CN114183204B - 涡轮叶盘预制体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机陶瓷复合涡轮叶盘技术领域,具体为纤维织物的涡轮叶盘预制体及这种预制体的制备方法,克服现有叶盘预制体盘体和叶片整体性不足和形态不稳定的问题,预制体由纤维编织而成并与涡轮叶盘形状相似,预制体具一体的盘体和叶片,盘体由径向纱线和盘绕的周向纱线形成2.5D编织结构,2.5D编织结构的径向纱线包括初始经纱和增置经纱,初始经纱堆叠与盘体厚度等高并成列自盘体圆心处放射径向伸出,增置经纱挂在盘绕半径逐渐增加的周向纱线上并径向放射伸出,在盘体边缘叶片位置处从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱与其它纱线和/织物一起制成叶片,非叶片位置处的从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱呈被修剪状。

Description

涡轮叶盘预制体及其制备方法
技术领域
本发明涉及航空发动机陶瓷复合涡轮叶盘技术领域,具体为一种纤维织物的涡轮叶盘预制体及这种预制体的制备方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机的一个重要零件,是发动机热端部件中受载荷最复杂的一类部件,零件会受到燃烧室所产生的高温热流冲击,与合金叶片相比,陶瓷基复合材料叶片在无空气冷却和热障涂层的情况下,可以降低15%-25%的冷却气流量,提高工作温度150℃-350℃,同时可大幅减重,所以,陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件、特别是涡轮叶片中显示了巨大作用,陶瓷基复合材料叶盘是在纤维织物立体编制成的叶盘预制体上喷涂包括陶瓷层的热障涂层后制成的叶盘,叶盘预制体使用碳纤维或玻璃纤维等纤维,预制体包括盘体和盘体外圈分布的叶片,现有技术较多的是由于织物预制体未能将盘体与叶片制成一整体,所以一般盘体与叶片的预制体是分体的,喷涂后进行机械加工榫槽联接成叶盘。
中国专利公告号CN111102014B公开了一种陶瓷基复合材料涡轮整体叶盘结构及其制备方法,使叶片和盘体有了一定程度的结合,形成了叶片与盘体整体的预制体,具体方案是,盘体由若干层预制体在厚度方向上叠设而成,盘体预制体由径向纱线和周向纱线编织而成,盘体径向纱线由盘体中心原点向四周直线延伸,盘体周向纱线由盘体中心原点向四周螺旋发散,直至盘体预制体边缘,叶片由平纹纤维布叶片编织体层叠而成,平纹纤维布叶片编织体由平纹纤维布经纱和平纹纤维布纬纱编织而成,部分的盘体的径向纱线伸出至盘体边缘以外,这部分伸出的径向纱线作为平纹纤维布经纱参与平纹纤维布叶片编织体的编织,如公告文件中摘要附图所示,从而使得盘体和叶片共用部分纱线,盘体和叶片具有了整体的结构。
上述公开文献方案的贡献在于将叶片与盘体的纱线进行了衔接,但仍存在有几个方面的缺陷:一、盘体中心原点的区域较小,能够布放纱线的空间不大,这样,由盘体中心原点向四周直线延伸的径向纱线的数量有限,至盘体边缘时分散后能够分配至各个叶片上的经向纱线数量更少,这样,客观上说,仅有这些少量连接纱线的存在和认为的叶片与盘体为整体结构还存在一定的距离,预制体还不太是较为合适意义上的整体预制体;二、盘体的层叠结构使盘体的整体结构存在轴向上松散的缺陷,预制体的状态稳定性不好,影响最终产品质量和成品率;三、离盘体中心原点越远的区域的经纱越少,近边缘处很多区域已没有经纱而只有单方向的纬纱,整个预制体的形态较差,给后道制作涡轮叶盘带来困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有涡轮叶盘预制体盘体和叶片整体性不足以及预制体形态不稳定给后道涡轮制作带来困难的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种涡轮叶盘预制体,所述预制体为由纤维纱线编织而成的与涡轮叶盘形状近似的立体结构,所述预制体具有盘体和盘体外圈分布的叶片,所述盘体为由径向纱线和盘绕的周向纱线形成的2.5D编织结构,所述2.5D编织结构中的径向纱线包括初始经纱和增置经纱,所述初始经纱堆叠与盘体厚度等高并成列自盘体圆心处放射状径向伸出,所述增置经纱挂在盘绕半径逐渐增加的周向纱线上并径向放射状伸出,在盘体边缘叶片位置处从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱与其它纱线和/织物一起制成叶片,非叶片位置处的从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱呈被修剪状。
具体的,所述叶片位置处的初始经纱和/或增置经纱逐层与其它纱线织成与叶片平面或弧面形状相同的织布层。
进一步的,所述叶片由织布层之间填充另织的增布层并缝制而成。
上述涡轮叶盘预制体的一种制备方法,包括以下步骤:
(一)盘体的编织
a.圆心处经纱的排放,根据盘体尺寸要求,在2.5D编织机上排入M层N列的放射状的初始经纱;
b.初始经纱一次开口并穿入周向纱线,编织机提综装置运动,综丝上对应的初始经纱进行相应运动,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线;
c.周向纱线的继续织入和增置经纱的添加,经纱二次开口并穿入周向纱线,设备提综装置运动,综丝上对应的另一组经纱进行相应运动,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线,自步骤b的首次织入周向纱线始,从圆心沿着径向向外编织,在半径增加的周向纱线上挂上增置经纱、并使所挂增置经纱参与盘体继续的2.5D编织;
d.制成具有2.5D编织结构的盘体,盘体外圈具有径向伸出的初始经纱和增置经纱;
(二)对盘体径向伸出的初始经纱和增置经纱进行分类和处理
e.根据叶片根部在盘体上的位置,将位置区域内的初始经纱和/或增置经纱进行标识;
f.将没有标识的初始经纱和/或增置经纱从根部剪除;
g.将标识的初始经纱和/或增置经纱按叶片平面或弧面形状逐根逐层从2.5D编织机上取下并包裹好;
(三)叶片的编制
将步骤g的初始经纱和/或增置经纱与其它纱线织成若干织布层后缝制成叶片或与其它纱线织成立体叶片。
具体的,步骤(三)中初始经纱和/或增置经纱与其它纱线织成若干织布层后缝制成叶片的过程是:
h.挂纱,将步骤g的初始经纱和/或增置经纱中相邻两层的纱线逐根挂于织布机上;
i.织布,织布机织出包含初始经纱和/或增置经纱的布层,重复挂纱和织布的过程;
j.布层叠合,将织好的各布层叠合在一起;
k.缝合,将叠合的布层通过缝合工艺缝在一起形成叶片。
再进一步具体的,步骤j中还具有在相邻织布层间距大于织布层厚度时填入同样规格的另织的增布层的过程。
本发明的有益效果是:本发明的涡轮叶盘预制体的盘体具有2.5D编织的整体结构,在2.5D编织盘体厚度不变外径逐渐增加的过程中具有不断添加的增置经纱参与编织,最终在盘体外圈上形成密集的经纱,经纱包括初始经纱和增置经纱,叶片位置处的经纱被保留,叶片的经纱完全来自盘体,使叶片与盘体成为真正的整体,各经纱又始于盘体不同的半径位置处,经纱的着力点分布在整个盘体上,加之增置经纱又是挂在周向纱线上,所以经纱的承载力强,即叶片与盘体的连系牢固,这种结构的预制体整体强度好、形态稳定。
附图说明
图1是本发明的形状示意图;
图2是弯交深联2.5D编织结构示意图;
图3是弯交浅联2.5D编织结构示意图;
图4是含不动经纱的弯交深联2.5D编织结构示意图;
图5是本发明周向纱线、初始经纱和增置经纱三者关系图;
图6是本发明增置经纱挂于周向纱线上的示意图;
图7是本发明中叶片布层用断开缝合线缝合的示意图;
图8是本发明中叶片布层用连续缝合线缝合的示意图;
图9是叶片布层为平纹组织结构的示意图;
图10是叶片布层为斜纹组织结构的示意图;
图11是叶片布层为缎纹组织结构的示意图;
图12是初始经纱在盘体圆心处排纱的示意图;
图13是初始经纱第一次开口织入周向纱线的示意图;
图14是经纱第二次开口织入周向纱线的示意图;
图15是预制体厚度方向上显示盘体与某个叶片的关系图。
图中:1、盘体,2、叶片,3、径向纱线,31、初始经纱,32、增置经纱,4、周向纱线,5、织布层,6、增布层,7、不动经纱,8、缝合线。
具体实施方式
本发明用下列实施例来进一步说明技术特征,但本发明的保护范围并非限于下列实施例。
如附图1的一种涡轮叶盘预制体,预制体为由纤维纱线编织而成的与涡轮叶盘形状近似的立体结构,预制体具有盘体1和盘体1外圈分布的叶片2,盘体1为由径向纱线3和盘绕的周向纱线4形成的2.5D编织结构,附图2至4列出了三种2.5D编织结构,附图2为弯交深联2.5D编织结构,径向伸出但呈波浪形的径向纱线3在相邻的周向纱线之间起伏;附图3为弯交浅联2.5D编织结构,径向伸出呈波浪形的径向纱线3在相隔的周向纱线之间起伏;附图4为弯交深联2.5D编织结构并具有不动经纱7;2.5D编织结构中的径向纱线3包括初始经纱31和增置经纱32,初始经纱31堆叠与盘体1厚度等高并成列自盘体1圆心处放射状径向伸出,附图12所示的为初始经纱31在盘体1圆心处布置的简单示意,显示一单层的十字形布置,增置经纱32成列成对逐次挂于盘绕半径逐渐增加的周向纱线4上并呈径向放射状伸出的状态,自盘体1圆心处向外周向纱线4每圈的长度是渐渐变长的,增长的部分就是可挂置增置经纱32的区域,如附图5所示,挂纱的形式如附图6,增置经纱32挂在周向纱线4上后再并线径向伸出,增置经纱32成列成对逐次挂于周向纱线4上是指,增置经纱32与初始经纱31同样的成列设置,列向即盘体1的厚度方向,一个圆周上具有一组挂纱,成列的挂纱呈环形分布,因编织提综对纱线布置的需要,增加的经纱不影响原有经纱的运动规律,每处的挂纱是以两列为一对的形式;盘体1边缘叶片2位置处从盘体1上伸出的初始经纱31和/或增置经纱32与其它纱线和/织物一起制成叶片2,由于初始经纱31的数量受圆心区域小的限制,在数量上不可能很多,对于叶片数量较多的叶盘,有些叶片上可能不会具有初始经纱31而只有增置经纱32,所以,某个叶片2位置处伸出的经纱是初始经纱31和增置经纱32的组合、或者全部是增置经纱32,但由于经纱是在圆周上环形分布的,所以不会影响叶盘这样轴类零件的平衡特性;另外的,非叶片2位置处的从盘体1上伸出的初始经纱31和/或增置经纱32呈被修剪状。
叶片2的结构是,叶片2位置处的初始经纱31和/或增置经纱32逐层与其它纱线织成织布层5,叶片2由织布层5与其之间填充另织的增布层6缝制成。
这种涡轮叶盘预制体的制备方法包括以下步骤:
(一)盘体1的编织
a.圆心处经纱的排放,结合盘体1尺寸,在2.5D编织机上排入M层N列的放射状的初始经纱31,附图12简单示意的一层上伸出四对8列的初始经纱31,M层堆叠后与盘体1的厚度相当;
b.初始经纱31一次开口并穿入周向纱线4,编织机提综装置运动,综丝上对应的初始经纱31进行相应运动,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线4,见附图13,以经纱层数M数量是5为例,按2.5D编织结构,经纱交错成6个经纱开口,周向纱线4可以是6根同时织入也可以是1根螺旋盘绕织入;
c.周向纱线4的继续织入和增置经纱32的添加,经纱二次开口并穿入周向纱线4,设备提综装置运动,综丝上对应的另一组经纱进行相应运动,见附图14,同时对比附图13,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线4,自步骤b的首次织入周向纱线4始,从圆心沿着径向向外编织,在半径增加的周向纱线4上挂上增置经纱32、并使所挂增置经纱32参与盘体1继续的2.5D编织,所挂增置经纱32以每对两列的形式挂于周向纱线4上,最内圈的周向纱线4上如果挂纱则二次开口的经纱包括了初始经纱31和增置经纱32;
d.制成具有2.5D编织结构的盘体1,盘体1外圈具有径向伸出的初始经纱31和增置经纱32;
(二)对盘体1径向伸出的初始经纱31和增置经纱32进行分类和处理
e.根据叶片2根部在盘体1上的位置,如附图15,将位置区域内的初始经纱31和/或增置经纱32进行标识,标识的方法是用色笔涂在纱线不使用位置处;
f.将没有标识的初始经纱31和/或增置经纱32从根部剪除;
g.将标识的初始经纱31和/或增置经纱32按叶片2平面或弧面形状逐根逐层从2.5D编织机上取下并包裹好;
(三)叶片的编制
h.挂纱,将步骤g的初始经纱31和/或增置经纱32中相邻两层的纱线逐根挂于织布机上;
i.织布,织布机织出包含初始经纱31和/或增置经纱32的织布层5,重复挂纱和织布的过程;
j.布层叠合,将织好的各织布层5叠合在一起,如相邻织布层5间距大于织布层5厚度,则填入同样规格的另织的增布层6;
k.缝合,将叠合的各布层通过缝合工艺缝在一起形成叶片,附图7所示的断开缝合线缝合更牢固,便效率较低,附图8的连续缝合牢固性略差但效率较高。
叶片的成型结构除使用织布缝合的结构之外,还可以用2.5D编织结构(包含弯交深联、弯交浅联、含不动经纱)、正交三向结构、织布针刺(织布结构为附图9至11分别的平纹、斜纹和缎纹组织结构)、三维多向编织结构等结构成型。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种涡轮叶盘预制体,其特征是:所述预制体为由纤维纱线编织而成的与涡轮叶盘形状近似的立体结构,所述预制体具有盘体和盘体外圈分布的叶片,所述盘体为由径向纱线和盘绕的周向纱线形成的2.5D编织结构,所述2.5D编织结构中的径向纱线包括初始经纱和增置经纱,所述初始经纱堆叠与盘体厚度等高并成列自盘体圆心处放射状径向伸出,所述增置经纱挂在盘绕半径逐渐增加的周向纱线上并呈径向放射状伸出,在盘体边缘叶片位置处从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱与其它纱线和/或织物一起制成叶片,非叶片位置处的从盘体上伸出的初始经纱和/或增置经纱呈被修剪状。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶盘预制体,其特征是:所述增置经纱成列成对挂在周向纱线上。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶盘预制体,其特征是:所述叶片位置处的初始经纱和/或增置经纱逐层与其它纱线织成与叶片平面或弧面形状相同的织布层。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶盘预制体,其特征是:所述叶片由织布层之间填充另织的增布层并缝制而成。
5.如权利要求1所述涡轮叶盘预制体的制备方法,其特征是:包括以下步骤:
(一)盘体的编织
a.圆心处经纱的排放,根据盘体尺寸要求,在2.5D编织机上排入M层N列的放射状的初始经纱;
b.初始经纱一次开口并穿入周向纱线,编织机提综装置运动,综丝上对应的初始经纱进行相应运动,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线;
c.周向纱线的继续织入和增置经纱的添加,经纱二次开口并穿入周向纱线,设备提综装置运动,综丝上对应的另一组经纱进行相应运动,形成M+1层经纱开口,由经纱开口织入周向纱线,自步骤b的首次织入周向纱线始,从圆心沿着径向向外编织,在半径增加的周向纱线上挂上增置经纱、并使所挂增置经纱参与盘体继续的2.5D编织;
d.制成具有2.5D编织结构的盘体,盘体外圈具有径向伸出的初始经纱和增置经纱;
(二)对盘体径向伸出的初始经纱和增置经纱进行分类和处理
e.根据叶片根部在盘体上的位置,将位置区域内的初始经纱和/或增置经纱进行标识;
f.将没有标识的初始经纱和/或增置经纱从根部剪除;
g.将标识的初始经纱和/或增置经纱按叶片平面或弧面形状逐根逐层从2.5D编织机上取下并包裹好;
(三)叶片的编制
将步骤g的初始经纱和/或增置经纱与其它纱线织成若干织布层后缝制成叶片或与其它纱线织成立体叶片。
6.根据权利要求5所述的涡轮叶盘预制体的制备方法,其特征是:步骤c中,所挂增置经纱以每对两列的形式挂于周向纱线上。
7.根据权利要求5所述的涡轮叶盘预制体的制备方法,其特征是:步骤(三)中初始经纱和/或增置经纱与其它纱线织成若干织布层后缝制成叶片的过程是:
h.挂纱,将步骤g的初始经纱和/或增置经纱中相邻两层的纱线逐根挂于织布机上;
i.织布,织布机织出包含初始经纱和/或增置经纱的布层,重复挂纱和织布的过程;
j.布层叠合,将织好的各布层叠合在一起;
k.缝合,将叠合的布层通过缝合工艺缝在一起形成叶片。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶盘预制体的制备方法,其特征是:步骤j中还具有在相邻织布层间距大于织布层厚度时填入同样规格的另织的增布层的过程。
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