層細(xì)絲組成的嵌件結(jié)構(gòu)緊湊，帶涂層細(xì)絲的金屬護(hù)套通過擴(kuò)散焊接在一起并且焊接于容器2的腔3的壁上，以便形成由金屬合金(例如鈦合金)組成的致密組件，陶瓷纖維(例如SiC纖維)在所述金屬合金內(nèi)呈環(huán)狀延伸。
所獲得的圓柱形部件包括由復(fù)合材料構(gòu)成的嵌件，這通過壓縮疊放的預(yù)成形體1而形成。任選地，這種部件可以經(jīng)受應(yīng)力松弛處理，使得可以補(bǔ)償在組件冷卻時(shí)陶瓷纖維與嵌入其中的金屬之間的不均勻膨脹。
隨后，一般對(duì)部件進(jìn)行機(jī)加工以便獲得最終的部件。
這種用于制造帶有復(fù)合材料嵌件的部件的方法具有許多缺點(diǎn)，并且由于其步驟需要的長度、復(fù)雜性和精密度而難以大規(guī)模利用。
首先，由于陶瓷纖維為脆性，所以對(duì)帶涂層細(xì)絲進(jìn)行的操作必須首先防止它們之間的任何接觸，并且焊接帶涂層細(xì)絲至今難以想象。
此外，除去結(jié)合劑和除氣操作不僅過程漫長，而且不存在將所有結(jié)合劑除去的必然性。特別是由于鈦合金的正確的后續(xù)性能的需要，為了保證結(jié)合劑完全消失，需要若干除去結(jié)合劑和除氣步驟。這就使該方法的總持續(xù)時(shí)間加長并且增加了總成本。
此外，如果細(xì)絲在正纏繞于兩個(gè)凸緣之間時(shí)斷裂，就必須形成新的預(yù)成形體，在目前情況下還沒有解決這種問題再恢復(fù)纏繞的方法。
而且，在容器中定位帶涂層細(xì)絲預(yù)成形體的步驟目前為手動(dòng)方式。因此操作的成本，特別是操作的精確度受到影響。目前，在容器中定位帶涂層細(xì)絲為制造程序中的關(guān)鍵因素，因?yàn)槠錄Q定了復(fù)合材料的性能，根據(jù)部件的主應(yīng)力，對(duì)陶瓷纖維的取向具有巨大影響。在制造這種部件的各個(gè)步驟期間，通過保持陶瓷纖維的完整性，還決定了復(fù)合材料的質(zhì)量。最后，也因?yàn)閹繉蛹?xì)絲的定位操作過程較漫長并且手動(dòng)進(jìn)行，所以其決定了部件的最終成本。因此，改進(jìn)容器中的細(xì)絲的定位情況應(yīng)當(dāng)很有益。
與制造帶有由復(fù)合材料制成的嵌件的部件相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)的方法提出了制造環(huán)形部件如轉(zhuǎn)盤。已經(jīng)設(shè)想制造帶有由復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件，特別是轉(zhuǎn)軸，但是更大的技術(shù)困難阻止了這種制造的工業(yè)實(shí)施。已經(jīng)設(shè)想出一種方法，其提出使在形成護(hù)套的兩個(gè)芯軸之間沿縱向延伸的互相平行的帶涂層細(xì)絲滑入護(hù)套中，然后使整個(gè)組件經(jīng)受高溫等靜壓處理。如果需要獲得高密度的帶涂層細(xì)絲，在末期的細(xì)絲的情況下，插入帶涂層細(xì)絲即使不是不可能，也被證明是極其冗長乏味的。而且，細(xì)絲不正確定位的風(fēng)險(xiǎn)較高，這將會(huì)損壞細(xì)絲并且會(huì)導(dǎo)致部件的錯(cuò)誤性能。還設(shè)想將帶涂層細(xì)絲的預(yù)成形體在護(hù)套的整個(gè)長度上疊放，但是前文已經(jīng)敘述了這種疊放的缺點(diǎn)。而且，理想的是陶瓷纖維不垂直于部件延伸，以便更好地吸收力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主題是容許制造管狀部件如渦輪機(jī)轉(zhuǎn)軸的過程，所述管狀部件包括由復(fù)合材料制成的嵌件，所述過程能夠大規(guī)模執(zhí)行。
根據(jù)本發(fā)明，用于制造包括由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件的過程，其中有陶瓷纖維延伸，其特征在于其包括覆蓋步驟，其中由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的結(jié)合板繞著金屬芯軸覆蓋，每個(gè)細(xì)絲包括涂有金屬護(hù)套的陶瓷纖維，并且細(xì)絲通過點(diǎn)焊而結(jié)合。


通過閱讀以下參考附圖所進(jìn)行的描述，將會(huì)更清楚地理解本發(fā)明并且將會(huì)清楚其它特征，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的用于獲得帶有復(fù)合材料嵌件的部件的操作的示意性透視圖；
圖2是用于制造由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的結(jié)合板的裝置的示意圖；圖3是從根據(jù)圖2中裝置的第一操作方式形成的板上方觀察的示意圖；圖4是從根據(jù)圖2中裝置的第二操作方式形成的板上方觀察的示意圖；圖5是位于垂直于帶涂層細(xì)絲所延伸方向的平面中，在圖2的裝置的激光焊接模塊處，用于將兩個(gè)細(xì)絲焊接在一起的局部示意圖；圖6是用于實(shí)現(xiàn)用于制造帶有由復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件的過程，帶有傾斜端的由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的板的透視圖，；圖7是將圖6的板繞著芯軸鋪設(shè)的透視圖；圖8是用于在將板纏繞于芯軸上的初始處將由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的板焊接于金屬支承件上的電弧焊裝置的第一實(shí)施例的透視圖；圖9是在用于將由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的板焊接于本申請(qǐng)中所述的支承件上的電焊過程中，作為時(shí)間的函數(shù)，在電極之間流動(dòng)的電流強(qiáng)度的變化、由電極施加的壓力的變化和板的壓縮情況的變化的曲線圖；以及圖10是在將板纏繞于芯軸上結(jié)束時(shí)的圖8的裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
先將對(duì)制造帶涂層細(xì)絲的結(jié)合板的方法進(jìn)行描述。
首先，根據(jù)已知方法之一生產(chǎn)多個(gè)帶涂層細(xì)絲，優(yōu)選地通過涂敷過程來生產(chǎn)，在該涂敷過程中，將陶瓷纖維浸入液體金屬的槽中。這些細(xì)絲各自纏繞于線軸上。每個(gè)細(xì)絲具有例如0.2mm至0.3mm的直徑。
參看圖2，多個(gè)線軸7各自帶有繞著其圓周纏繞的帶涂層細(xì)絲8，置于線軸7的模塊9上。該模塊9使得可以將線軸7放置成使得它們能夠在無須細(xì)絲8互相交叉的情況下朝著下文中給出的翹曲模塊展開。在這種情況下，線軸模塊9具有呈支承著線軸7的等腰三角形形式的結(jié)構(gòu)，一半線軸7沿著三角形的一側(cè)，另一半沿著另一側(cè)，三角形的頂點(diǎn)指向燈絲8從線軸7展開的這側(cè)，朝著位于形成線軸模塊9結(jié)構(gòu)的三角形的對(duì)稱軸線上的點(diǎn)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)線軸7可以支承一捆或一陣列的帶涂層細(xì)絲。這樣，為了形成由一百個(gè)帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的板，可以使用十個(gè)線軸7，每個(gè)線軸7具有一捆十個(gè)繞著其圓周纏繞的帶涂層細(xì)絲。
帶涂層細(xì)絲8朝著翹曲模塊10展開。此處該翹曲模塊10示意性地并未詳細(xì)地示出，因?yàn)楸绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員可獲知其結(jié)構(gòu)。它比得上用于編織領(lǐng)域的翹曲模塊。翹曲模塊10包括容許細(xì)絲8互相平行拉伸的導(dǎo)向裝置，作為同一個(gè)平面中的層，彼此接觸而不會(huì)相互重疊。目的是形成由彼此接觸的并行細(xì)絲8構(gòu)成的平板。
這樣翹曲的細(xì)絲8被推至激光焊接模塊11中。這個(gè)模塊包括扁平支承件12，細(xì)絲8在扁平支承件12上方運(yùn)動(dòng)，激光焊接裝置13安裝于該支承件上方。細(xì)絲8因此被推過激光焊接裝置13。整個(gè)組件最好包含于惰性氣體環(huán)境中，例如通過噴嘴注入的氬氣構(gòu)成的環(huán)境。激光焊接裝置13例如可包括摻雜釹的YAG(釔鋁石榴石)激光，其相對(duì)于其功率及其激光束的沖擊點(diǎn)而言具有高精度的優(yōu)點(diǎn)，以及具有極準(zhǔn)直射束的優(yōu)點(diǎn)。激光此處最好具有介于2W與5W之間的功率。
在激光焊接模塊11的下游，細(xì)絲8由模塊17推動(dòng)以便在支承件12上方從線軸模塊9平移地拉動(dòng)細(xì)絲8。該推動(dòng)模塊17在這種情況下包括旋轉(zhuǎn)線軸17′，細(xì)絲8繞著線軸17′纏繞。線軸17’如箭頭18所示旋轉(zhuǎn)。這樣，細(xì)絲8由推動(dòng)模塊17沿著翹曲模塊10和激光焊接模塊11從線軸模塊9的其線軸7推動(dòng)，整個(gè)組件形成了用于形成帶涂層細(xì)絲8的結(jié)合板的裝置55。結(jié)合板纏繞于推動(dòng)模塊的線軸17′上。
圖5示出了剖面表示，其位于垂直于帶涂層細(xì)絲8所延伸方向的平面中，在用于將兩個(gè)細(xì)絲8焊接在一起的激光焊接模塊11處。焊接使用激光焊接裝置13通過點(diǎn)焊進(jìn)行。每個(gè)細(xì)絲8通過多次點(diǎn)焊與其相鄰細(xì)絲連接。如前所示，每個(gè)細(xì)絲8包括涂有金屬護(hù)套15的陶瓷纖維14，例如由鈦合金制成的金屬護(hù)套15。激光束如箭頭16所示指向兩個(gè)連續(xù)細(xì)絲8之間的接觸點(diǎn)的方向，垂直于包含沿著支承件12受推動(dòng)的細(xì)絲8的所有軸線的平面。這導(dǎo)致其金屬護(hù)套15局部熔化。使用的激光功率低但集中度高，以便確保陶瓷纖維14不受這種局部熔化的影響。最小體積的金屬護(hù)套15被熔化。這足以保證細(xì)絲8在這一點(diǎn)上連接在一起。對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以便使得由金屬熔化產(chǎn)生的焊池并不流出。
重要的是激光束的方向沿著迭蓋兩個(gè)細(xì)絲8的點(diǎn)區(qū)域，垂直于細(xì)絲8的平面，以便使得其并不損壞陶瓷纖維14，在制造帶有復(fù)合材料嵌件的部件的應(yīng)用中，陶瓷纖維14的完整性是指定給其的操作所需的條件。
點(diǎn)焊縫不需要很強(qiáng)。它們的功能僅僅是確保細(xì)絲8總體固結(jié)或者相互固位以便形成結(jié)合板。這種固結(jié)的強(qiáng)度必須剛好足以容許板得到處理，并且可能纏繞和展開，以便例如構(gòu)成帶有復(fù)合材料嵌件的部件。因此焊接剛好將細(xì)絲8保持在一起。
圖3和4示意性地示出了兩種設(shè)想的激光焊接模塊11的操作模式，在這種情況下用于形成包括十二個(gè)帶涂層細(xì)絲8的板。
在圖3中的操作模式中，當(dāng)帶涂層細(xì)絲8位于激光焊接裝置13下方時(shí)，推動(dòng)模塊17停止以便留下靜止的細(xì)絲8。然后焊接設(shè)備13沿著垂直于在焊接設(shè)備13下方延伸的方向的段在相鄰的細(xì)絲8之間產(chǎn)生一組點(diǎn)焊縫。為此目的，焊接設(shè)備13在兩個(gè)細(xì)絲8之間做出第一點(diǎn)焊縫19，如上文參看圖5所述。然后它被停止并垂直于細(xì)絲8的延伸方向運(yùn)動(dòng)，以便與介于兩個(gè)細(xì)絲8之間的下一個(gè)接觸點(diǎn)成一直線，其將下一個(gè)接觸點(diǎn)焊接成第二點(diǎn)焊縫19，諸如此類，直到所有細(xì)絲8已經(jīng)沿著這個(gè)移動(dòng)段結(jié)合在一起為止。因此，焊接設(shè)備13在焊接設(shè)備13下方垂直于細(xì)絲8的延伸方向做出一段點(diǎn)焊縫19。然后致動(dòng)推動(dòng)模塊17以便使得細(xì)絲8延伸過長度“L”經(jīng)過焊接設(shè)備13，隨后在平行于第一個(gè)段的另一個(gè)段上重復(fù)操作。
在圖4中所示的操作模式中，細(xì)絲8被在沿箭頭20所示的延伸方向上連續(xù)地推動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)通過推動(dòng)模塊17施加。焊接設(shè)備13執(zhí)行與前文相同的操作，即焊接操作，然后沿著垂直于細(xì)絲8運(yùn)動(dòng)的方向20的路徑朝著下一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)，等等，從第一細(xì)絲8直到最后一個(gè)，然后沿反向方式。如果細(xì)絲8的運(yùn)動(dòng)速度足夠低，則可以在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的細(xì)絲8之間焊接點(diǎn)焊縫19。因此在細(xì)絲8之間產(chǎn)生一組點(diǎn)焊縫19，其在由細(xì)絲8形成的板上方形成之字形。
還可以通過在焊接每個(gè)點(diǎn)焊縫19時(shí)停止推動(dòng)模塊17而獲得這種之字形點(diǎn)焊縫19的分布，推動(dòng)模塊17在每個(gè)點(diǎn)焊縫19之間推動(dòng)細(xì)絲8通過較短距離“L”，同時(shí)焊接設(shè)備13運(yùn)動(dòng)。
還可以進(jìn)行以下操作，即細(xì)絲8的運(yùn)動(dòng)只在形成點(diǎn)焊縫19時(shí)減慢。
點(diǎn)焊縫19的這種分布的優(yōu)點(diǎn)是其在由細(xì)絲8形成的板的表面上方具有更大的均勻性。
無論什么情況，在離開激光焊接模塊11時(shí)，細(xì)絲8呈結(jié)合板的形式，它們?cè)诮Y(jié)合板內(nèi)在保持點(diǎn)焊縫19處連接在一起。板纏繞于推動(dòng)模塊17的線軸17’上。
此處沒有參考用于制造帶涂層細(xì)絲8的結(jié)合板的過程的裝配階段。這個(gè)階段可以由本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員自由地修改，例如通過在過程開始時(shí)將細(xì)絲8纏繞于線軸17’上而進(jìn)行，而不將它們連接在一起，因此最終纏繞的板的最內(nèi)部分不是板形，或者例如通過在過程開始時(shí)使用另一種推動(dòng)裝置推動(dòng)細(xì)絲以及通過在它們開始呈板形式時(shí)將它們連接于線軸17’上而進(jìn)行。
在圖3中所示的段構(gòu)型的范圍內(nèi)的點(diǎn)焊縫19的段之間的距離“L”，或者說圖4中所示的之字形構(gòu)型中的兩個(gè)連續(xù)的點(diǎn)焊縫19之間的縱長距離“L”，根據(jù)帶涂層細(xì)絲8的板的所需剛性來設(shè)定。因此，對(duì)于剛性板，點(diǎn)焊縫19將密集，而對(duì)于柔性板，點(diǎn)焊縫19將更遠(yuǎn)離。當(dāng)然可以想象點(diǎn)焊縫19的另一種分布構(gòu)型。點(diǎn)焊縫19的構(gòu)型和間距將根據(jù)結(jié)合板所要用于的應(yīng)用選擇，特別是如果它必須盤繞、扭轉(zhuǎn)等等，而仍然按照最小間距以便保證整個(gè)組件在應(yīng)用的限定條件之下保持粘合。與帶涂層細(xì)絲8的板所要用于的應(yīng)用相比，關(guān)于點(diǎn)焊縫19的分布的構(gòu)型的規(guī)格較少依賴于過程本身。
由于激光焊接的執(zhí)行速度及其精確度，可以在自動(dòng)化系統(tǒng)中大規(guī)模地制造帶涂層細(xì)絲8的結(jié)合板，細(xì)絲8連接在一起，以便實(shí)現(xiàn)剛剛描述的過程。因此快速地獲得大量的帶涂層細(xì)絲8的板----可以形成幾千米的相同板----按照可以多種方式利用的形式。而且，板通過熔化細(xì)絲8的金屬護(hù)套15結(jié)合在一起，因此無須加入材料，特別是無須加入結(jié)合劑如粘合劑，因此，在用于使用帶涂層細(xì)絲形成帶有復(fù)合材料嵌件的部件的更一般的過程中，使得可以消除所有的結(jié)合劑除去步驟。
現(xiàn)在將對(duì)根據(jù)本發(fā)明用于制造帶有由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件進(jìn)行描述。
參看圖6，因此形成了帶涂層細(xì)絲8的板21，所述板此處包括十四個(gè)通過如圖3中所示的形成板的方法緊固在一起的互相并行的細(xì)絲。因此，細(xì)絲8通過沿著互相平行并且垂直于板21的總體軸線23(即當(dāng)細(xì)絲8按照線性方式延伸時(shí)垂直于細(xì)絲8的軸線)的段22延伸的點(diǎn)焊縫連接在一起。板21的端部傾斜以便獲得寬度為“D”的板21的端段26、27，與板21的軸線23角度形成“α”。
參看圖7，如此傾斜的板21被繞著圓柱形芯軸24覆蓋或鋪設(shè)。這個(gè)芯軸24為空心金屬管，最好由與涂敷了帶涂層細(xì)絲8的陶瓷纖維的金屬相同的金屬制成，此處由鈦合金制成。其具有圓形外周長，該值等于板21的傾斜端部的寬度“D”。在覆蓋之前，板21經(jīng)過其端段之一繞著芯軸24的一端纏繞，然后成螺旋形繞著芯軸24覆蓋，由于板21的軸線23與形成板21的傾斜端部的段26、27特別是段26之間的角度α，所以可以實(shí)現(xiàn)螺旋狀覆蓋，該段26預(yù)先繞著芯軸24的一端纏繞。板21的縱向邊緣與芯軸24的軸線25形成角度β(其中β＝π/2-α)。板21全部繞著芯軸24覆蓋，完全蓋著其外表面，而板21的帶涂層細(xì)絲8不互相迭蓋。板21的縱向邊緣在覆蓋的每圈處連續(xù)地互相形成接觸。最后，板21的設(shè)計(jì)及其傾斜的端段26、27使得其尺寸與芯軸24的展開面積相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)最終部件所需的由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的厚度而定，可以接連地繞著芯軸24覆蓋多個(gè)板21。優(yōu)選地，當(dāng)一個(gè)板繞著前面的板21覆蓋時(shí)，其在芯軸24的端部的初始位置使得一旦已經(jīng)覆蓋了新板，其帶涂層細(xì)絲8中的每一個(gè)按照交錯(cuò)方式在前一板的兩個(gè)帶涂層細(xì)絲8之間延伸，從而確保組件的更好緊湊性。而且，可以使板21角度發(fā)生偏移以便使得，此外，它們的縱向邊緣連接所沿著的曲線互相偏離，最好盡可能地遠(yuǎn)離(例如，限定了兩個(gè)縱向邊緣之間的接觸的每個(gè)曲線可位于距離前板的兩個(gè)鄰近曲線等距處)。不言而喻，必須根據(jù)已經(jīng)覆蓋的板21的數(shù)量來調(diào)節(jié)每個(gè)新板21的尺寸。在已知單個(gè)細(xì)絲的尺寸、芯軸的周長和已經(jīng)覆蓋的層的數(shù)量的情況下，構(gòu)成每個(gè)另加的板的細(xì)絲的數(shù)量可容易地計(jì)算出。優(yōu)選地，板21最初位于和纏繞的芯軸24的端部具有形成了軸向止動(dòng)器的邊，其徑向尺寸等于所有板21的厚度或者大于該厚度。同樣的情況應(yīng)用于另一端部。
角度α由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)最終的部件將承受的應(yīng)力和各種各樣的應(yīng)力(離心、拉伸、扭轉(zhuǎn)、壓縮等等。)模式確定。承擔(dān)力的主要是陶瓷纖維，它們的取向和它們的分布對(duì)部件的性能具有關(guān)鍵影響。因此可以根據(jù)所述的應(yīng)用修改角度α、帶涂層細(xì)絲8的直徑、陶瓷纖維的直徑等等。在此處考慮的特殊情況中，α被設(shè)為45°。
任選地，如果許多板21繞著芯軸24覆蓋，可以為這些板21提供不同的角度α。然而，在這種情況下推薦使用金屬護(hù)套較厚的帶涂層細(xì)絲8，以便正確地保護(hù)位于它們內(nèi)的陶瓷纖維。
當(dāng)板21的端部26繞著芯軸24的端部纏繞或者前板的端部纏繞時(shí)，在覆蓋開始時(shí)，為了覆蓋板21，如果這是最初的板21，后者就被緊固于芯軸24上，或者如果這是最終的板21，被緊固于前板上。覆蓋繼續(xù)進(jìn)行，板21的另一端按類似方式緊固于整個(gè)組件上。優(yōu)選地，通過兩個(gè)電極之間的接觸并且中頻電流通路，使用接觸焊方法來焊接板21的端部的薄帶，隨后將對(duì)接觸焊方法進(jìn)行介紹?？梢圆捎萌我馄渌椒?。
根據(jù)另一種實(shí)施方法，板21可以優(yōu)選地使用接觸焊方法，通過兩個(gè)電極之間的接觸和中頻電流通路，沿著相對(duì)于芯軸24的縱線焊在芯軸24或前板上，如后所述。
一旦已經(jīng)繞著芯軸24覆蓋了所需數(shù)量的板21，就將整個(gè)組件插入護(hù)套中，護(hù)套的內(nèi)徑等于該組件的外徑。該護(hù)套最好由與涂敷了帶涂層細(xì)絲8的纖維的金屬合金相同的金屬合金制成，此處由鈦合金制成。護(hù)套與形成了芯軸24的軸向止動(dòng)器的邊互補(bǔ)，以便使得最好在其每一個(gè)端部處由圓形金屬板堵塞的組件均一并且呈圓柱的形式。圓形板和護(hù)套最好通過電子束焊接方法焊接以便構(gòu)成密封的容器。這些板最好由鈦合金制成。電子束焊接容許在護(hù)套內(nèi)部預(yù)先形成真空。形成的組件隨后通過高溫等靜壓處理壓實(shí)。
在例如在1000巴的壓力950℃的溫度下進(jìn)行的高溫等靜壓處理期間，使得鈦合金發(fā)生擴(kuò)散并且形成復(fù)合材料的金屬基體，陶瓷纖維在其內(nèi)延伸。由于鈦合金在高溫下為粘性，所以在金屬基體形成期間，其容許良好的材料擴(kuò)散流，而不損壞陶瓷纖維。因此，在所述的特殊情況中，獲得的軸具有與芯軸24一致的內(nèi)部鈦合金厚度、由具有鈦合金基體的復(fù)合材料制成的中心嵌件和與護(hù)套一致的外部鈦合金厚度，其中陶瓷纖維按照螺旋狀方式在鈦合金基體中延伸。
可以根據(jù)所需的最終部件對(duì)該軸進(jìn)行機(jī)加工。優(yōu)選地，除去軸的端部及金屬板和板的任選軸向止動(dòng)器邊中的一個(gè)或兩個(gè)，以便獲得在其整個(gè)長度上均勻的軸。由于復(fù)合材料嵌件，所以這種軸具有對(duì)力的抵抗力很好的優(yōu)點(diǎn)，這容許其壁的總厚度顯著地小于常規(guī)型軸。這種小厚度意味著除了可觀的重量減輕以外，尺寸更小，這對(duì)需要存在許多同心軸的應(yīng)用很有用。軸還顯示出很好的耐腐蝕性，因?yàn)榇颂幤浠w成分為鈦合金，舉例來說，其腐蝕性能超過鋼。然而，在沒有陶瓷纖維的情況下，鈦合金對(duì)力的抵抗力將不夠。
由于其執(zhí)行的簡單性和可靠性，所描述的過程可以大規(guī)模實(shí)施，如果使用如下所述通過激光點(diǎn)焊和電極接觸焊形成板的方法，更是這樣。我們已經(jīng)看到，通過激光焊接形成的板具有強(qiáng)度大、而且強(qiáng)度可變、容易處理并且沒有任何添加材料例如粘合劑的優(yōu)點(diǎn)。這樣省卻了除去繞線器和除氣操作并且使得只包含鈦合金和陶瓷纖維的板可以直接被覆蓋。
在用于制造帶有復(fù)合材料嵌件的管狀部件的上述過程中，有利的是，至少在過程開始和結(jié)束時(shí)，將板緊固于其所纏繞的金屬支承件上，或者緊固于底層的板上。
迄今，用于緊固帶涂層細(xì)絲的過程提出了將粘合劑噴涂于細(xì)絲上，這樣的缺點(diǎn)如上所述。而且，一般避免包括焊接板的步驟的過程，因?yàn)樗鼈冇龅皆S多實(shí)施困難，最重要的一點(diǎn)是需要防止位于帶涂層細(xì)絲內(nèi)的陶瓷纖維受到任何損壞。這些纖維可具有100μm至200μm的直徑，或者更大，并且按照彎曲和剪切時(shí)特別脆。對(duì)帶涂層細(xì)絲的陶瓷纖維的任何損壞都會(huì)使這種細(xì)絲的固有優(yōu)點(diǎn)無效。
如下所述是用于將一個(gè)帶涂層細(xì)絲或者帶涂層細(xì)絲的結(jié)合板或者一束帶有涂層細(xì)絲局部焊接至金屬支承件上的過程和裝置，應(yīng)當(dāng)理解支承件是位于正確方向的金屬支承件或者又一個(gè)帶涂層細(xì)絲或者又一個(gè)板或者一束帶涂層細(xì)絲。這種過程和這種裝置容許細(xì)絲或者板或束緊固于支承件上，同時(shí)保持位于細(xì)絲內(nèi)的陶瓷纖維的完整性。如果在纏繞或者鋪設(shè)過程期間發(fā)生破壞，這個(gè)過程和裝置還容許修理細(xì)絲。
參看圖8，例如由用于形成板的上述過程形成的帶涂層細(xì)絲8的板29定為結(jié)合于芯軸24上。為此目的，理想的做法是在開始纏繞時(shí)將板29緊固于芯軸24上。為此，使用了用于在兩個(gè)電極之間焊接以及用于傳送中頻電流的接觸焊裝置31。帶涂層細(xì)絲8沿著芯軸24的外周邊延伸。板29此處包括十個(gè)細(xì)絲。
電弧焊裝置31包括連接到正電極33和負(fù)電極34的中頻發(fā)電機(jī)32。在圖8所示的實(shí)施例中，正電極33和負(fù)電極34沿著芯軸24的軸線延伸。它們的橫截面形狀在其整個(gè)寬度上均勻一致。
例如由銅或鎢制成的正電極33具有傾斜端部37。這個(gè)端部37的形狀使得電流線最大限度地會(huì)聚以便在帶涂層細(xì)絲8的正電極33與板29之間盡可能窄地沿著接觸的線或帶經(jīng)過。該端部37帶圓角以便不會(huì)剪切細(xì)絲8，這將會(huì)冒損壞它們的危險(xiǎn)。該端部37的半徑選擇成使得電流線獲得可能達(dá)到最好的會(huì)聚度，然而不會(huì)太小，以便不會(huì)剪切細(xì)絲8。
負(fù)電極34的形狀也使得其與板29必須焊接于其上的芯軸24的接觸面積減至最小，以便使得電流38的線盡可能窄地沿著線或帶會(huì)聚。芯軸24的幾何形狀此處為管狀，意味著可以使用圓柱形負(fù)電極34，從而減少與母體的接觸面積，有利于電流線的會(huì)聚。
電極33、34的這種設(shè)置結(jié)構(gòu)保證了板29隨后沿著很窄的帶焊在芯軸24上。在該帶中，電流密度恒定不變。
電弧焊過程包括以下特定特征，即將對(duì)板29的金屬的加熱與輕微的鍛造相結(jié)合，這通過壓在板29上的電極33、34實(shí)現(xiàn)。加熱與加壓的功率和持續(xù)時(shí)間有利地受到控制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的極小的加熱及鍛造，從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)焊接。
板29通過電流在正電極33與負(fù)電極34之間流過板29和芯軸24而得到加熱，由中頻發(fā)電機(jī)32產(chǎn)生的電流受到控制。壓力在此處通過壓在其上的正電極33施加于板29上因而正電極具有第二功能，即加壓的功能。其端部37的圓形形狀為這種功能呈現(xiàn)其全部重要性，因?yàn)榘?9的細(xì)絲8一定不能受到剪切。
圖9為曲線圖，作為時(shí)間t的函數(shù)，以虛線曲線56示出了經(jīng)過電極33和34之間的電流的強(qiáng)度的變化，以X軸上方的實(shí)線曲線57示出了由正電極33施加的壓力的變化。還在X軸下方示出了實(shí)線曲線58，這樣代表板29的壓縮情況。
電弧焊過程的執(zhí)行在下文中描述。如前所述，這是固態(tài)焊接過程。正電極33和負(fù)電極34分別與帶涂層細(xì)絲8的板29和芯軸24的內(nèi)表面接觸。在第一階段中，在兩個(gè)電極33、34之間，只有壓力施加于帶涂層細(xì)絲8上。壓力到達(dá)值P1，保持到時(shí)間t1。P1將最好介于50W與100W之間。這個(gè)“冷”加壓階段的功能是確保帶涂層細(xì)絲8自身之間以及與芯軸24的壁之間都存在良好接觸。在后來的情況中，其中至少兩層帶涂層細(xì)絲8焊接在一起，類似地，這個(gè)階段期間的目的是確保證所有所述的細(xì)絲相互接觸(一層細(xì)絲履行支承其它細(xì)絲的作用)。這種良好接觸保證了在下一個(gè)階段期間電流正確流動(dòng)。
在第二階段中，在時(shí)間t1處，在壓力在P1保持恒定的同時(shí)，電流被升高至值I1。優(yōu)選地，I1將介于500A與1500A之間。這加熱了金屬以用于涂敷帶涂層細(xì)絲8的陶瓷纖維并且開始焊接過程。
在第三階段中，在時(shí)間t2處，壓力變?yōu)橹礟2，大于P1，以便對(duì)板29的帶涂層金屬線8實(shí)施另外的鍛造。根據(jù)曲線58可以注意到，板29的壓縮直到時(shí)間t2一直輕微且均勻，這時(shí)由于另外的鍛造而增加，即由于電流的流動(dòng)和更高的壓力的聯(lián)合作用而增加。隨后進(jìn)行焊接。
在第四階段中，在時(shí)間t3之后，壓力恢復(fù)降至其值P1。
在第五階段中，從壓力恢復(fù)其值P1的時(shí)間t4起，電流被重置為零，而壓力保持在其值P1，以便當(dāng)焊縫冷卻時(shí)將其保持就位，直到時(shí)間t5，開始將由電極33、34施加的壓力減少至零并且完成過程的最終階段。
根據(jù)曲線58可以注意到，在第四、第五和最終階段期間，板29的壓縮可以通過彈性效應(yīng)稍微減少(即板的厚度再次稍微增加)。壓縮一般處于0.05mm至0.15mm的范圍內(nèi)。
因此，由于兩個(gè)電極之間的這個(gè)接觸焊過程，帶涂層細(xì)絲8的金屬護(hù)套受到局部地加熱和焊接，并且在它們之間并與它們的支承件形成結(jié)合，如剛對(duì)于芯軸的外表面介紹的情況，沿著正電極33的端部37與板29之間的接觸區(qū)域中的窄帶形成結(jié)合。這種焊接的進(jìn)行不會(huì)損害陶瓷纖維。更精確地說，經(jīng)過中頻電流導(dǎo)致局部溫度，因此帶涂層細(xì)絲8的護(hù)套的組成材料保持固態(tài)但是到達(dá)用于焊接(以及鍛造)材料的溫度范圍，沒有到達(dá)材料的熔點(diǎn)。由電極施加的力通常約為10DaN，容許啟動(dòng)焊接。因此，沿著該帶，獲得了統(tǒng)一厚度的金屬，陶瓷纖維位于該金屬內(nèi)，所述纖維不會(huì)受到焊接操作的損害。
因此板29被緊固于芯軸24上，容許開始鋪設(shè)過程。這種緊固不必很強(qiáng)----其為足夠其所要用于的應(yīng)用所需的焊接保持帶，此處為用于將帶涂層細(xì)絲8的板29鋪設(shè)于芯軸24上。
參看圖10，在鋪設(shè)結(jié)束時(shí)進(jìn)行相同的操作，以便將板29的端部焊接于板29的底層上，剛好位于其下方。采用的接觸焊過程類似。由中頻發(fā)電機(jī)32產(chǎn)生的電流和由正電極33施加的壓力受到優(yōu)化以便使得優(yōu)選地只有板29的兩個(gè)最外層焊接在一起，在窄的寬度上沿著焊接帶宛如形成統(tǒng)一的層，兩組位于該層內(nèi)。并不排除將幾層板29焊接在一起。這不一定必然伴有缺點(diǎn)。這是因?yàn)?，如果鋪設(shè)用來形成部件中的嵌件，則整個(gè)組件無論如何都將隨后受到壓實(shí)。盡管如此，能量水平仍然受到控制，以便控制焊接的板深度。電流從正電極33通過所有各層板29和芯軸24到負(fù)電極34。對(duì)于電流正確流動(dòng)“冷”加壓階段保證了各層之間的接觸。
還可以通過橫向地應(yīng)用裝置而垂直于芯軸24的軸線形成焊接帶。正電極33的傾斜端部37形狀于是可為凹形，芯軸24轉(zhuǎn)動(dòng)以便繞著其端部的整個(gè)周邊形成焊接帶。
用于焊接一個(gè)或多個(gè)帶涂層細(xì)絲的接觸焊過程還使得可以想象如果細(xì)絲或者細(xì)絲的板或細(xì)絲束在正在纏繞或覆蓋時(shí)斷裂，就將其修復(fù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)細(xì)絲正在纏繞時(shí)，其斷裂意味著必須停止纏繞過程，并且開始新的纏繞過程，已經(jīng)纏繞和斷裂的細(xì)絲就會(huì)失去。接觸焊過程容許將細(xì)絲或者板的斷頭焊接在一起并且恢復(fù)纏繞或者覆蓋操作。
權(quán)利要求
1.一種用于制造包括由金屬基體復(fù)合材料制成的嵌件的管狀部件的過程，其中有陶瓷纖維延伸，其特征在于其包括覆蓋步驟，其中由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的結(jié)合板(21)繞著金屬芯軸(24)覆蓋，每個(gè)細(xì)絲包括涂有金屬護(hù)套的陶瓷纖維，并且細(xì)絲通過點(diǎn)焊而結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造管狀部件的過程，其特征在于，板的傾斜端部繞著芯軸(24)的一端纏繞然后板以螺旋狀方式繞著芯軸的圓周覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的用于制造管狀部件的過程，其包括至少一個(gè)另外的步驟，即繞著已經(jīng)覆蓋的板鋪設(shè)帶涂層細(xì)絲的結(jié)合板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的任意一種用于制造管狀部件的過程，其特征在于，芯軸(24)和帶涂層細(xì)絲的結(jié)合板或板(21)被插入金屬護(hù)套中并且整個(gè)組件通過高溫等靜壓處理進(jìn)行壓實(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于制造管狀部件的過程，其特征在于，在高溫等靜壓處理之前，將芯軸的每個(gè)端部焊在圓形的金屬板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的任意一種用于制造管狀部件的過程，其特征在于，結(jié)合板或板(21)由用于制造板的過程形成，其中帶涂層細(xì)絲(8)被推動(dòng)模塊并排地翹曲和推動(dòng)經(jīng)過激光焊接裝置(13)，所述激光焊接裝置(13)在相鄰細(xì)絲之間形成點(diǎn)焊縫(19)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的任意一種用于制造管狀部件的過程，其特征在于，使用在兩個(gè)電極(33、34)之間的接觸焊過程和中頻電流通路將板緊固于芯軸或已經(jīng)覆蓋的板上，其中一個(gè)電極施加于板上而一個(gè)電極施加于其支承件上，并且使電流經(jīng)過通過固態(tài)擴(kuò)散而感生焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制造管狀部件的過程，其特征在于，在覆蓋開始和結(jié)束時(shí)都在板的端部緊固板。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或者8所述的用于制造管狀部件的過程，其特征在于，板沿著縱向帶緊固。
全文摘要
用于制造包括由金屬基體復(fù)合材料制成的插入物的管狀部件的方法，陶瓷纖維在其內(nèi)延伸，其特征在于其包括覆蓋步驟，其中由帶涂層細(xì)絲構(gòu)成的結(jié)合板(21)繞著金屬芯軸(24)覆蓋，每個(gè)細(xì)絲包括涂有金屬護(hù)套的陶瓷纖維，并且細(xì)絲通過點(diǎn)焊而結(jié)合。
文檔編號(hào)B21F15/08GK1868628SQ20061008361
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者讓-邁克爾·弗朗徹特, 吉勒斯·克雷恩, 阿甘茲·維納德 申請(qǐng)人:斯奈克瑪