[发明专利]复合材料部件的高压成型

说明书

发明背景

1.技术领域

本发明主要涉及预成型的纤维增强树脂成分的成型，形成具有多个纤维取向和/或一个或多个内部腔室的复合材料部件。更具体地说，本发明涉及这种预成型件在高压下的成型。

2.相关技术描述

复合材料通常包括纤维和树脂基体作为两个主成分。复合材料通常具有相当高的强度重量比。结果是，复合材料被用在苛刻的环境中，例如在航空航天领域中，复合材料部件的高强度和相对轻的重量是特别重要的。

高强度金属和金属合金在过去已被用于形成承受高应力负荷的飞机部件和结构。采用金属的优点在于，除了极高的强度，金属可以被精确地加工，使得配合部件的几何形状能够紧密地配合，精密的尺寸公差可以得到满足。孔也可以被精确地加工到金属结构中，以接受高耐受性的紧固件和定位销。

通常用于推进飞机的涡轮风扇发动机包括许多的经受极端应力的部件，还必须满足精确的尺寸公差。这样的部件的一个例子是出口导向叶片(0GV)。这些叶片是位于涡轮风扇发动机的旁通区域的翼型部件。出口导向叶片将来自前方风扇组件的径向气流重新导向，转换成去到涡扇压缩机的轴向气流。每个引擎可以包含多达100个或以上的出口导向叶片。为了在这种苛刻的环境下正常工作，出口导向叶片传统上由坚固的金属或金属合金制成。一些出口导向叶片由高强度金属围绕较轻的核心材料制成。最近，出口导向叶片已包括金属框架，在其上安装复合材料蒙皮。例如，参见公布的申请号为2010/0209235A1的美国专利申请。这些以金属为基础的出口导向叶片都常常相对较重。因此，人们希望提供一种完全由复合材料制成的重量更轻的出口导向叶片，与金属基出口导向叶片具有相同的结构特性和加工特性。

由复合材料制作出口导向叶片提出了许多重大的挑战。为了确保成品部件没有砂眼或其它缺陷，一般需要使用成型技术，在成型过程中压力被施加到复合材料。然而，生产出具有与加工成型的金属部件的公差同样精密的公差的成型复合材料部件是非常困难的。加工复合材料部件而不产生结构损伤也很困难。纤维往往被破坏，脱层可能发生，这大大降低了部件的强度。由于单向纤维取向所提供的独特的结构和强度特性，包含单向(UD)纤维的复合材料部件通常用在许多结构件中。由单向纤维所提供的高定向强度使得这种取向用于制造出口导向叶片特别有吸引力。但是，加工包含单向纤维的复合材料部件而不对部件的强度产生不利影响是特别难的。

另一个重大的挑战是，出口导向叶片的中心翼型件和将翼型件连接在发动机上的安装法兰或平台具有独特的、不同的设计要求。例如，翼型件需要在结构上坚固，以承受高气流载荷。法兰必须足够强以固定翼型件，也必须满足严格的尺寸公差，以向发动机提供可靠的和精确的装配。

一种复合材料已经开发出来，可以精确地加工成严格的尺寸公差。该复合材料是由浸渍有热固性树脂的单向带的随机取向的段构成的。这种类型的准各向同性纤维材料已用于制造高压模具和各种航空航天组件。该材料可以由Hexcel公司(都柏林，CA)以商品名获得。使用制作的这种类型的部件的示例在美国专利号7，510，390、7，960，674和美国专利申请号12/856，210中描述。

有持续的需要要求开发新的工艺和步骤制作复合材料部件，使其可以用于代替传统地由金属制作的出口导向叶片和其他高性能部件。

发明内容

根据本发明，提供了完全由复合材料制成的出口导向叶片。出口导向叶片包括成型体，其由纤维增强材料和固化树脂构成，其中所述成型体包括中心翼型件部分和形成成型体的端部的两个实心安装法兰或平台。作为本发明的一个特征，位于中心翼型件部分内的纤维是单向的，位于端部内的纤维是单向纤维带的随机取向段。发现，这两个不同的纤维取向可以在高压下在树脂基体中被结合和共同成型，以提供满足中心翼型件部分和安装法兰的结构强度和尺寸要求的复合材料出口导向叶片。这样的发现，即单向纤维和单向带的随机取向的段可共同成型，以提供具有不同局部性质的复合材料部件，这并不限于出口导向叶片。而是，这种发现适于多种部件，其中部件的一部分需要由单向纤维提供的结构强度和刚度，部件的另一部分必须满足严格的尺寸公差，这通常需要加工该部件。