ВОЛОКНИСТАЯ СТРУКТУРА И ЧАСТЬ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ СТРУКТУРУ
FIBROUS STRUCTURE AND PART OF COMPOSITE MATERIAL CONTAINING SUCH A STRUCTURE

Предпосылки создания изобретения.
Настоящее изобретение относится к изготовлению частей из композитного материала, а более конкретно - к изготовлению волокнистых армирующих структур для таких частей посредством трехмерного (3D) или многослойного ткачества.
Областью заявки на изобретение является изготовление частей из структурного композитного материала, т.е. частей, содержащих волокнистую армирующую структуру, уплотненную посредством матрицы. Использование композитных материалов обеспечивает возможность изготовления частей, имеющих общий вес, меньший веса тех же частей, изготовленных из металла.
Изобретение более конкретно относится к частям, изготовленным из композитного материала, содержащего один или большее количество участков с локально увеличенной толщиной, которую применяют, например, в хвостовике лопатки авиадвигателя, и которая соответствует зоне, содержащей большие вариации толщины в части из композитного материала. Для части, изготовленной из композитного материала, имеющей переменную толщину, изменение толщины контролируют, регулируя волокнистую структуру, которая должна составлять армирующую структуру части.
Изготовление лопаток из композитного материала для газотурбинных двигателей уже известно. Можно упомянуть, в частности, патентную заявку US 2011/0311368, поданную совместно компаниями Snecma и Snecma Propulsion Solide. В этой заявке описан способ изготовления лопатки для газотурбинного двигателя из композитного материала, содержащего волокнистую армирующую структуру, уплотненную посредством матрицы, где волокнистая заготовка, представляющая армирующую структуру, изготовлена посредством многослойного ткацкого переплетения и содержит первый участок малой толщины, образующий аэродинамическую предварительную заготовку; и второй участок большей толщины, образующий хвостовик предварительной заготовки лопатки. При таких обстоятельствах хвостовик предварительной заготовки лопатки изготавливали, используя вставку, для формирования бульбообразной области в участке лопатки, соответствующей ее хвостовику.
Тем не менее, при использовании такой технологии формирования хвостовика лопатки промышленное производство лопатки становилось более сложным и приводило к увеличению стоимости ее производства, так как оно вело к большим потерям материала, и при этом требовалась сложная обработка, из-за чего замедлялась скорость производства. Кроме того, вставка, которую тоже изготавливали из композитного материала, должна была быть уплотнена и механически обработана, что, таким образом, вело к дополнительным затратам и, возможно, к отбраковке частей.
Текстильная структура предварительной заготовки, являющейся естественно гибкой, механически взаимодействует со вставкой и может приводить, в частности, к усилиям сдвига в текстильной структуре, к поворотным движениям вставки, к потере взаимосвязи между вставкой и текстильной структурой, и т.д.
Кроме того, установлено, что формование и уплотнение участка предварительной заготовки, направленные на формирование хвостовика лопатки, являются сложными процессами, в частности, из-за того, что допуски на профиль бульбообразного хвостовика являются очень малыми (порядка одной десятой миллиметра), и из-за того, что к этому участку лопатки предъявляются жесткие требования, касающиеся обеспечения механических свойств, если учитывать, что в хвостовике лопатки концентрируется большая часть сил, прикладываемых к лопатке.
Другое решение, описанное, в частности, в документах US 7 101 154 и US 2011/0311368, заключается в увеличении линейной плотности (и, таким образом, поперечного сечения) нитей в участках большей толщины в волокнистой структуре для уменьшения объема, для уменьшения толщины, тогда как трехмерную (3D) волокнистую структуру формуют посредством сжатия. Тем не менее, локальное использование нитей большей линейной плотности ведет к увеличению содержания волокна в предварительной заготовке. Если содержание волокна является очень большим, то получаемая в результате сетка пор может быть недостаточной для обеспечения возможности хорошего доступа участков матрицы в сердцевину предварительной заготовки и, следовательно, для получения композитного материала, являющегося равномерным и, таким образом, обладающим хорошими механическими свойствами.
Таким образом, желательно иметь возможность создания доступных трехмерных (3D) или многослойных волокнистых структур, содержащих участки большей толщины, но которые не обладали бы вышеупомянутыми недостатками.
Цель и сущность изобретения
Поэтому, согласно первому аспекту изобретения, создана волокнистая структура, содержащая множество уточных слоев и основных слоев, взаимосвязанных посредством многослойного трехмерного ткацкого переплетения, причем волокнистая структура содержит по меньшей мере первый и второй участки, смежные в основном направлении, и первый участок имеет в направлении, перпендикулярном к основному и уточному направлениям, толщину, большую толщины второго участка, при этом структура отличается тем, что первый участок содержит около его сердцевины по меньшей мере один волокнистый материал, полученный посредством трехмерного ткацкого переплетения основных нитей и уточных нитей при формировании сетки ложного перевивочного переплетения, и упомянутый по меньшей мере один материал расположен между двумя покровными слоями, расположенными около поверхности первого участка, и связан с покровными слоями основными нитями, принадлежащими упомянутым покровным слоям и локально отклоненным в упомянутый материал.
Использование волокнистого материала с ложным перевивочным переплетением в сердцевине волокнистой структуры обеспечивает возможность получения большого изменения толщины между первым и вторым участками и регулирование содержания волокон в сердцевине первого участка. Кроме того, использование этого волокнист материала с ложным перевивочным переплетением обеспечивает возможность очень хорошего проникновения ингредиентов матрицы в волокнистую структуру сердцевины благодаря ее ажурной структуре при формировании сетки, и оно совместимо с использованием нитей большой линейной плотности. Волокнистая структура, согласно изобретению, является полностью текстильной структурой (т.е. без какой-либо дополнительной вставки), и нити структуры, переплетенные посредством трехмерного (3D) или многослойного ткацкого переплетения, таким образом, обеспечивают возможность того, что структура не может быть расслоена.
Материал с ложным перевивочным переплетением содержит множество уточных слоев и отличается тем, что он сформирован посредством ткацкого переплетения множества основных нитей со множеством уточных нитей, и тем, что он содержит по меньшей мере:
первую группу основных нитей, содержащую по меньшей мере один внутренний слой связующих основных нитей, которыми связаны уточные нити первого слоя материала с уточными нитями второго слоя материала, расположенного рядом с первым слоем; и
вторую группу основных нитей, отличающуюся от первой группы основных нитей и расположенную рядом с ней в уточном направлении, причем упомянутая вторая группа содержит по меньшей мере один внутренний слой связующих основных нитей, которыми связаны уточные нити первого слоя с уточными нитями второго слоя и представляющими направление взаимосвязи с уточными нитями, перевернутое относительно направления взаимосвязи, представленное посредством внутреннего слоя связующих основных нитей первой группы, с уточными нитями.
Во всем данном тексте и на всех чертежах утверждается и показано согласно принятым правилам и для обеспечения удобства, что имеются основные нити, которые отклонены от их трасс для удерживания уточных нитей. Тем не менее, эти роли основных и уточных нитей могут быть изменены на обратные, и такое изменение порядка следует рассматривать, как порядок, также охватываемый формулой изобретения.
Тот факт, что внутренний слой связующих основных нитей в каждой из первой и второй групп взаимосвязан с уточными нитями в перевернутых взаимосвязанных направлениях, обеспечивает возможность исключения этих двух связанных нитей, введенных в контакт. Благодаря этой характеристике обеспечивается возможность сохранения ненулевого пространства вдоль уточного направления между первой и второй группами основных нитей, чем, таким образом, придают сетчатую форму материалу, содержащему каналы, сформированные сквозь его толщину, где каждый из этих каналов определен в уточном направлении посредством двух смежных групп основных нитей, и в основном направлении - посредством двух, смежных групп уточных нитей. Благодаря наличию этих каналов обеспечивается возможность придания материалу с ложным перевивочным переплетением ажурной структуры таким образом, чтобы она служила, в частности, обеспечению возможности хорошего проникновения ингредиентов матрицы в сердцевину.
Предпочтительно, каждая из первой и второй групп основных нитей содержит по меньшей мере две боковые основные нити, расположенные с каждой стороны внутреннего слоя вяжущих основных нитей, где каждая из этих боковых основных нитей взаимосвязана с уточными нитями первого слоя.
Также, предпочтительно, боковые основные нити первой группы, представляющие направление взаимосвязи с уточными нитями, перевернутое относительно направления взаимосвязи, представленного боковыми основными нитями второй группы, с уточными нитями.
В варианте осуществления, волокнистый материал с ложным перевивочным переплетением представляет, в направлении, перпендикулярном к основному и уточному направлениям, толщину, уменьшающуюся в направлении ко второму участку.
Такая характеристика является благоприятной для регулирования формы первого участка и гарантированного обеспечения перехода толщины ко второму участку.
В варианте осуществления, первый и второй участки содержат одинаковое количество основных нитей, переплетенных непрерывно между упомянутыми первым и вторым участками, а первый участок содержит в его сердцевине количество слоев основной нити, большее количества слоев основной нити, расположенных в сердцевине второго участка.
Посредством разделения слоев основных нитей в сердцевине первого участка (т.е. посредством варьирования их количества на единицу длины), можно регулировать содержание волокна в сердцевине первого участка, при этом поддерживая удовлетворительное соотношение основных и уточных нитей в покровном слое поверх всей волокнистой структуры. Например, первый участок может содержать в его сердцевине количество слоев основной нити, равное двойному количеству слоев основной нити, расположенных в сердцевине второго участка.
В варианте осуществления, структура содержит углеродные нити или нити из керамического материала. Нить из керамического материала может быть, например, диоксидом кремния, например, алюмооксидном, или не диоксидом кремния, например, карбидом кремния.
Настоящее изобретение также предусматривает часть из композитного материала, содержащую волокнистую армирующую структуру, уплотненную посредством матрицы, где упомянутая волокнистая армирующая структура представлена волокнистой структурой, описанной выше.
В варианте осуществления, данная часть соответствует газотурбинной лопатке, а первый участок волокнистой структуры представляет собой участок волокнистой армирующей структуры, служащий хвостовиком лопатки.
Настоящее изобретение также предусматривает способ изготовления волокнистой структуры посредством многослойного трехмерного ткацкого переплетения множества уточных нитей и основных нитей, причем волокнистая структура содержит по меньшей мере первый и второй участки, смежные в основном направлении, и первый участок имеет, в направлении, перпендикулярном к основному и уточному направлениям, толщину, большую толщины второго участка, при этом способ отличается тем, что первый участок изготавливают посредством осуществления этапа трехмерного ткацкого переплетения основного и уточного слоев, где формируют волокнистый материал в виде сетки ложного перевивочного переплетения в сердцевине первого участка вместе с покровными слоями на поверхности первого участка, и переплетение покровных слоев локально модифицируют таким образом, чтобы отклонять определенные основные нити от упомянутых покровных слоев и переплетать их с образованием материала с ложным перевивочным переплетением.
При осуществлении такого способа, материал с ложным перевивочным переплетением обладает, в направлении, перпендикулярном к основному и уточному направлениям, толщиной, уменьшающейся по направлению ко второму участку.
При осуществлении такого способа, первый и второй участки содержат одинаковое количество основных нитей, переплетенных непрерывно между первым и вторым участками, а первый участок содержит в его сердцевине количество слоев основной нити, большее количества слоев основной нити, расположенных в сердцевине второго участка.
При осуществлении такого способа, первый участок содержит в его сердцевине количество слоев основной нити, равное двойному количеству слоев основной нити, расположенных в сердцевине второго участка.
При осуществлении такого способа, волокнистая структура содержит углеродные нити или нити из керамического материала. Нить из керамического материала может быть, например, из диоксида кремния, например, из алюмооксида, или не из диоксида кремния, например, из карбида кремния.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества изобретения станут понятными из следующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве не ограничивающих (объем изобретения) примеров и описанных со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
на фиг.1 - схематический вид ткацкого переплетения многослойной волокнистой структуры для лопатки авиадвигателя согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг.2-17 - сечение, поперечное утку, в увеличенном масштабе, где частично показано шестнадцать последовательных плоскостей переплетения участка волокнистой структуры большей толщины, представленной на фиг.1;
на фиг.18 - вид в перспективе предварительной волокнистой заготовки лопатки, полученной из волокнистой структуры, представленной на фиг.1;
на фиг.19 - вид в перспективе предварительной заготовки из композитного материала, полученной посредством уплотнения предварительной заготовки матрицей, представленной на фиг.18; и
на фиг.20 - фотография материала с ложным перевивочным переплетением.
Подробное описание вариантов осуществления
Изобретение применимо, обычно, для изготовления волокнистых структур, пригодных для производства волокнистой армирующей структуры или предварительной заготовки для использования согласно способу изготовления части из композитного материала, в частности, лопатки авиадвигателя; где часть получают посредством уплотнения волокнистой структуры матрицей. Для композитных материалов, используемых при относительно низкой температуре, обычно до 300°C; в качестве матрицы обычно используют полимер или же огнеупорный материал, например, углеродный или керамический материал, например, карбид кремния, при изготовлении композитов, являющихся термоструктурными материалами.
Волокнистую структуру, согласно изобретению, получают посредством создания трехмерного ткацкого переплетения или многослойного ткацкого переплетения.
Термин «трехмерное ткацкое переплетение», или «3D ткацкое переплетение», употребляется здесь для обозначения ткацкого переплетения, в котором по меньшей мере некоторое количество основных нитей переплетено с уточными нитями поверх множества уточных слоев.
Термин «многослойное ткацкое переплетение» употребляется здесь для обозначения трехмерного (3D) ткацкого переплетения со множеством уточных слоев, в которых базовым переплетением для каждого слоя является эквивалент обычного двухмерного (2D) переплетения, например, переплетения типа полотняного, атласного или саржевого, но с определенными точками переплетения, которыми связаны уточные слои.
Изготовление волокнистой структуры посредством трехмерного (3D) или многослойного ткацкого переплетения обеспечивает возможность образования связи между слоями и, таким образом, достижения хорошего механического поведения волокнистой структуры, и получения в результате части из композитного материала, посредством осуществления одной операции формирования текстильной структуры.
Важно улучшить полученное состояние поверхности после уплотнения, свободное от большинства неровностей, т.е. чтобы состояние отделки было хорошим, что позволяет исключить или ограничить отделочные операции механической обработки, или исключить образование наплывов полимера в композитах с полимерной матрицей. С этой целью, для волокнистой структуры, содержащей внутренний участок, или сердцевину, и наружный участок, или покровной слой, расположенный рядом с наружной поверхностью волокнистой структуры, покровной слой предпочтительно изготавливают посредством ткацкого переплетения с переплетением типа полотняного, атласного или саржевого, для ограничения поверхностных неровностей; где при использовании переплетения типа атласного также обеспечивают внешний вид поверхности, являющейся гладкой. Переплетение покровного слоя можно варьировать около наружной поверхности волокнистой структуры для придания ей требуемых определенных свойств, например, посредством перехода от переплетения полотняного типа, при котором получается тугое соединение, к переплетению атласного типа, при котором получается гладкое состояние поверхности.
Согласно изобретению, для формования участка большой толщины в волокнистой структуре, при этом регулируя содержание волокна в этом участке, используют волокнистый материал с переплетением типа ложного перевивочного переплетения для выработки волокнистой структуры сердцевины. Также можно использовать нити или стренги различной линейной плотности в сердцевине и покровном слое и/или в основе и утке для получения соотношения в пределах требуемых ограничений между объемом содержания основных волокон и объемом содержания уточных волокон.
Для достижения механических свойств, чтобы они были по возможности менее неравномерными внутри части из композитного материала, также благоприятно улучшить уплотнение армирующей волокнистой структуры с градиентом уплотнения, который был бы по возможности малым между сердцевиной волокнистой структуры и ее покровным слоем, в частности, при осуществлении уплотнения посредством химической инфильтрации из паровой фазы (ХИПФ). С целью улучшения доступа к сердцевине предварительной заготовки, сердцевину формируют, образуя переплетение ложного перевивочного типа, в результате чего обеспечивается легкое проникновение ингредиентов матрицы благодаря ажурной сетчатой форме переплетения.
Может быть целесообразным варьирование линейной плотности, т.е. поперечного сечения нитей или стренг, используемых для ткацкого переплетения волокнистой структуры, в частности, используя нити или стренги различной линейной плотности в сердцевине и покровном слое и/или основы и утка. Благодаря уменьшению линейной плотности нитей или стренг в сердцевине и покровном слое улучшается доступ газа к сердцевине, пропускаемого через покровный слой при осуществлении ХИПФ уплотнения. Линейная плотность может быть также выбрана таким образом, чтобы получалось соотношение в пределах требуемых ограничений между объем содержания основных волокон и объем содержания уточных волокон.
В примере можно использовать шнуры для формирования всей или части сердцевины волокнистой структуры и использовать нити или стренги меньшей толщины, чем толщина шнуров в покровном слое волокнистой структуры. Согласно такому примеру, обеспечивается возможность дополнительного увеличения толщины волокнистой структуры при сохранении регулирования среднего содержания волокна.
Может быть также целесообразным использование нитей различной химической природы в различных участках волокнистой структуры, в частности, в сердцевине и покровном слое, для придания определенных свойств получаемой в результате части из композитного материала, в частности, с точки зрения способности противостояния окислению или износу.
Ниже описан вариант осуществления волокнистой структуры согласно изобретению. В этом варианте осуществления ткацкое переплетение осуществляют на жаккардовой ткацкой машине.
На фиг.1 изображен в высокой степени схематически вид волокнистой структуры 200, которой надлежит составить волокнистую армирующую структуру лопатки авиадвигателя.
Волокнистая структура 200 получена посредством формирования трехмерного ткацкого переплетения (или «3D ткацкого переплетения»), или многослойного ткацкого переплетения, осуществляемого известным способом с использованием жаккардовой ткацкой машины, содержащей определенное количество основных нитей или стренг 201 во множестве слоев; основные нити связаны вместе с уточными нитями 202, тоже расположенными во множестве слоев. Вариант изготовления волокнистой предварительной заготовки для формирования волокнистой армирующей структуры лопатки для авиадвигателя подробно описан, в частности, в следующих документах: US 7101154; US 7241112; и WO 2010/061140.
Волокнистую структуру 200 ткут в форме полосы, проходящей, обычно, в направлении X, соответствующем продольному направлению лопатки, подлежащей изготовлению. Волокнистая структура имеет толщину, являющуюся переменной и определяемой как функция толщины вдоль продольного направления и профиля аэродинамической лопатки, подлежащей изготовлению. В ее участке, подлежащем формированию, хвостовике предварительной заготовки волокнистой структуры 200, содержится участок 203, большей толщины, которую определяют как функцию толщины хвостовика лопатки, подлежащей изготовлению. Волокнистая структура 200 проходит вверх от участка 204, уменьшающейся толщины, подлежащего формированию хвостовика лопатки, за которым следует участок 205 аэродинамической лопатки, подлежащей формированию. В направлении, перпендикулярном к направлению X, участок 205 имеет профиль переменной толщины между его кромкой 205a, которая должна составлять переднюю кромку лопатки, и кромкой 205b, которая должна составлять заднюю кромку лопатки, подлежащей изготовлению.
Волокнистую структуру 200 ткут, как одно изделие, и, после отрезания незаработанных нитей, она должна иметь почти окончательную форму и размеры лопатки (т.е. ее «чистую» форму). Поэтому у участков, у которых толщина волокнистой структуры изменяется, как у участка 204 уменьшающейся толщины, уменьшение толщины предварительной заготовки получается посредством постепенного удаления уточных слоев во время процесса ткачества.
В этом примере в участке 203 большей толщины используют такое же количество основных нитей, как и в участке 204 уменьшающейся толщины. С этой целью слои основных нитей, присутствующие в сердцевине участка 203 большей толщины, разводят по ширине для получения большего количества слоев основной нити в участке 203 большей толщины, чем в участке 204 уменьшающейся толщины. Слои основных нитей, присутствующие в сердцевине участка 203 большей толщины, затем представляют меньшее количество на единицу длины, чем слои основных нитей, представляют в участке 204 уменьшенной толщины. Термин «количество на единицу длины» употребляется здесь для обозначения количества нитей на единицу длины в основном направлении и в уточном направлении.
На фиг.2-17 показана часть шестнадцати последовательных плоскостей переплетения в участке 203 большей толщины в волокнистой структуре 200, полученной посредством трехмерного (3D) ткацкого переплетения, где уточные нити видны в сечении.
В участке 203 большей толщины, волокнистая структура 200 содержит 22 уточных слоя, более конкретно - 44 уточных полуслоя t1-t44. Первый покровный слой 2032 содержит уточные полуслои t1-t10; второй покровный слой 2033 содержит уточные полуслои t35-t44; а сердцевина содержит уточные полуслои t11-t34. В сердцевина 2031, расположенной между противоположными покровными слоями 2032 и 2033, трехмерное (3D) ткацкое переплетение является типом ложного перевивочного переплетения (материал ML). В покровных слоях 2032 и 2033 ткацкое переплетение является трехмерным. В покровном слое 2032 уточные полуслои t1 и t2 связанны вместе переплетением нерегулярного атласного типа. Аналогичным способом в покровном слое 2033 уточные полуслои t43 и t44 связаны вместе переплетением нерегулярного атласного типа. Множеством основных нитей C1, C2, C3, C16, C17 и C18 связаны вместе уточные нити 20 в покровных слоях 2032 и 2033. Материал ML с ложным перевивочным переплетением сердцевины 2031 связан с покровными слоями 2032 и 2033 посредством отклоненных основных нитей от покровных слоев в этот материал ML (см., например, нити C3 и C16 на фиг.3). Посредством отклонения этих основных нитей формируют связанные точки PL, которыми связывают материал ML с ложным перевивочным переплетением с покровными слоями 2032 и 2033.
В его участке 204 уменьшающейся толщины уточные нити постепенно удаляют для достижения количества уточных нитей, совместимого с участком 205, который подлежит использованию для формирования аэродинамической лопатки.
Материал ML с ложным перевивочным переплетением, присутствующий в сердцевине 2031 первого участка 203, содержит множество слоев CT1-CT12 уточных нитей (см., в частности, фиг.2). В показанном варианте осуществления материал с ложным перевивочным переплетением содержит двенадцать слоев уточных нитей, но это количество не выходило бы за пределы, охватываемые изобретением, если бы участок содержал некоторое другое количество слоев уточных нитей. Основные нити, например, C51, C71, C91, C111, C131 и C151, показанные на фиг.2, переплетены с уточными нитями 21 и 30 в этом материале ML.
Материал ML с ложным перевивочным переплетением также представляет, в направлении, перпендикулярном к основному и уточному направлениям, толщину, уменьшающуюся по направлению ко второму участку 204. Посредством постепенного уменьшения толщины этого материала ML можно регулировать содержание волокна в зоне 203a, соответствующей переходу между краем участка 203 большей толщины и началом участка 204 уменьшающейся толщины, т.е. в зоне, в которой толщина волокнистой структуры начинает уменьшаться. В описываемом здесь варианте осуществления уточные нити материала ML с ложным перевивочным переплетением заменяют постепенно в основном направлении уточными нитями 24, обладающими такой же линейной плотностью, как и уточные нити 20, присутствующие в участке 204 уменьшающейся толщины и в покровных слоях 2032 и 2033 волокнистой структуры.
В материале ML с ложным перевивочным переплетением каждый слой CT1-CT12 уточных нитей также содержит множество групп уточных нитей, обозначенных на фиг.2, например, как GT1 (группы уточных нитей первого слоя CT1 материала ML) и GT4 (группы уточных нитей четвертого слоя материала ML).
Смежные столбики уточных нитей в материале ML с ложным перевивочным переплетением отдалены друг от друга на ненулевое расстояние eT вдоль основного направления. В частности, смежные группы уточных нитей в одном слое CTi, где i в показанном примере изменяется от 1 до 12, отдалены на расстояние eT. Расстояние eT может быть, по существу, постоянным вдоль основного направления, как показано на чертежах, или в варианте оно может быть переменным вдоль этого направления.
Материал ML с ложным перевивочным переплетением имеет форму сетки, содержащей сквозные каналы вдоль его толщины. Как описано более подробно ниже, присутствие каждого из этих сквозных каналов является результатом ненулевого пространства, существующих, во-первых, между смежными группами уточных нитей, и, во-вторых, между смежными группами основных нитей.
В примере, показанном на фиг.2-17, каждая из групп уточных нитей содержит по меньшей мере две боковые нити 21 вместе с по меньшей мере одной центральной нитью 30, расположенной между ними. Каждая из групп уточных нитей, таким образом, содержит по меньшей мере три нити. В показанном примере центральная нить 30 является нитью с диаметром, большим диаметра двух боковых нитей 21. Показанный пример относится к группам уточных нитей, каждая из которых содержит три уточные нити. Тем не менее, это не выходило бы за пределы, охватываемые изобретением, для каждой из групп уточных нитей, если бы они содержали более трех уточных нитей. В варианте стренгу 30 можно было бы заменить на шнур или действительно на множество центральных нитей, расположенных бок о бок, и с диаметром, равным или отличным от диаметра боковой нити 21. Кроме того, и как описано подробно ниже, материал ML в показанном примере содержит множество групп основных нитей, где каждая группа содержит восемь основных нитей. Это не выходило бы за пределы, охватываемые изобретением, для материала с ложным перевивочным переплетением, если бы он содержал группы основных нитей, каждая из которых содержала бы некоторое количество основных нитей, отличающееся от восьми. Таким образом, в более общем виде, каждая из групп основных нитей может содержать по меньшей мере три основные нити. Кроме того, в показанном примере количество основных нитей в каждой из групп основных нитей отличается от количества уточных нитей в каждой из групп уточных нитей, но это не выходило бы за пределы, охватываемые изобретением, если бы эти два количества нитей были бы равными.
Переплетение основных нитей с уточными нитями описано ниже более подробно со ссылками на различные сечения, перпендикулярные утку, показанные на фиг.2-17. В заданном сечении, перпендикулярном утку, основные нити материала с ложным перевивочным переплетением (все) имеют одинаковое направление в переплетении с уточными нитями. Следовательно, и для краткости, переплетение одной основной нити с уточными нитями описано ниже в отношении каждой из плоскостей переплетения, показанных на фиг.2-17.
Как показано на фиг.4, связующей основной нитью C83 из первой группы основных нитей внутреннего слоя связаны уточные нити слоя CT4 материала с ложным перевивочным переплетением вместе с уточными нитями слоя CT5 этого материала. Более точно: основная нить C83 проходит попеременно поверх каждой из нитей группы уточных нитей GT4 первого слоя CT4 и под каждой из нитей группы уточных нитей GT5 второго слоя CT5. Более конкретно: нить C83 проходит поверх каждой из нитей первой группы GT4 уточных нитей первого слоя CT4, а затем под каждой из нитей второй группы GT5 уточных нитей второго слоя CT5, а затем - еще раз поверх каждой из нитей третьей группы GT4 уточных нитей первого слоя CT4 и т.д.
Приведенное выше описание, касающееся связующей основной нити C83 из первой группы внутреннего слоя, применимо к основной нити C85 из первой группы внутреннего слоя (см. фиг.6).
Аналогичные примечания также применимы к связующим основным нитям C74 и C76 первой группы основных нитей, каждой из которых связаны вместе уточные нити слоя CT3 материала с ложным перевивочным переплетением вместе с уточными нитями слоя CT4 этого материала (см. фиг.5 и 7).
Что касается второй группы основных нитей (см. также фиг.12), то показано, что каждой связующей основной нитью C811 второй группы основных нитей внутреннего слоя связаны уточные нити слоя CT4 материала с ложным перевивочным переплетением вместе с уточными нитями слоя CT5 того же материала. Более точно: основная нить C811 проходит попеременно поверх каждой из нитей группы GT4 уточных нитей первого слоя CT4 и под каждой из нитей группы GT5 уточных нитей второго слоя CT5. Более конкретно: нить C811 проходит поверх каждой из нитей первой группы GT4 уточных нитей первого слоя CT4, а затем - под каждой из нитей второй группы GT5 уточных нитей второго слоя CT5, а затем - еще раз поверх каждой из нитей третьей группы GT4 уточных нитей первого слоя CT4 и т.д.
Приведенное выше описание, касающееся связующей основной нити C811 второй группы внутреннего слоя, применимо к связующей основной нити C813 второй группы внутреннего слоя (см. фиг.14).
Аналогичные примечания также применимы к связующим основным нитям C712 и C714 второй группы основных нитей, которыми связана каждая из уточных нитей слоя CT3 материала с ложным перевивочным переплетением с уточными нитями слоя CT4 этого материала (см. фиг.13 и 15).
Следует, тем не менее, отметить, что основная нить C811 представляет направление взаимосвязи с уточными нитями, которое перевернуто относительно направления взаимосвязи, представляемого основной нитью C85 с уточной нитью. Другими словами, для заданного уточного столбика, при проходе основной нити C811 поверх каждой из нитей группы уточных нитей первого слоя CT4, основная нить C85 проходит под каждой из нитей группы уточных нитей второго слоя CT5. Аналогичным образом, для заданного уточного столбика, при проходе основной нити C811 под каждой из нитей группы уточных нитей второго слоя CT5, основная нить C85 проходит поверх каждой из нитей группы уточных нитей первого слоя CT4. Связующая нить C83 первой группы также представляет направление взаимосвязи с уточными нитями, перевернутое относительно направления взаимосвязи, представляемого связующей нитью C813 с уточными нитями.
Как упомянуто выше, это перевернутое направление взаимосвязи между связующими нитями первой и второй групп основных нитей внутреннего слоя соучаствует в обеспечении ненулевого пространства между первой и второй группами основных нитей, и, таким образом, в формировании волокнистого материала в виде сетки с порообразными каналами, посредством чего обеспечивается улучшенная проницаемость. Следует также отметить, что благодаря тому, что связующие нити в заданной группе основных нитей имеют то же направление во взаимосвязи с уточными нитями, обеспечивается возможность предоставления связующим нитям заданной группы основных нитей сближения друг с другом и, таким образом, также соучастия в образовании порообразных каналов (в компактном группировании нитей в заданной группе).
Следует также отметить, что при движении в уточном направлении, материал ML с ложным перевивочным переплетением представляет чередование первых групп основных нитей и вторых групп основных нитей с перевернутыми взаимосвязанными направлениями. Другими словами, при движении в уточном направлении материал ML с ложным перевивочным переплетением представляет последовательно первую группу основных нитей, а затем вторую группу основных нитей, после чего следует еще раз первая группа основных нитей, а затем еще раз вторая группа основных нитей и т.д. Каждая из первых групп основных нитей расположена рядом со второй группой основных нитей.
На фиг.2 и 8 показано, что первая группа основных нитей также содержит по меньшей мере одну первую, боковую, основную нить C71, расположенную с первой стороны связующей нити C83 внутреннего слоя вместе по меньшей мере с одной второй, боковой, основной нитью C77, расположенной со второй стороны связующей нити C83; где вторая сторона противоположна первой стороне в уточном направлении. Другими словами, связующая нить C83 внутреннего слоя расположена между боковыми основными нитями C71 и C77. Более точно: в показанном примере связующие нити C83 и C85 первой группы основных нитей внутреннего слоя (обе) расположены между боковыми нитями C71 и C77 первой группы основных нитей. Каждая из боковых основных нитей C71 и C77 переплетена со множеством групп GT4 уточных нитей первого слоя CT4.
Основная нить C71 проходит под первой боковой нитью 21 первой группы уточных нитей GT4, затем - поверх центральной нити 30 этой первой группы, а затем - под второй боковой нитью 21 этой первой группы. Основная нить C71 затем проходит поверх первой боковой нитью 21 второй группы уточных нитей GT4, смежных по отношению к первой группе в основном направлении, а затем - под центральной нитью 30 этой второй группы, затем - поверх второй боковой нити 21 этой второй группы и т.д. Основная нить C71 проходит попеременно под боковой нитью 21 группы GT4 уточных нитей и поверх боковых нитей 21 группы GT4 уточных нитей, расположенных рядом в основном направлении. Основная нить C71 проходит попеременно поверх центральной нити 30 группы GT4 уточных нитей и под центральной нитью 30 смежной группы GT4 уточных нитей в основном направлении.
Аналогичные примечания применимы ко второй боковой основной нити C77, представляющей то же направление переплетения с уточными нитями, что и первая основная нить C71 (см. фиг.8).
Аналогичные примечания также применимы к боковым основным нитям C62 и C68 первой группы основных нитей, каждая из которых переплетена со множеством групп GT3 уточных нитей в третьем уточном слое CT3 (см. фиг.3 и 9).
В варианте (не показан), в котором группы уточных нитей содержат две боковые уточные нити, между которыми расположены по меньшей мере две центральные уточные нити; где может быть основная нить, которая проходит под первой боковой нитью первой группы уточных нитей, затем - поверх каждой из центральных нитей первой группы, а затем - под второй боковой нитью этой первой группы. Эта основная нить может затем проходить поверх первой боковой нити второй группы уточных нитей, смежных с первой группой в основном направлении, а затем - под каждой из центральных нитей этой второй группы, а затем - поверх второй боковой нити этой второй группы и т.д. Это правильно по отношению к первой и второй группам основных нитей, присутствующих в материале с ложным перевивочным переплетением, в таком варианте.
Что касается второй группы основных нитей, (см. фиг.10 и 16), то показано, что вторая группа основных нитей также содержит по меньшей мере одну первую, боковую, основную нить C79, расположенную с первой стороны связующих нитей C811 внутреннего слоя вместе по меньшей мере с одной второй, боковой, основной нитью C715, расположенной со второй стороны связующей нити C811, где вторая сторона является противоположной относительно первой стороны в уточном направлении. Другими словами, связующая нить C811 внутреннего слоя расположена между боковыми основными нитями C79 и C715. Более точно: в показанном примере связующие нити C811 и C813 второй группы основных нитей внутреннего слоя расположены (обе) между боковыми нитями C79 и C715 второй группы основных нитей. Каждая из боковых основных нитей C79 и C715 переплетена со множеством групп уточных нитей первого слоя CT4.
Основная нить C79 проходит поверх первой боковой нити 21 первой группы уточных нитей GT4, затем - под центральной нитью 30 этой первой группы, а затем - поверх второй боковой нити 21 этой первой группы. После этого основная нить C79 проходит под первой боковой нитью 21 второй группы уточных нитей GT4, смежных по отношению к первой группе в основном направлении; затем - поверх центральной нити 30 этой второй группы, а затем - под второй боковой нитью 21 этой второй группы и т.д. Основная нить C79 проходит попеременно поверх боковой нити 21 группы GT4 уточных нитей и под боковой нитью 21 группы GT4 уточных нитей, смежной по отношению к основному направлению. Уточная нить C79 проходит попеременно под центральной нитью 30 группы GT4 уточных нитей и поверх центральной нити 30 группы GT4 уточных нитей, смежной по отношению к основному направлению.
Аналогичные примечания применимы ко второй боковой основной нити C715, представляющей то же направление взаимосвязи с уточными нитями, что и первая основная нить C79 (см. фиг.16).
Аналогичные примечания также применимы к боковым основным нитям C610 и C616 второй группы основных нитей, каждая из которых переплетена со множеством групп GT3 уточных нитей третьего уточного слоя CT3 (см. фиг.11 и 17).
Следует тем не менее отметить, что основная нить C79 представляет направление взаимосвязи с уточными нитями, перевернутое относительно направления переплетения, представляемого основной нитью C77, с уточными нитями. Другими словами, при таких обстоятельствах, когда основная нить C79 проходит поверх каждой из боковых нитей 21 заданной группы уточных нитей, основная нить C77 проходит под каждой из боковых нитей 21 этой группы. Аналогичным образом, при таких обстоятельствах, при проходе основной нити C79 под центральной нитью 30 заданной группы уточных нитей, основная нить C77 проходит поверх центральной нити 30 этой группы. Основная нить C71 также представляет направление взаимосвязи с уточными нитями, перевернутое относительно направления взаимосвязи, представляемого основной нитью C715, с уточными нитями.
Как упомянуто выше, это перевернутое направление взаимосвязи между боковыми нитями первой и второй групп основных нитей вносит свой вклад в получение ненулевого пространства между первой и второй группами основных нитей и, таким образом, в формирование волокнистого материала в виде сетки, в которой порообразные каналы особенно доступны. Следует также отметить, что благодаря тому, что боковые нити заданной группы основных нитей имеют одинаковое направление взаимосвязи с уточными нитями, обеспечивает возможность сближения боковых нитей заданной группы основных нитей и, таким образом, также вносит свой вклад в образование порообразных каналов (компактное группирование нитей в заданной группе).
Использование материала с ложным перевивочным переплетением в сердцевине первого участка волокнистой структуры обеспечивает возможность значительного увеличения толщины волокнистой структуры при сохранении регулирования среднего содержания волокна в сердцевине, которого не было в действительности при использовании только нитей с большой линейной плотностью в сердцевине. Более конкретно: при использовании нитей с высокой линейной плотностью в сердцевине структуры, действительно можно увеличивать локально толщину структуры, но это ведет к увеличению среднего содержания волокна в сердцевине, что не совместимо с требуемыми механическими свойствами. При очень большом среднем содержании волокна в сердцевине невозможно получить пористую сетку, достаточную для обеспечения возможности хорошего доступа ингредиентов матрицы в сердцевину волокнистой структуры. Количество матрицы, присутствующей в сердцевине, получается недостаточным, что означает невозможность получения части из композитного материала, обладающей требуемыми, равномерными, механическими свойствами. Эта проблема решается посредством использования материала с ложным перевивочным переплетением, в котором, благодаря формированию сквозных каналов в его толщине, обеспечивается возможность локального увеличения толщины структуры при ограниченном увеличении среднего содержания волокна. В волокнистую структуру, полученную таким способом, при использовании уплотнения обеспечивается очень хороший доступ для ингредиентов матрицы в сердцевину структуры, в ее участки большей толщины.
На фиг.20, в виде иллюстрации, показан пример материала ML с ложным перевивочным переплетением, пригодный для использования в сердцевине первого участка волокнистой структуры. Можно рассмотреть сквозные каналы CA, проходящие сквозь толщину материала и придающую ему ажурную структуру, в которую может легко проникать матрица.
В частности, но не исключительно, волокнистая структура, согласно изобретению, может быть соткана из нитей, изготовленных из углеродных волокон, керамических волокон, например, из волокон из карбида кремния, или из оксидных волокон, например, алюмооксидных волокон.
После выработки волокнистой структуры 200 незаработанные нити отрезают. При этом получают волокнистую предварительную заготовку 100, показанную на фиг.18, сотканную в виде одного изделия.
После этого волокнистую предварительную заготовку 100 уплотняют для формирования лопатки 10 из композитного материала, показанной на фиг.19. Волокнистую предварительную заготовку, предназначенную для формирования волокнистой армирующей структуры части, для изготовления, уплотняют, понуждая материал, составляющий матрицу, к заполнению пор предварительной заготовки, во всем или в части ее объема. Это уплотнение может быть осуществлено известным способом с использованием способ отверждения жидкости или способом химической инфильтрации из паровой фазы (ХИПФ), или действительно посредством соединения обоих способов.
Способ отверждения жидкости заключается в пропитке предварительной заготовки жидкой композицией, содержащей предшественника материала матрицы. Предшественник обычно используют в виде полимера, например, высококачественной эпоксидной смолы, возможно, разбавленной в растворителе. Предварительную заготовку помещают в пресс-форму, пригодную для закрывания герметичным образом и содержащую полость в виде формуемой готовой лопатки. После этого пресс-форму закрывают и впрыскивают жидкий предшественник матрицы (например, полимер) во всю полость для пропитки всего волокнистого участка предварительной заготовки.
Предшественник трансформируют в матрицу, т.е. полимеризуют посредством осуществления тепловой обработки, обычно посредством нагрева пресс-формы, после удаления любого растворителя и после термофиксации полимера, предварительную заготовку выдерживают все время в пресс-форме, имеющей форму, совпадающую с формой части, подлежащей изготовлению.
При формировании углеродной или керамической матрицы тепловая обработка заключается в пиролизе предшественника для трансформации матрицы в углеродную или керамическую матрицу, в зависимости от используемого предшественника и от условий пиролиза. Например, в качестве жидких предшественников для керамики, в частности, SiC, можно использовать полимеры типа поликарбосилана (PCS) или полититанокарбосилана (PTCS), или полисилазана (PSZ), тогда как в качестве жидких предшественников углерода можно использовать смолы, имеющие относительно высокое содержание кокса, например, фенольные смолы. Множество последовательных циклов от пропитки до тепловой обработки может быть осуществлено для достижения требуемой степени уплотнения.
Согласно аспекту изобретения, в частности, при образовании органической матрицы, волокнистая предварительная заготовка может быть уплотнена посредством хорошо известного способа литьевого прессования смолы (RTM). Согласно способу RTM, волокнистую предварительную заготовку помещают в пресс-форму, содержащую наружную форму части, подлежащей изготовлению. Во внутреннее пространство пресс-формы, содержащей волокнистую предварительную заготовку, впрыскивают термореактивную смолу. В этом внутреннем пространстве обычно создают градиент давления между местом, где смолу впрыскивают, и отверстиями для выпуска смолы, для регулирования и оптимизации пропитки предварительной заготовки смолой.
Волокнистую предварительную заготовку можно в равной степени уплотнять известным способом, посредством химической инфильтрации из паровой фазы (ХИПФ). Волокнистую предварительную заготовку, соответствующую волокнистой армирующей структуре лопатки, подлежащей изготовлению, помещают в печь, в которую впускают реактив в газовой фазе. Давление и температуру, поддерживаемые в печи, и композицию в газовой фазе выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась возможность диффундирования газовой фазы внутрь пор предварительной заготовки для формирования матрицы в ней посредством осаждения твердого материала в контакте с волокнами сердцевины предварительной заготовки, где твердый материал получается в результате разложения ингредиента в газовой фазе или реакции между множеством ингредиентов, в противоположность условиям, касающимся давления и температуры, являющимися специальными для способов осаждения химических веществ из паровой фазы (CVD), которые заключаются просто в осаждении материала на поверхности подложки.
Матрица из керамики (SiC) может быть сформирована посредством использования метилтрихолосилана (MTS), из которого получается SiC, посредством разложения MTS, тогда как углеродная матрица может быть получена посредством использования газообразных углеводородов, например, метана и/или пропана, из которых получается углерод посредством крекинга.
Уплотнение, объединяющее технологию с использованием жидкости и технологию с использованием газа, может быть также применено для облегчения работы, ограничения стоимости и ограничения числа производственных циклов, при этом обеспечивая достижение характеристик, удовлетворяющих требования предполагаемого применения.
Также можно использовать способ инфильтрации расплава для формирования матрицы в порах волокнистой предварительной заготовки. Согласно способу такого типа, матрицу формируют посредством инфильтрации с использованием кремния или сплава кремния в расплавленном состоянии. Перед инфильтрацией можно вводить керамические или углеродные частицы в поры волокнистой предварительной заготовки. Керамические частицы могут быть, например, частицами карбида кремния. При введении углеродных частиц, они вступают в реакцию с расплавленным кремнием, вводимым для формирования карбида кремния. Керамические или углеродные частицы можно вводить в виде суспензии.
Начиная с волокнистой структуры согласно изобретению, вышеописанным способом уплотнения обеспечивают возможность получения преимущественно частей, изготавливаемых из органического матричного композитного материала (OMC), углеродного матричного материала (C/C), и керамического матричного композитного материала (CMC).
При изготовлении части из оксид/оксид композитного материала, волокнистая структура может быть пропитана суспензией, содержащей огнеупорные оксидные частицы. После удаления жидкой фазы суспензии, полученную предварительную заготовку подвергают тепловой обработке для спекания частиц и получения огнеупорной оксидной матрицы. Структура может быть пропитана способами с использованием градиента давления, как при способах типа литьевого прессования смолы (RTM), или посредством всасывания субмикронного порошка.
После уплотнения получают лопатку 10 из композитного материала, которая, как показано на фиг.19, содержит хвостовик 103 в ее нижнем участке, сформированный в волокнистой структуре 200 в виде участка 203 большей толщины, выступающего в виде хвостовика 104, сформированного из участка 204 уменьшающейся толщины в структуре 200, и аэродинамическую лопатку 105, сформированную в виде участка 205 в волокнистой структуре 200.
Волокнистую структуру и способ ее изготовления согласно настоящему изобретению можно использовать, в частности, для изготовления лопаток газотурбинного двигателя, которые имеют форму, более сложную, чем форма лопатки, показанной на фиг.19, например, лопатки, содержащей, кроме того, что показано на фиг.19, одну или большее количество платформ, служащих для осуществления функций, например, уплотнения прохода газового потока, предотвращение наклона и т.д.