[发明专利]飞机发动机的次级结构以及相关工艺

说明书

背景技术

本发明总体上涉及飞机发动机的次级结构，例如，飞机发动机中使用的托架，并且涉及这些结构的生产工艺。具体来说，本发明涉及使用增材制造(additive manufacturing，AM)技术，从基于聚合物的材料，包括加固(复合)基于聚合物的材料和非加固基于聚合物的材料制造次级结构的方法。

聚合物技术的成熟增加了将基于聚合物的非加固(纯)和复合材料用于各种应用中的机会，包括但不限于飞机发动机，例如，通用电气公司制造的和商用发动机。历史上，人们受减轻重量需求的驱动而使用基于聚合物材料制造部件，但是金属成本上升也已称为一些应用的驱动因素。

复合材料通常包括嵌入基体材料中的纤维加固材料，对于聚合物复合材料，所述纤维加固材料是聚合物材料(聚合物基体复合材料，即PMC)。相反，非加固聚合物材料不含任何所述加固材料。PMC材料的加固材料用作复合材料的次级成分，而所述基体材料用于保护所述加固材料、维持其纤维的定向并且用于分散加固材料上的载荷。PMC基体材料树脂通常可以分类为热固树脂或热塑树脂。热塑树脂通常归类为聚合物，所述聚合物可以在受热时反复软化和流动，并且在充分冷却时由于物理变化而不是化学变化而硬化。热塑树脂的典型实例包括尼龙、热塑性聚酯、聚芳醚酮和聚碳酸酯树脂。已设想用于航空航天应用中的高性能热塑树脂的具体实例包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚苯硫醚(PPS)。相反，一旦完全硬化成坚硬固体之后，热固树脂在受热后不会明显软化，但在充分受热后将热分解。热固树脂的典型实例包括环氧树脂和聚酯树脂。各种纤维加固材料已用于PMC中，例如，碳(例如，AS4)、玻璃(例如，S2)、聚合物(例如，)、陶瓷(例如，)和金属纤维。纤维加固材料可以以相对短切纤维或长连续纤维的形式使用，后者通常用于生产“干”织物或衬垫。可通过将短纤维分散在基体材料中，或者用基体材料浸渍干织物的一层(股)或多层(股)纤维来生产PMC材料。

基于聚合物的材料(本说明书中是指非加固聚合物材料和PMC材料)是否适用于指定应用取决于特定应用的机械、化学和热学要求，对于PMC材料而言，取决于特定基体材料和加固材料以及制造具有目标几何结构的PMC制品的可行性。由于在减轻重量方面存在巨大潜力，因此已研究出将非加固聚合物材料并且尤其是PMC材料在飞机燃气涡轮发动机中的多个应用。但是，相应的挑战在于如何确定可通过当前制造方法生产的拥有可接受性质的材料系统以得到经济有效的部件。例如，众所周知，飞机发动机应用具有高性能机械要求，例如，强度和疲劳性质(由于发动机环境中的振动而必需)，以及高温性质、耐化学性/流体阻力等。特别是位于高旁路涡轮风扇发动机的核心发动机(模块)外部，例如位于机舱内或所述发动机的风扇区周围的托架和其他次级部件不直接接触核心发动机内的恶劣热环境，但是仍然可能振动、温度升高、化学反应等，因此需要提出苛刻的性能要求。因此，尽管可以通过使用基于聚合物的材料制造飞机发动机的托架和其他次级部件来减轻重量，但是所述托架的所述性能要求以及大小、可变性和复杂性复杂化了使用这些材料以经济有效的方式生产托架的能力。例如，使用传统热固树脂生产PMC托架通常视作成本过高，因为这些热固树脂涉及大量人力劳动和较长制造周期时间，同时大量相对较小的托架具有许多不同的零件构造。另一方面，使用热塑性基体材料形成的PMC受高温下趋于软化并丧失强度限制。

另一个复杂之处在于飞机发动机应用中的PMC材料所需的加固系统类型。通常，为通过使用热固性或热塑性PMC材料大幅减轻重量，托架需要使用连续纤维加固PMC材料来最大限度地减小其截面，同时满足飞机发动机应用中的高性能机械要求(尤其是强度和疲劳性质)。但是，使用连续纤维加固材料中涉及的手工涂敷(lay-up)工艺进一步复杂化了生产形状复杂的各种相对较小托架的能力。另一方面，短切纤维加固系统，无论是在热塑性还是热固性树脂基体中，均不是理想的解决方案，因为它们的机械性能较低。具体来说，使用短切纤维加固的PMC部件强度较低，因此必须制造相对较厚且重的托架。此外，短切纤维系统通常使用网状成型法处理，从而形成复杂形状。但是，由于用于飞机发动机中的大量托架具有不同的形状，因此与每个独特托架所需的各个模具相关的高昂工具加工成本通常导致无法使用此制造方法。

发明内容