СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR MANUFACTURING PART OF COMPOSITE MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу изготовления детали из композитного материала с применением технологии автоматического укладки волокон (Automated Fiber Placement (AFP)).
Уровень техники
Как известно, детали из композитного материала получают укладкой предварительно пропитанных усиливающих волокон в форме слоев. При некоторых современных технологиях укладка проводится вручную оператором. Эти приёмы могут служить причиной относительно высоких затрат на производство деталей и связаны с рисками совершения ошибок при расположении слоёв. Это ведёт к некоторой переменчивости механических свойств произведённых деталей, а также к изготовлению деталей, механические свойства которых могут быть улучшены.
Были найдены и другие решения, такие, как приём автоматической укладки волокон. Этот механизированный приём представляет собой интерес в отношении снижения себестоимости деталей из композитного материала. В уровне техники волокнистые слои, пропитанные водной суспензией с содержанием керамических частиц, укладываются на поверхность для получения преформы для изготавливаемой детали. Полученную таким образом преформу сушат, затем спекают керамические частицы для образования матрицы в порах преформы. Однако механические характеристики деталей, полученных посредством приёмов автоматической укладки волокон согласно уровню техники, могут быть улучшены, в частности, путём обеспечения присутствия остаточных пор внутри матрицы.
Кроме того известно, что в US 5 188 782 раскрыто производство преформ на основе керамических или металлических волокон, что в FR 3 033 729 раскрыта головка для нанесения волокон с использованием системы инфракрасного нагрева, что в ЕР 1 472 060 раскрыты углеродная лента с быстродействующим связующим веществом и способ её применения, что в US 5 439 627 раскрыт способ изготовления усиленных композитов и что в US 2013/0149491 раскрыто композитное изделие, полученное на основе волокнистой ленты.
Следовательно, существует необходимость в способе получения деталей из композитного материала с улучшенными механическими свойствами при пониженной себестоимости.
Раскрытие сущности изобретения
Поэтому, согласно первому аспекту изобретения, предложен способ изготовления детали из композитного материала, включающий в себя следующие этапы:
- формирование волокнистой преформы получаемой детали путём нанесения на поверхность множества волокнистых структур, пропитанных термопластичным полимером, причем это нанесение производится автоматической укладкой волокон,
- удаление термопластичного полимера из преформы растворением посредством растворителя,
- впрыск жидкого пропиточного состава в поры волокнистой преформы после удаления термопластичного полимера для формирования матрицы в порах волокнистой преформы.
Для краткости автоматическая технология укладки волокон ниже будет называться «технология AFP».
Термопластичный полимер, содержащий полностью или частично волокна волокнистых структур, придаёт им достаточные сцепление и адгезионную способность, соответствующие получению волокнистой преформы посредством технологии AFP. Согласно изобретению термопластичный полимер применяется в качестве быстродействующего связующего для формирования преформы, но затем его удаляют без вредного остатка перед формированием матрицы. Такое удаление позволяет высвободить поры преформы для введения в них впрыском материала или материалов для образования матрицы в порах с промежуточными и внутренними волокнами. Способ согласно изобретению отличается от известных технологий AFP тем, что компонент или компоненты для образования матрицы не применяются одновременно с волокнами при формировании преформы, а напротив применяются путём впрыска пропиточного состава после этапов формирования преформы и удаления термопластичного полимера. Внесение матрицы этой технологией впрыска позволяет эффективно повысить качество полученной матрицы при существенном снижении объёма макропор по сравнению с известными технологиями AFP, при которых образование макропор присуще технологии укладки предварительно пропитанных слоёв компонентов матрицы. Таким образом, изобретение позволяет изготавливать при пониженных производственных затратах детали из композитного материала с улучшенными механическими свойствами, что, в частности, позволяет снизить вес выполненных элементов из таких деталей при полном сохранении требуемых механических характеристик.
Согласно примеру осуществления температура перехода термопластичного полимера в стеклообразное состояние превышает или равна 50°С.
Такой признак способствует повышению стойкости во времени волокон, пропитанных термопластичным полимером, и ограничению липкости волокон при комнатной температуре (20°С), что таким образом упрощает их хранение перед нанесением с помощью технологии AFP и их перемещение к прижимному элементу укладочной головки AFP.
Согласно примеру выполнения термопластичный полимер имеет температуру плавления свыше или равную 50°С, например, от 50 до 250°С, даже от 150 до 200°С.
Такой признак способствует ограничению клеящей способности волокон при комнатной температуре, упрощая тем самым их хранение перед укладкой с помощью технологии AFP и их перемещение внутри укладочной головки. Требуемая способность к слипанию может быть достигнута нагревом во время нанесения с помощью технологии AFP для размягчения, даже расплавления термопластичного полимера.
Согласно примеру осуществления термопластичный полимер выбирают из: полиалкильных карбонатов, сложных полиэфиров, поли(метакрилата метила) (PMMA), поливинилового спирта (PVA), поливинипирролидона (PVP), полиэтиленгликоля (PEG), мальтодекстринов, целлюлозных полимеров, восков и их смесей. Согласно примеру осуществления термопластичный полимер является водорастворимым. В этом случае растворитель является водным. В частности, водорастворимый термопластичный полимер выбирается из: поливинилового спирта (PVA), поливинилпирролидона (PVP), полиэтиленгликолей (PEG) и их смесей. Растворителем может служить вода, например, при температуре превышающей или равной 60°С, даже от 60 до 90°С. Какой бы ни была его химическая природа, растворитель может быть жидким.
Согласно примеру осуществления волокнистые структуры получают из керамических волокон, оксидных или не оксидных, стекловолокон, металлических волокон, полимерных волокон, таких, как арамидные волокна (Kevlar), борных волокон или углеродных волокон или из смеси таких волокон. Согласно примеру осуществления матрицу получают после нагрева пропиточного состава, введенного в поры преформы.
В этом случае пропиточный состав может содержать суспензию с множеством керамических частиц, матрица может быть образована спеканием этих частиц.
В качестве варианта пропиточный состав может содержать смолу, а матрица может быть образована сшиванием или сшиванием с последующим пиролизом этой смолы.
Согласно примеру осуществления матрица образована впрыском композиции из расплавленного металла в поры преформы.
Матрица может быть выполнена, по меньшей мере, частично и даже полностью из керамического материала. В качестве варианта матрица может содержать, по меньшей мере, одну углеродную фазу и, по меньшей мере, одну фазу из керамического материала. Керамический материал, образующий матрицу полностью или частично, может быть оксидным материалом, например, глинозёмом, или не оксидным материалом, например, карбидом кремния. В том случае, когда в матрице содержится оксидный керамический материал, волокнистые структуры могут быть образованы оксидными керамическими волокнами, например, волокнами глинозёма или алюмосиликата, или смесью из таких волокон. В том случае, когда в матрице содержится не оксидный керамический материал, волокнистые структуры могут быть образованы углеродными волокнами или не оксидными керамическими волокнами или смесью из таких волокон.
Также изобретение касается тех случаев, когда матрица полностью состоит из углерода. Такие типы матрицы могут быть получены впрыском смолы в качестве прекурсора углерода, такой, как феноловая или фурановая смолы, с последующим пиролизом этой смолы.
Также в качестве варианта полученная матрица может быть органической. Органическая матрица может быть получена впрыском смолы и её сшиванием. В том случае, когда матрица является органической, волокнистые структуры могут быть образованы углеродными волокнами, стекловолокнами, полимерными волокнами, борными волокнами или металлическими волокнами или смесью этих волокон.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения приведены ниже в описании частных вариантов осуществления изобретения в качестве неограниченных примеров, со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображено:
на фиг. 1 схематично и частично показано образование волокнистой преформы посредством автоматической укладки волокон в рамках примера осуществления способа согласно изобретению;
на фиг. 2 представлена блок-схема с указанием последовательности этапов, которые могут быть осуществлены в рамках способа согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично и частично показано изготовление волокнистой преформы автоматической укладкой волокон в рамках примера осуществления способа согласно изобретению. Полученная при этом волокнистая преформа предназначена служить волокнистым усилением для изготавливаемой детали.
На фиг. 1 схематически изображена конструкция укладочной головки 1 устройства для выполнения технологии AFP. Конструкция изображённой укладочной головки 1 сама по себе известна. В укладочную головку 1 подаётся пропитанная термопластичным полимером волокнистая лента 3 для изготовления волокнистой преформы.
Предварительная пропитка волокнистой ленты термопластичным полимером может производиться любым известным способом, например, окунанием, нанесением полимера валком или же напылением полимера. Лента может быть пропитана термопластичным полимером до применения технологии AFP и храниться до момента применения этой технологии. В качестве варианта лента пропитывается при укладке на укладочную головку 1 на входе в неё и далее непосредственно подаётся в неё для формирования преформы посредством технологии AFP.
Термопластичный, пропитывающий волокнистую ленту 3 полимер может быть водорастворимым, как упоминалось. Это водорастворимое свойство позволяет полимеру растворяться при контакте с водной средой при температуре свыше или равной 20°С, даже 50°С. Однако термопластичный полимер может и не быть водорастворимым, в таком случае применяется органический растворитель для проведения этапа его удаления после формирования волокнистой преформы.
Как уже упоминалось выше, термопластичный полимер может иметь температуру перехода в стеклообразное состояние, превышающую или равную 50°С, например, от 50 до 120°С, например, от 60 до 80°С, даже от 60 до 70°С. Температура перехода в стеклообразное состояние может быть определена посредством дифференциальной сканирующей калориметрии (Differential Scanning Calorimetry (DSC)).
Температура плавления термопластичного полимера может составлять от 50 до 250°С, даже от 150 до 200°С. Температура плавления может измеряться посредством DSC.
Волокнистая преформа формируется на поверхности S подложки 10. Для этого в укладочную головку 1 поступает волокнистая лента 3, пропитанная термопластичным полимером. Пропитанная лента 3 посредством транспортирующего элемента 5 перемещается до прижимного элемента 7, расположенного на стороне поверхности S. Транспортирующий элемент 5 выполнен в этом случае в виде пары роликов 5а и 5b противоположного вращения, между которыми находится лента 3. Транспортирующий элемент 5 обеспечивает перемещение пропитанной ленты 3 до прижимного элемента 7 в направлении стрелки F1.
Прижимной элемент 7 создаёт давление на пропитанную лету 3 для её укладки на поверхность S. Прижимной элемент 7 выполнен в данном случае в виде валка. Дополнительно укладочная головка 1 может содержать нагревательный элемент 9, расположенный рядом с прижимным элементом 7. Этот нагревательный элемент 9 позволяет при необходимости нагревать пропитанную ленту 3 при её укладке для разжижения термопластичного полимера и таким образом для придания уложенной ленте требуемой способности к сцеплению. Нагревательный элемент 9 может, например, нагревать пропитанную, находящуюся на прижимном элементе 7 ленту до температуры свыше или равной 50°С. Во время укладки термопластичный полимер может быть размягчённым, т.е. он может быть нагретым до температуры свыше своей точки размягчения. Таким образом термопластичный полимер при своей укладке может быть в жидком или пастообразном состоянии.
Во время укладки укладочная головка 1 двигается для нанесения пропитанной ленты 3 на первую заданную зону поверхности S (стрелка F2). Как только укладка в первой зоне произведена, режущий элемент 11 укладочной головки 1 отрезает пропитанную ленту 3. Таким образом, после отрезания получают нанос первой пропитанной волокнистой структуры, образованной первым отрезком ленты 3 в первой зоне на поверхности S. Первоначально, до нанесения первой волокнистой структуры, начальный слой термопластичного материала может быть нанесён в первой зоне поверхности S, затем первая волокнистая структура может быть нанесена на этот слой термопластичного материала. Нанесение этого термопластичного начального слоя является факультативным.
Формирование преформы продолжается затем подачей пропитанной ленты 3 в укладочную головку 1 до прижимного элемента 7 посредством активации транспортирующего элемента 5. Укладочная головка 1 может смещаться для укладки ленты 3 во второй зоне поверхности S, отличающейся от первой зоны. Нанесение второй пропитанной волокнистой структуры, образованной вторым отрезком ленты 3, на вторую зону поверхности S получают аналогичным способом, что и описанный выше.
Далее продолжается образование преформы нанесением одной или нескольких других пропитанных волокнистых структур таким же способом, что и описанный выше.
Как было упомянуто выше, могут рассматриваться разные материалы для получения волокон для волокнистых структур. В частности, волокнистые структуры могут состоять из керамических или углеродных волокон. Керамические волокна могут быть из материала, не являющегося оксидом, например, из карбида кремния SiC, или из материала, являющегося оксидом, например, из глинозёма. Согласно примеру осуществления используемые волокна могут быть волокнами SiC, поставляемыми под наименованием «Nicalon», Hi-Nicalon» или «Hi-Nicalon-S» японской фирмой Nippon Carbon или Tyranno SA3, фирмой UBE. Также можно применять волокна из глинозёма, поставляемые под наименованием «Nextel» фирмой 3М. Волокна, поставляемые под наименованием Torayca T300 фирмой Toray, являют собой пример пригодных к применению углеродных волокон.
Нанесённые волокнистые структуры должны иметь вид волокнистых прядей или слоёв ткани. В частности, нанесённые волокнистые структуры могут не иметь порошкообразного состава. Термопластичный, пропитывающий эти структуры полимер может не иметь, в частности, твёрдых наполнителей. Нанесённые волокнистые структуры могут быть пропитаны только органической фазой, содержащей термопластичный полимер. Таким образом волокнистые структуры могут быть не пропитанными водной жидкой фазой при их нанесении с помощью технологии AFP. Помимо термопластичного полимера в нанесённых волокнистых структурах может содержаться пластификатор.
Согласно примеру осуществления волокнистые структуры содержат каждая при их нанесении в процентах по массе термопластичный полимер, составляющий более или равный 1%, например, более или равный 3%, даже 5%. Такое содержание в процентах по массе может составлять, например, от 1 до 12%, например, от 3 до 12%, например, от 3 до 8%, например, от 5 до 8%. Волокнистые структуры могут быть пропитаны каждая частично термопластичным полимером. Другими словами, в этом случае поры волокнистых структур не полностью заполняются термопластичным полимером.
Термопластичный полимер может выбираться из: карбонатов полиалкилена, например, карбоната полипропилена или карбоната полиэтилена, сложных полиэфиров, например, сложных алифатических сополиэфиров, таких, как полиэтиленсукцинат, или полуароматических сложных сополиэфиров, таких, как политерефталат этилена, или политерефталат бутилена, поли(метакрилат метила), поливинилового спирта, поливинилпирролидона, полиэтиленгликоля, мальтодекстринов, полимеров целлюлозы, восков и их смесей. В частности, термопластичный полимер может выбираться из поливинилового спирта, поливинилпирролидона, полиэтиленгликолей и их смесей.
Впрочем, необходимо отметить, что в соответствии с требуемыми свойствами получаемой детали волокна в волокнистой ленте 3 могут быть покрыты до пропитки термопластичным полимером слоем керамического или углеродного материала.
Таким образом волокна могут иметь покрытие из интерфазы. Интерфаза может быть однослойной или многослойной. Интерфаза может содержать, по меньшей мере, один слой из пиролитического углерода (PyC), нитрида бора, нитрида бора с добавкой кремния (при содержании кремния в % по массе от 5 до 40%, при этом добавкой служит нитрид бора) или углерод с добавкой бора (при содержании бора в атомной пропорции от 5 до 20%, при этом добавкой служит углерод). Толщина интерфазы может составлять, например, от 10 до 1000 нм, например, от 10 до 100 нм. В данном случае интерфаза предназначена для предупреждения охрупчиваемости полученной детали, она способствует отклонению вероятных трещин, достигающих интерфазу после своего распространения в матрице, предупреждая или задерживая обрыв волокон такими трещинами. При необходимости интерфаза может иметь покрытие в виде дополнительного слоя из карбида кремния, который, в частности, позволяет улучшить стойкость к окислению полученной детали и защитить интерфазу при образовании матрицы. Способы, позволяющие образовать интерфазу и слой из карбида кремния, сами по себе известны и не нуждаются в дополнительной детализации. Например, возможно применение способа химического нанесения/инфильтрации в паровой фазе («Chemical Vapor Deposition/Infiltration» «CVI/CVD») для нанесения таких покрытий.
Полученная преформа после применения технологии AFP может содержать один волокнистый слой или, как вариант, множество расположенных друг на друге волокнистых слоёв.
Формирование преформы может включать в себя, например, нанесение первого волокнистого слоя, содержащего первый комплекс пропитанных волокнистых структур. Эти волокнистые структуры первого комплекса могут или не могут контактировать между собой край в край. Формирование преформы может дополнительно включать в себя нанесение второго волокнистого слоя на первый слой, причём этот второй слой содержит второй комплекс пропитанных волокнистых структур. Данные волокнистые структуры второго комплекса могут или не могут контактировать между собой край в край. Нерасположение волокнистых структур край в край позволяет преимущественно получить дополнительные каналы для впрыска в преформу, что упрощает данный этап, в частности, в зонах с особой геометрией. Волокна первого комплекса могут располагаться в одном первом направлении (т.е. параллельно друг другу). Аналогично волокна второго комплекса могут располагаться в одном втором направлении. Это второе направление может быть параллельным первому направлению. В качестве варианта второе направление образует с первым направлением не равный нулю угол. Образуемый первым и вторым направлениями угол обусловлен необходимыми механическими свойствами получаемой детали. В частном случае, когда преформа содержит единственный волокнистый слой, она может быть образована комплексом пропитанных волокнистых структур, находящихся или не находящихся в контакте край в край.
Поверхность S, на которую нанесены пропитанные волокнистые структуры, может быть плоской. В качестве варианта поверхность S может быть неровной, выпуклой или вогнутой. Поверхность S может быть, например, развёртывающейся, например, иметь коническую, цилиндрическую форму или форму усечённого конуса или не быть развёртывающейся. Во время нанесения пропитанных структур с помощью технологии AFP поверхность S может быть неподвижной или, как вариант, быть подвижной. В последнем случае поверхность S, например, может совершать вращательное движение во время нанесения покрытия.
На фиг. 2 приведена блок-схема, на которой показаны разные этапы в примере осуществления способа согласно изобретению.
Волокнистая преформа, предназначенная для формирования волокнистого усилительного элемента для получаемой детали, сначала образуется технологией AFP путём укладки множества пропитанных волокнистых структур на поверхность, как было описано выше (этап 100).
Как только преформа получена на подложке, можно устанавливать стенку или контрформу на подложке, на которой расположена преформа. Подложка и установленная на ней стенка образуют обрабатывающую камеру, в которой находится преформа. Один или несколько портов впрыска и, по меньшей мере, одно выходное отверстие могут быть выполнены в стенке и выходить в обрабатывающую камеру.
Затем приступают к удалению термопластичного полимера впрыском растворителя в порт или порты впрыска и к выведению растворителя через выходное отверстие (этап 200). Термопластичный полимер удаляется в результате контакта с этим растворителем. Растворитель может быть жидким или, как вариант, газообразным. Он выбирается с учётом химической природы термопластичного полимера для его растворения. Например, можно применять воду с температурой свыше или равной 50°С для удаления поливинилового спирта или поливинилпирролидона. В качестве варианта можно применять органический растворитель, например, ацетат этилена, позволяющий, в частности, удалять не растворимые в воде полимеры, например, карбонат полипропилена. В результате контакта с растворителем термопластичный полимер может быть полностью удалён из волокнистой преформы.
После проведения такого удаления можно при необходимости проводить сушку волокнистой преформы, затем впрыскивать пропиточный состав в поры волокнистой преформы в обрабатывающей камере (этап 300). Однако упомянутая сушка является факультативной, в частности, в том случае, когда пропиточный состав имеет вид суспензии, которая может впрыскиваться непосредственно без предварительной сушки волокнистой преформы. Разумеется, материалы для подложки и стенки выбираются с обеспечением совместимости с технологическим режимом формирования матрицы.
Пропиточный состав может впрыскиваться при давлении впрыска свыше или равном 1 бару. Давление на участке выходного отверстия может или не может быть менее 1 бара. Можно, например, создать давление от 30 до 50 миллибар на участке выходного отверстия и в этом случае впрыскивать пропиточный состав без использования давления (т. е. давление впрыска составляет 1 бар). В качестве варианта пропиточный состав может впрыскиваться при давлении от 3 до 10 бар.
Блок-схема на фиг. 2 действительна для того случая, когда матрицу получают впрыском пропиточного состава в преформу с последующим нагревом пропиточного состава (этап 400). Как будет упомянуто ниже, последующий нагрев после впрыска является факультативным.
Согласно первому примеру осуществления пропиточный состав может иметь вид суспензии, состоящей из керамических частиц в жидкой среде. Жидкая среда может быть водной или органической. Керамические частицы могут представлять собой, например, частицы из карбида кремния, карбида бора, муллита, кремнезёма или глинозёма. Суспензию впрыскивают в поры волокнистой преформы и затем проводят нагрев. Этот нагрев состоит из первой фазы нагрева, при которой жидкая среда суспензии выпаривается, и второй фазы, при которой формируется керамическая матрица путём спекания керамических частиц.
Согласно второму примеру осуществления пропиточный состав может иметь вид смолы. После впрыска этой смолы проводят нагрев для сшивания смолы и получают органическую матрицу. Эта смола может содержать или не содержать частицы в качестве наполнителя. Данные частицы могут быть керамическими или углеродными, такими, как частицы кремнезёма или углеродные нанотрубки. Средний размер частиц (D50) составляет менее или равен 5 мкм, предпочтительно 1 мкм.
Согласно третьему примеру осуществления пропиточный состав может быть смолой, являющейся прекурсором керамики или углерода. Смола в качестве прекурсора углерода может быть, например, фенольной смолой или фурановой смолой. Смола как прекурсор керамики может быть, например, полисилоксановой, полисилазановой или поликарбосилановой смолой. В этом случае после впрыска смолы проводится её нагрев для сшивания и её пиролиза и для получения фазы в виде керамической или углеродной матрицы. Ввиду усадки на этой фазе пиролиза процесс впрыска/пиролиза может повторяться для заполнения всех доступных пор волокнистой преформы. Смола в качестве прекурсора керамики или углерода может иметь или не иметь наполнитель в виде керамических или углеродных частиц.
Можно комбинировать разные технологии формирования матрицы. Таким образом можно образовать первую фазу матрицы из углерода посредством пиролиза смолы в качестве прокурсора, затем вторую фазу керамической матрицы, например, спеканием керамических частиц.
Как уже упоминалось выше, этап нагрева после впрыска (этап 400) является факультативным в рамках настоящего изобретения. Пропиточный состав, согласно четвёртому примеру осуществления, действительно может быть составом из расплавленного металла, например, расплавленного кремния или расплавленного сплава на основе кремния. В этом случае порошок из керамических или углеродных частиц может вводиться в поры волокнистой преформы до впрыска жидкого металла. Затем жидкий металл впрыскивают в поры волокнистой преформы для получения матрицы. Согласно этому примеру осуществления матрица может быть получена непосредственно после впрыска и возможного охлаждения состава из жидкого металла (минуя последующий этап нагрева).
Деталь, полученная способом согласно изобретению, может быть деталью гондолы или конус реактивного сопла. Например, деталь может иметь структуру, состоящую из центральной части, расположенной между двумя частями оболочки.