Способ изготовления трубчатой детали с вставкой из композитного материала с металлической матрицей
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей в области авиационных газотурбинных двигателей. Заявлен способ изготовления трубчатой детали, содержащей вставку из композитного материала с металлической матрицей, внутри которой находятся керамические волокна. Вокруг металлического стержня наматывают сшитое полотно из покрытых оболочкой нитей, при этом каждая нить содержит керамическое волокно, покрытое металлической оболочкой, и нити соединяют сварными точками. Полотно имеет скошенные концы, а его размеры соответствуют развернутой поверхности стержня, причем скошенный конец полотна наматывают вокруг конца стержня, затем полотно спиралевидно наматывают по окружности стержня. Повышается качество композитного материала за счет сохранения целостности керамического волокна при производстве деталей. Упрощается способ изготовления трубчатых деталей, который может быть внедрен в промышленном масштабе. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящее изобретение касается способа изготовления трубчатой детали с вставкой из композитного материала с металлической матрицей.
В области авиационной промышленности, в частности, постоянно ставится задача оптимизации прочности деталей при минимальных массе и габаритах. В связи с этим в последнее время некоторые детали выполняют с вставкой из композитного материала с металлической матрицей. Такой композитный материал содержит матрицу из металлического сплава, например из сплава титана Ti, в которой находятся волокна, например керамические волокна из карбида кремния SiC. Такие волокна обладают прочностью на растяжение, существенно превышающей прочность на растяжение титана (как правило, 4000 МПа против 1000 МПа). Именно волокна воспринимают усилия, при этом матрица из металлического сплава обеспечивает функцию связующего вещества с остальной частью детали, а также функцию защиты и изоляции волокон, которые не должны соприкасаться друг с другом. Кроме того, керамические волокна обладают устойчивостью против эрозии, но их необходимо обязательно усиливать металлом.
Эти композитные материалы можно использовать для изготовления дисков, валов, корпусов силовых цилиндров, картеров, распорок в качестве усилительных элементов для монолитных деталей, таких как лопатки и т.д.
Для выполнения такой вставки из композитного материала предварительно изготавливают нити, называемые «нитями, покрытыми оболочкой», содержащие керамическое волокно, покрытое металлом. Металл придает нити упругость и гибкость, необходимые для работы с ней. Предпочтительно очень тонкую углеродную или вольфрамовую нить располагают в центре волокна вдоль его оси, при этом углеродную нить покрывают карбидом кремния, тогда как между волокном и металлом выполняют тонкий слой углерода для обеспечения функции диффузионного и буферного барьера во время дифференциальной термической релаксации, происходящей в момент охлаждения жидкого металла, нанесенного на волокно.
Нити из композитного материала или покрытые оболочкой нити можно изготавливать разными способами, например путем осаждения металла из паровой фазы в электрическом поле, путем электрофореза из металлического порошка или путем нанесения оболочки на керамические волокна погружением в ванну жидкого металла. Способ нанесения покрытия на керамические волокна путем погружения в жидкий металл описан в патенте ЕР 0931846, зарегистрированном на имя заявителя. Этот способ характеризуется быстротой изготовления. Таким образом, получают нити из композитного материала или покрытые оболочкой нити, служащие основой для изготовления вставки из композитного материала, которая впоследствии будет включена в деталь.
В известных способах изготовления детали с вставкой из композитного материала с матрицей из металлического сплава покрытую оболочкой нить в дальнейшем формуют в виде элемента, называемого заготовкой. Такую заготовку получают наматыванием покрытой оболочкой нити между двумя металлическими ограничительными фланцами, выполненными вокруг центрального стержня. Наматывание осуществляют в виде спирали, при этом полученная заготовка выглядит в виде диска, толщина которого равна толщине образующей его покрытой оболочкой нити. Для обеспечения сцепления в заготовке ограничительные фланцы содержат отверстия, через которые распыляют материал, выполняющий функцию склеивания, например акриловую смолу.
На фиг.1 схематично показана операция изготовления детали с вставкой из композитного материала. В контейнер 2, имеющий общую цилиндрическую форму, штабелем укладывают множество заготовок 1, каждая из которых выполнена в виде диска. Контейнер содержит кольцевую полость 3, форма которой в поперечном разрезе относительно оси 4 контейнера повторяет форму заготовок 1. Заготовки 1 укладывают в штабель по всей высоте полости 3. Как правило, такой штабель содержит 80 заготовок. Операцию выполняют вручную.
В этом случае необходимо осуществить операцию удаления связующего с последующей дегазацией для удаления связующего, например акриловой смолы, с заготовок 1. Действительно, на стадии горячего или холодного уплотнения не должно оставаться никакого загрязняющего элемента, соприкасающегося с титаном.
Над контейнером 2 устанавливают кольцевую крышку 5, содержащую выступ 6, имеющий форму, соответствующую форме кольцевой полости, но несколько меньшего осевого размера, при этом выступ 6 входит в контакт с верхней заготовкой 1. Крышку 5 крепят на контейнере 2, например, при помощи сварки электронным пучком, при этом в комплексе предпочтительно создают вакуум. После этого осуществляют этап горячего изостатического уплотнения всего комплекса. Во время этого этапа вставку, состоящую из находящихся друг рядом с другом покрытых оболочкой нитей, уплотняют и металлические оболочки нитей соединяются между собой и со стенками полости 3 контейнера 2 за счет эффекта диффузии, образуя плотный комплекс из металлического сплава (например, из сплава титана), внутри которого в кольцевом направлении расположены керамические волокна (например, SiC).
В результате уплотнения штабеля заготовок 1 получают цилиндрическую деталь, содержащую вставку из композитного материала. Эту деталь можно подвергнуть обработке для релаксации напряжений, позволяющей компенсировать дифференциальное расширение между керамическими волокнами и металлом, в который их погружают, во время охлаждения всего комплекса.
Как правило, деталь подвергают механической обработке для получения конечной детали.
Этот способ изготовления детали с вставкой из композитного материала имеет ряд недостатков, и его трудно внедрить в промышленном масштабе из-за большой длительности, сложности и высокой точности операций, осуществляемых на его этапах.
Во-первых, поскольку керамические волокна являются хрупкими, во время операций с покрытыми оболочкой нитями прежде всего следует избегать контакта между этими волокнами, и до настоящего времени вопрос сварки покрытых оболочкой нитей между собой не рассматривался.
Кроме того, операции удаления связующего и газов не только занимают много времени, но при этом еще и нет уверенности в том, что все связующее удалено полностью. Для того чтобы быть уверенным в полном удалении связующего, необходимом, в частности, для соответствующего нормального поведения титана, требуется осуществить несколько этапов удаления связующего и дегазации, что увеличивает продолжительность и общую стоимость процесса.
Кроме того, в случае разрыва нити во время ее наматывания между двумя фланцами необходимо выполнять новую заготовку, поскольку в настоящее время нет средств, позволяющих решить данную проблему и продолжить намотку.
Кроме того, этап укладки в контейнер заготовок из покрытых оболочкой нитей в настоящее время осуществляют вручную. Это сказывается на стоимости операции и особенно на ее точности. Вместе с тем укладка в контейнер покрытой оболочкой нити является решающим фактором в производственном процессе, поскольку она обуславливает характеристики материала, при этом очень важное значение имеет удержание правильного направления укладки керамического волокна в зависимости от основных напряжений, действующих на деталь. Она обуславливает также качество композитного материала за счет сохранения целостности керамического волокна в ходе различных этапов изготовления детали. Она обуславливает также конечную стоимость детали, опять же в силу того, что операции позиционирования покрытых оболочкой нитей длятся очень долго и выполняются вручную. Поэтому процесс укладки нитей в контейнер требует усовершенствования.
Известные технологии изготовления деталей с вставкой из композитного материала предполагают изготовление кольцевых деталей, таких как диски роторов. Было также предложено изготавливать трубчатые детали, такие как валы роторов, с вставкой из композитного материала, однако изготовление при помощи таких технологий сложно применять в промышленном масштабе. Был предложен способ, согласно которому покрытые оболочкой нити помещают в гильзу параллельно друг другу и продольно между двумя стержнями, образующими гильзу, затем весь комплекс подвергают горячему изостатическому уплотнению. Операция укладки покрытых оболочкой нитей оказалась очень трудоемкой, а для последних нитей даже невозможной, если требуется высокая плотность покрытых оболочкой нитей. Кроме того, возрастает возможность неправильного позиционирования нитей, что может привести к их разрушению и отрицательно сказаться на характеристиках детали. Было также предложено укладывать заготовки из покрытых оболочкой нитей по всей длине гильзы, однако недостатки такой укладки уже были указаны выше. Кроме того, желательно, чтобы керамические волокна не располагались в направлении, поперечном относительно детали, чтобы обеспечить лучшее восприятие усилий.
Объектом настоящего изобретения является способ, который позволяет осуществлять изготовление трубчатой детали, такой как вал ротора газотурбинного двигателя, содержащей вставку из композитного материала, и который можно внедрить в промышленном масштабе.
В соответствии с настоящим изобретением способ изготовления трубчатой детали, содержащей вставку из композитного материала с металлической матрицей, внутри которой находятся керамические волокна, отличается тем, что содержит этап наматывания вокруг металлического стержня сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей, при этом каждая нить содержит керамическое волокно, покрытое металлической оболочкой, и нити скрепляют между собой сварными точками.
Изобретение и его другие отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания способа в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 изображает схематичный вид в изометрии операции изготовления детали с вставкой из композитного материала из предшествующего уровня техники.
Фиг.2 - схематичный вид устройства для изготовления сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей.
Фиг.3 - схематичный вид сверху полотна, изготовленного по первому рабочему режиму устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.4 - схематичный вид сверху полотна, изготовленного по второму рабочему режиму устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.5 - схематичный вид операции сварки двух нитей между собой в разрезе по плоскости, поперечной к направлению протягивания покрытых оболочкой нитей, на уровне лазерного сварочного модуля устройства, показанного на фиг.2.
Фиг.6 - схематичный вид в изометрии полотна из покрытых оболочкой нитей, концы которого обрезаны на скос, для осуществления способа изготовления трубчатой детали с вставкой из композитного материала.
Фиг.7 - схематичный вид в изометрии операции наматывания полотна, показанного на фиг.6, вокруг стержня.
Фиг.8 - схематичный вид в изометрии устройства для электродной сварки полотна из покрытых оболочкой нитей на металлической основе в начале наматывания полотна на стержень.
Фиг.9 - график, схематично показывающий изменение силы тока, проходящего между электродами, изменение давления со стороны электродов, а также изменение усилия сплющивания полотна в зависимости от времени в ходе осуществления описанного в настоящей заявке способа электродной сварки полотна из покрытых оболочкой нитей на основе.
Фиг.10 - схематичный вид в разрезе устройства, показанного на фиг.8, в конце наматывания полотна на стержень.
Прежде всего рассмотрим способ изготовления сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей.
Прежде всего формируют множество покрытых оболочкой нитей при помощи известных технологий, предпочтительно при помощи способа нанесения оболочки на керамические волокна путем погружения в ванну жидкого металла. Каждую из этих нитей наматывают на катушку. Каждая нить имеет диаметр, например, находящийся в пределах от 0,2 до 0,3 мм.
Как показано на фиг.2, множество катушек 7, на окружности каждой из которых намотана покрытая оболочкой нить 8, устанавливают на модуле 9 катушек 7. Этот модуль 9 позволяет размещать катушки 7 таким образом, чтобы их можно было разматывать в направлении сновального модуля, описанного ниже, и чтобы нити 8 при этом не пересекались. В данном случае катушечный модуль 9 содержит конструкцию в виде равнобедренного треугольника с установленными на ней катушками 7, из которых половина находится на одной стороне треугольника и половина - на другой стороне, при этом вершина треугольника направлена в направлении разматывания нитей 8 с катушек 7 в сторону места, которое находится на оси симметрии треугольника, образованного конструкцией катушечного модуля 9.
Согласно другому варианту выполнения каждая катушка может содержать пучок покрытых оболочкой нитей. Таким образом, для формирования полотна из ста покрытых оболочкой нитей можно использовать десять катушек 7, каждая из которых содержит намотанный на ее окружности пучок из десяти покрытых оболочкой нитей.
Покрытые оболочкой нити 8 разматывают в направлении сновального модуля 10. Сновальный модуль 10 показан в данном случае схематично без подробностей, так как его конструкция хорошо известна специалистам. Он выполнен аналогично сновальной машине, используемой в ткацкой промышленности. Сновальный модуль 10 содержит направляющие средства, позволяющие располагать нити 8 в натянутом состоянии параллельно друг другу и в контакте друг с другом, в один слой в одной и той же плоскости, при этом нити не перекрывают друг друга. При этом преследуется цель формирования плоского полотна из нитей 8, параллельных и соприкасающихся друг с другом.
После снования нити 8 поступают в лазерный сварочный модуль 11. Этот модуль содержит плоский суппорт 12, по которому перемещаются нити 8 и над которым установлено лазерное сварочное устройство 13. Таким образом, нити перемещаются перед лазерным сварочным устройством 13. Весь комплекс предпочтительно находится в нейтральной атмосфере, например в атмосфере аргона, распыляемого через сопло. Лазерное сварочное устройство 13 может содержать, например, лазер типа YAG (Yttrium Aluminium Garnet) с неодимовым (Nd) легированием, отличающийся высокой точностью установки мощности и точки попадания лазерного пучка, а также очень тонким лазерным пучком. В данном случае предпочтительно лазер должен иметь мощность от 2 до 5 Вт.
За лазерным сварочным модулем 11 нити 8 протягиваются приводным модулем 17 перемещения нитей 8, который протягивает их от катушечного модуля 9 поступательно по суппорту 12. Этот приводной модуль 17 в данном случае содержит вращающуюся катушку 17', на которую наматываются нити 8. Катушка 17' приводится во вращение, что показано стрелкой 18. Таким образом, нити 8 перемещаются от катушки 7 катушечного модуля 9 вдоль сновального модуля 10 и лазерного сварочного модуля 11 при помощи приводного модуля 17, при этом весь комплекс образует устройство 55 формирования сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей 8. Сшитое полотно наматывается на катушку 17' приводного модуля.
На фиг.5 в разрезе по плоскости, поперечной к направлению протягивания нитей 8, на уровне лазерного сварочного модуля 11 показана операция сварки между собой двух нитей 8. Операция заключается в точечной сварке при помощи лазерного сварочного устройства 13. Каждая нить 8 неподвижно соединяется с соседними с ней нитями множеством сварных точек. Как было указано выше, каждая нить 8 содержит керамическое волокно 14, покрытое металлической оболочкой 15, например, из сплава титана Ti. Как обозначено стрелкой 16, лазерный пучок направляют к месту контакта между двумя последовательными нитями 8 перпендикулярно к плоскости, содержащей все оси нитей 8, перемещаемых по суппорту 12. В результате происходит локальное оплавление их металлической оболочки 15. Используют лазер слабой, но очень концентрированной мощности, чтобы это локальное оплавление не достигло керамического волокна. Оплавляется минимальный объем металлической оболочки 15. Достаточно обеспечить неподвижное соединение нити 8 именно в этом месте. Параметры сварки регулируют таким образом, чтобы ванна расплавленного металла не была сквозной.
Очень важно направлять лазерный пучок на точечную зону, перекрывающую две нити 8, перпендикулярно к плоскости нитей 8 таким образом, чтобы он не повредил керамические волокна 14, целостность которых является условием, необходимым для сохранения их функции в варианте применения для изготовления детали с вставкой из композитного материала.
Не обязательно, чтобы сварные точки были очень прочными. Их функцией является только общее соединение или удержание между собой нитей 8 для формирования сшитого полотна. Прочность этого соединения должна только позволять производить перемещения полотна, его наматывание и разматывание, например, для изготовления детали с вставкой из композитного материала. Таким образом, речь идет всего лишь о сварке, удерживающей между собой нити 8.
На фиг.3 и 4 показаны два режима работы лазерного сварочного модуля 11, в данном случае для формирования полотна из двенадцати покрытых оболочкой нитей 8.
В рабочем режиме, показанном на фиг.3, когда покрытые оболочкой нити 8 находятся под лазерным сварочным устройством 13, приводной модуль 17 останавливают, чтобы нити 8 не двигались. После этого сварочное устройство 13 выполняет ряд сварных точек между соседними нитями 8 вдоль сегмента, перпендикулярного к их оси перемещения под сварочным устройством 13. Для этого сварочное устройство 13 выполняет первую сварную точку 19 между двумя нитями 8, как было указано выше со ссылкой на фиг.5. После этого его выключают, перемещают перпендикулярно к направлению протягивания нитей 8 и останавливают прямо напротив следующей точки контакта между двумя нитями 8, которые оно сваривает во второй сварной точке 19 и так далее до момента неподвижного соединения между собой всех нитей 8 вдоль этого сегмента перемещения. Таким образом, сварочное устройство 13 формирует сегмент сварных точек 19, перпендикулярный к оси протягивания нитей 8 под сварочным устройством 13. После этого приводной модуль 17 приводят в движение для перемещения нитей 8 на длину «L» перед сварочным устройством 13, затем операцию повторяют на другом сегменте, параллельном первому сегменту.
В рабочем режиме, показанном на фиг.4, нити непрерывно перемещают в направлении протягивания, показанном стрелкой 20, при помощи приводного модуля 17. Сварочное устройство 13 осуществляет те же операции, что и в предыдущем случае, а именно сварку, затем перемещение к следующей точке вдоль траектории, перпендикулярной к направлению 20 движения нитей 8 и так далее, от первой нити 8 к последней, затем в обратную сторону. Если скорость движения нитей 8 является достаточно низкой, то можно сваривать движущиеся нити 8 в точках 19. Таким образом, получают ряд сварных точек 19 между нитями 8 в виде зигзага на полотне, образованном нитями 8.
Можно также получить такое зигзагообразное распределение сварных точек 19, останавливая приводной модуль 17 во время сварки каждой сварной точки 19, при этом приводной модуль 17 протягивает нити 8 на незначительное расстояние «l» между каждой сварной точкой 19, при этом происходит перемещение сварочного устройства 13.
Можно также производить всего лишь замедление движения нитей 8 в момент сварки точек 19.
Преимуществом такой конфигурации сварных точек 19 является их более равномерное распределение по поверхности полотна, образованного нитями 8.
В любом случае после лазерного сварочного устройства 11 нити 8 выходят в виде сшитого полотна, внутри которого они неподвижно соединены друг с другом скрепляющими сварными точками 19. Полотно наматывают на катушку 17' приводного модуля 17.
В данном случае не упоминается фаза начала способа изготовления сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей 8. Эта фаза может быть легко адаптирована специалистом в зависимости от потребностей, например, путем наматывания в начале способа нитей на катушку 17' без их неподвижного соединения между собой, при этом самый внутренний участок конечного намотанного полотна не имеет форму полотна, или протягивая нити в начале способа при помощи другого приводного устройства и соединяя их с катушкой 17', когда они начинают принимать форму полотна.
Расстояние «L» между сегментами сварных точек 19 в рамках сегментной конфигурации, показанной на фиг.3, или продольное расстояние «l» между двумя последовательными сварными точками 19 в зигзагообразной конфигурации, показанной на фиг.4, выбирают в зависимости от необходимой жесткости полотна из покрытых оболочкой нитей 8. Так, для жесткого полотна сварные точки 19 располагают ближе друг к другу, для гибкого полотна точки 19 удаляют друг от друга. Можно предусмотреть и другие виды конфигурации распределения сварных точек 19. Конфигурацию и промежутки между точками 19 выбирают в зависимости от назначения сшитого полотна, в частности, нужно ли его наматывать, скручивать и т.д., соблюдая при этом минимальный промежуток для сохранения целостности всего комплекса в определенных условиях применения. Спецификации, относящиеся к конфигурации распределения сварных точек 19, меньше связаны с самим способом и больше с вариантом применения, для которого предназначено полотно.
Благодаря скорости выполнения лазерной сварки и ее точности можно осуществлять изготовление сшитого полотна из неподвижно соединенных между собой покрытых оболочкой нитей 8 при помощи автоматизированной системы в промышленном масштабе с применением описанного выше способа. Таким образом, можно получать полотна из покрытых оболочкой нитей 8 в больших объемах, можно формировать одно полотно длиной в несколько километров, то есть в том виде, в котором его можно использовать самыми различными способами. Кроме того, соединение в полотна происходит за счет оплавления металлической оболочки 15 нитей 8, то есть без добавления связующего вещества, такого как клей, что позволяет при более глобальном процессе изготовления детали с вставкой из композитного материала с использование покрытых оболочкой нитей исключить все этапы удаления связующего вещества.
Далее следует описание заявленного способа изготовления трубчатой детали с вставкой из композитного материала с металлической матрицей.
Как показано на фиг.6, при помощи способа изготовления полотна, показанного на фиг.3, получили полотно 21 из покрытых оболочкой нитей 8, в данном случае из четырнадцати параллельных нитей, неподвижно соединенных между собой. Так, нити 8 соединены между собой сварными точками, выполненными вдоль сегментов 22, параллельных между собой и перпендикулярных к общей оси полотна 21 (то есть перпендикулярных к осям нитей 8, когда последние расположены прямолинейно). Концы полотна 21 обрезают на скос, чтобы получить концевые сегменты 26, 27 полотна 21 шириной «D», образующие угол «α» с осью 23 полотна 21.
Как показано на фиг.7, обрезанное таким образом полотно 21 наматывают на цилиндрический стержень 24. Этот стержень 24 выполнен в виде полой трубы предпочтительно из того же металла, что и оболочка керамических волокон нитей 8, в данном случае из титанового сплава. Он имеет внешний круглый контур, длина окружности которого равна значению ширины «D» скошенных концов полотна 21. Перед общим наматыванием полотно 21 наматывают одним из концевых сегментов 26 вокруг стержня 24, при этом обеспечивают спиралевидное наматывание за счет угла «α» между осью полотна 21 и сегментами 26, 27, образующими скошенные концы полотна 21, в частности, сегмент 26 предварительно наматывают вокруг одного конца стержня 24. Продольные края полотна 21 образуют угол β (где β=π/2-α) с осью 25 стержня 24. Полотно 21 наматывают вокруг стержня 24, полностью закрывая его наружную поверхность, при этом избегая перекрывания между собой покрытых оболочкой нитей 8 полотна 21. Продольные края полотна 21 стыкуют между собой последовательно при каждом витке наматывания. В конечном результате полотно 21 формируют и его сегменты 26, 27 обрезают на скос таким образом, чтобы его размеры соответствовали развернутой поверхности стержня 24.
В зависимости от толщины вставки из композитного материала с металлической матрицей, которая необходима для конечной детали, вокруг стержня 24 можно намотать несколько полотен 21, последовательно одно за другим. Предпочтительно, когда полотно наматывают вокруг предыдущего полотна 21, его первоначальное позиционирование на конце стержня 24 осуществляют таким образом, чтобы после намотки следующего полотна каждая из его покрытых оболочкой нитей 8 находилась между двумя покрытыми оболочкой нитями 8 предыдущего полотна, располагаясь в шахматном порядке, что обеспечивает лучшую плотность всего комплекса. Кроме того, полотна 21 можно смещать в угловом направлении, чтобы кривые линии стыков между двумя продольными краями были смещены относительно друг друга и предпочтительно были максимально удалены друг от друга (каждая контактная кривая между двумя продольными краями может, например, находиться на равном расстоянии от двух проксимальных кривых предыдущего полотна). Очевидно, что размеры каждого нового полотна 21 необходимо корректировать в зависимости от числа уже намотанных ранее полотен 21. Количество нитей, образующих каждое дополнительное полотно, можно легко рассчитать, зная размеры унитарных нитей, периметр стержня и число уже намотанных слоев. Предпочтительно конец стержня 24, на который изначально укладывают и наматывают полотна 21, содержит бортик, образующий осевой упор, имеющий радиальный размер, либо равный толщине общего количества полотен 21, либо превышающий эту толщину. Такой же бортик может быть выполнен и на другом конце стержня.
Угол α определяют в зависимости от напряжений и различных режимов воздействий (центробежные силы, растяжение, кручение, сжатие и т.д.) на конечную деталь. Действительно, усилия воспринимаются в основном керамическими волокнами, и их направление и распределение является определяющим в поведении детали. Таким образом, в зависимости от предусматриваемого применения определяют угол α, диаметр покрытых оболочкой нитей 8, диаметр керамических волокон и т.д. В рассматриваемом примере угол α равен 45°.
Если вокруг стержня 24 наматывают несколько полотен 21, то можно также предусмотреть разные значения углов α для полотен 21. Однако в этом случае рекомендуется использовать покрытые оболочкой нити 8, у которых металлическая оболочка имеет большую толщину, чтобы максимально защитить находящиеся внутри нее керамические волокна.
При наматывании полотен 21 их крепят либо к стержню 24, если речь идет о первом полотне 21, либо к предыдущему полотну, если речь идет о следующем полотне 21, в начале наматывания, когда конец полотна 21 начинают наматывать вокруг конца стержня 24 или вокруг предыдущего полотна. При наматывании другой конец полотна 21 крепят аналогичным образом. Предпочтительно для этого применяют технологию контактной сварки между двумя электродами, пропуская токи средней частоты для сварки тонкой полоски концевых частей полотна 21. Можно применять и любой другой способ.
Согласно другому варианту выполнения сварку полотна 21 со стержнем 24 или с предыдущим полотном можно осуществлять вдоль продольной линии относительно стержня 24, предпочтительно при помощи описанного ниже способа контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты.
После наматывания необходимого числа полотен 21 вокруг стержня 24 весь комплекс помещают в гильзу с внутренним диаметром, равным наружному диаметру этого комплекса. Эту гильзу предпочтительно выполняют из того же металлического сплава, который используют для оболочки волокон нитей 8, в данном случае из сплава Ti. Ее форма дополняет форму бортиков, образующих осевые упоры стержня 24, таким образом, чтобы комплекс, который в данном случае предпочтительно закрывают с торцов круглыми металлическими пластинами, был однородным и имел форму цилиндра. Круглые пластины и гильзу предпочтительно сваривают при помощи электронного пучка, чтобы получить герметичный контейнер;
предпочтительно эти пластины выполняют из титанового сплава. Сварка электронным пучком позволяет предварительно создать вакуум внутри гильзы. Образованный таким образом комплекс подвергают горячему изостатическому уплотнению.
Во время горячего изостатического уплотнения, которое осуществляют, например, под давлением 1000 бар при 950°С, происходит диффузия титанового сплава и создается металлическая матрица композитного материала, внутри которой находятся керамические волокна. При высокой температуре титановый сплав обладает вязкостью, что обеспечивает хороший диффузионный поток материала без повреждения керамических волокон при формировании металлической матрицы. Таким образом, в рассматриваемом случае получают вал, содержащий внутреннюю толщину титанового сплава, соответствующую стержню 24, центральную вставку из композитного материала с матрицей из титанового сплава, в которой спиралевидно расположены керамические волокна, и наружную толщину титанового сплава, соответствующую гильзе.
Этот вал можно обрабатывать механическим путем в зависимости от требуемой конечной детали. Предпочтительно концы вала с металлическими пластинами и, возможно, с бортиком или бортиками осевого упора полотен обрезают, чтобы получить вал, однородный по всей своей длине. Преимуществом такого вала является очень высокое сопротивление усилиям за счет наличия вставки из композитного материала, причем его общая толщина существенно меньше толщины классических валов. Кроме значительного выигрыша в массе эта толщина позволяет существенно уменьшить габариты, что имеет особое значение в вариантах применения, требующих наличия нескольких коаксиальных валов. Кроме того, представленный вал обладает очень высокой коррозийной стойкостью, так как его базовым компонентом является титановый сплав, коррозийная стойкость которого намного выше, чем, например, у стали. Вместе с тем без керамических волокон сам титановый сплав не может обладать достаточным сопротивлением усилиям.
Описанный способ можно применять в промышленном масштабе благодаря его простоте и надежности, тем более что в нем используют способы изготовления полотен при помощи точечной лазерной сварки и при помощи контактной электродной сварки, описанные ниже. Как уже было указано, полотна, изготовленные с применением лазерной сварки, обладают прочностью, причем прочностью модулируемой, и гибкостью, достаточной для осуществления с ними различных операций, и не содержат никаких добавок, например клея, что позволяет отказаться от операций удаления связующего и дегазации и непосредственно получать намотку, содержащую только титановый сплав и керамические волокна.
В описанном способе изготовления трубчатой детали с вставкой из композитного материала предпочтительно, по крайней мере, в начале и в конце способа полотно закреплять либо на металлической основе, на которую его наматывают, либо на полотно нижнего слоя.
Известные в настоящее время способы предполагают напыление клея на нити, недостатки которого уже были указаны выше. Кроме того, способы, содержащие этап сварки полотен, как правило, не используют, так как их осуществление наталкивается на многочисленные проблемы, основной из которых является необходимость предупреждения повреждения керамических волокон, находящихся внутри покрытых оболочной нитей. Эти волокна могут иметь диаметр от 100 до 200 мкм и более и обладают хрупкостью, особенно при изгибе и сдвиге. Любое повреждение керамического волокна нити сводит на нет все преимущества этой нити.
Далее следует описание способа и устройства локальной сварки покрытой оболочкой нити, или сшитого полотна, или пучка из покрытых оболочкой нитей с металлической основой, при этом основой является либо собственно металлическая основа, либо другая покрытая оболочкой нить, либо другое полотно, либо другой пучок из покрытых оболочкой нитей. Этот способ и это устройство позволяют осуществить крепление нити, или полотна, или пучка на основе, сохраняя при этом целостность керамических волокон, находящихся внутри нити или нитей. Способ и устройство позволяют также осуществлять ремонт нитей в случае разрыва во время процесса наматывания на катушку или стержень.
Как показано на фиг.8, полотно 29 из покрытых оболочкой нитей 8, например, полученное при помощи описанного выше способа изготовления полотна, предназначено для соединения со стержнем 24. Для этого полотно 29 необходимо неподвижно соединить со стержнем 24 в начале наматывания. С этой целью используют устройство 31 контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты. Покрытые оболочкой нити 8 расположены вдоль наружной периферии стержня 29. В данном случае полотно 29 содержит десять нитей.
Устройство 31 электродной сварки содержит среднечастотный генератор 32, соединенный с положительным электродом 33 и с отрицательным электродом 34. В варианте выполнения, показанном на фиг.8, положительный электрод 33 и отрицательный электрод 34 расположены вдоль оси стержня 24. Форма их сечения является одинаковой по всей этой ширине.
Положительный электрод 33, который может быть выполнен, например, из меди или вольфрама, содержит скошенный концевой участок 37. Этот концевой участок 37 выполняют таким образом, чтобы линии тока максимально сходились, проходя вдоль контактной линии или полосы между положительным электродом 33 и полотном 29 из покрытых оболочкой нитей 8, которая должна быть максимально узкой. Этот концевой участок 37 закругляют, чтобы он не перерезал нити 8. Радиус этого концевого участка 37 выбирают таким образом, чтобы получить максимальное схождение линий тока, однако он не должен быть слишком малым, чтобы не перерезать нити 8.
Отрицательный электрод 34 выполняют таким образом, чтобы свести к минимуму поверхности его контакта со стержнем 24, на котором закрепляют полотно 29, чтобы достичь схождения линий тока вдоль максимально узкой линии или полосы. Действительно, геометрическая форма стержня 24, который в данном случае является трубчатым, позволяет использовать цилиндрический отрицательный электрод 34, что позволяет сократить контактную поверхность до образующей и способствует схождению линий тока.
Такая конструкция электродов 33, 34 обеспечивает сварку полотна 29 со стержнем 24 вдоль очень узкой полосы. В этой полосе концентрация тока является постоянной.
Отличительным признаком способа электродной сварки является сочетание нагрева металла полотна 29 с легкой ковкой, осуществляемой за счет давления на полотно 29 со стороны электродов 33, 34. Предпочтительно интенсивность, и время нагрева, и давление регулируют для осуществления минимального нагрева металла и ковки и обеспечения таким образом сварки в твердом состоянии.
Нагрев полотна 29 осуществляют пропусканием тока через полотно 29 и стержень 24 между положительным электродом 33 и отрицательным электродом 34, имеющего регулируемую силу при генерировании в среднечастотном генераторе 32. Давление на полотно 29 обеспечивают при помощи положительного электрода 33, который в данном случае выполняет свою вторую функцию и является прессом. При этом понятно значение закругления концевого участка 37 во время выполнения этой функции, так как необходимо избегать срезания нитей 8.
На фиг.9 показан график изменения силы тока, проходящего между электродами 33, 34, показанного пунктирной кривой 56, и изменение давления со стороны положительного электрода 33 на сплошной кривой 57 в зависимости от времени «t». На графике под осью абсцисс показана также сплошная кривая 58, отражающая сплющивание полотна 29.
Описанный способ электродной сварки осуществляют следующим образом. Как уже было уточнено выше, речь идет о процессе сварки в твердом состоянии. Положительный электрод 33 и отрицательный электрод 34 входят в контакт соответственно с полотном 29 из покрытых оболочкой нитей 8 и с внутренней поверхностью стержня 24. В первой фазе на покрытые оболочкой нити 8 действует только давление со стороны двух электродов 33, 34. Давление доводят до величины Р1, которую сохраняют до момента t1. P1 предпочтительно находится в пределах от 50 до 100 Вт. Эта фаза приложения давления «в холодном состоянии» предназначена для обеспечения нормального контакта покрытых оболочкой нитей 8 одновременно друг с другом и со стенками стержня 24. В рассматриваемом ниже случае, когда при помощи сварки соединяют вместе, по меньшей мере, два слоя покрытых оболочкой нитей 8, во время этой фазы аналогично устанавливают контакт всех нитей между собой (при этом один слой выполняет роль основы для другого). Этот нормальный контакт обеспечивает хорошее пропускание тока во время следующей фазы.
Во второй фазе в момент t1, когда давление остается постоянным и равным Р1, силу тока доводят до значения I1. Предпочтительно она находится в пределах от 500 до 1500 А. Это приводит к нагреву металла, покрывающего керамические волокна покрытых оболочкой нитей 8, и обеспечивает начало сварки.
В третьей фазе в момент t2 давление доводят до значения Р2, превышающего Р1, чтобы осуществить дополнительную ковку покрытых оболочкой нитей 8 полотна 29. На кривой 58 можно отметить, что сплющивание полотна 29, которое было слабым и равномерным до момента t2, усиливается за счет дополнительной ковки, то есть за счет сочетания воздействия при прохождении тока (то есть при нагреве) и более высокого давления. Происходит сварка.
В четвертой фазе, начиная с момента t3, давление снижают до значения Р1.
В пятой фазе, начиная с момента t4, когда давление достигло своего значения P1, силу тока сводят к нулю, тогда как давление сохраняют при значении Р1, чтобы обеспечить эффект схватывания при охлаждении, до момента t5, то есть до начала последней фазы снижения давления до нуля, прилагаемого электродами 33, 34, и завершения процесса.
На кривой 58 можно отметить, что во время четвертой, пятой и последней фаз сплющивание полотна 29 можно немного уменьшить (то есть толщина полотна опять слегка увеличивается) за счет упругости. Как правило, сплющивание происходит на 0,05-0,15 мм.
Таким образом, при применении способа контактной сварки между электродами металлические оболочки нитей 8 локально нагреваются, свариваются и образуют соединения между собой и со своей основой, в данном случае с наружной поверхностью стержня 24, вдоль тонкой полосы в контактной зоне между концевым участком 37 положительного электрода 33 и полотном 29. Сварка не затрагивает при этом керамические волокна. В частности, пропускание тока средней частоты обеспечивает локальную температуру такого значения, при котором материал оболочки нитей 8 остается в твердом состоянии, но при котором происходит сварка (и ковка) материала, при этом температура не доходит до значения, при котором происходит расплавление материала. Сила воздействия электрода, как правило, порядка 10 даН, позволяет активировать сварку. Таким образом, вдоль этой полосы получают монолитную толщину металла, в которой находятся керамические полотна, которые не затрагивает операция сварки.
Таким образом, получают неразъемное соединение полотна 20 со стержнем 24, которое позволяет начать процесс наматывания. Это соединение не обязательно должно быть очень прочным, речь идет всего лишь об удерживающей полосе, достаточной для варианта применения, для которого оно предназначено, в данном случае для наматывания полотна 29 из покрытых оболочкой нитей 8 на стержень 24.
Как показано на фиг.10, такую же операцию осуществляют в конце наматывания для закрепления сваркой конца полотна 29 с нижним слоем полотна 29, находящегося под ним. Применяют аналогичный способ контактной сварки. Силу тока, генерируемого среднечастотным генератором 32, и давление со стороны положительного электрода 33 регулируют таким образом, чтобы предпочтительно сваривать между собой только два наружных слоя полотна 29, образуя вдоль сварной полосы монолитный слой небольшой ширины, внутри которого расположены два ряда керамических волокон. Не исключается и соединение сваркой нескольких слоев полотна 29. Это не представляет никаких недостатков. Действительно, если намотка предназначена для формирования вставки внутри детали, впоследствии все равно будут осуществлять уплотнение всего комплекса. В любом случае для регулирования толщины свариваемого полотна необходимо управление энергией тока и энергией давления. Ток проходит от положительного электрода 33 к отрицательному электроду 34 через все слои полотна 29 и стержень 24. Фаза «холодного» приложения давления позволяет обеспечить контакт между слоями для нормального прохождения тока.
Можно также выполнять сварную полосу поперечно к оси стержня 24, устанавливая устройство поперек; в этом случае скошенный конец 37 положительного электрода 33 может иметь вогнутую форму, и стержень поворачивают таким образом, чтобы выполнить сварную полосу по всей периферии его конца.
Способ контактной сварки одной или нескольких покрытых оболочкой нитей может также предусматривать ремонт нити, или полотна, или пучка нитей в случае разрыва во время наматывания. В предшествующем уровне техники разрыв при наматывании нити требовал остановки процесса и его возобновления с самого начала для нового наматывания, при этом намотанная и разорванная нить отбраковывалась. Способ контактной сварки позволяет сваривать концы в месте разрыва нити или полотна и продолжить наматывание.
1. Способ изготовления трубчатой детали, содержащей вставку из композитного материала с металлической матрицей, внутри которой находятся керамические волокна, отличающийся тем, что вокруг металлического стержня наматывают сшитое полотно из покрытых оболочкой нитей, при этом каждая нить содержит керамическое волокно, покрытое металлической оболочкой, и нити соединяют сварными точками, при этом полотно имеет скошенные концы, а его размеры соответствуют развернутой поверхности стержня, причем скошенный конец полотна наматывают вокруг конца стержня, затем полотно спиралевидно наматывают по окружности стержня.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один дополнительный этап наматывания сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей вокруг уже намотанного полотна.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что стержень и сшитое полотно или сшитые полотна из покрытых оболочкой нитей вставляют в металлическую гильзу и весь комплекс подвергают горячему изостатическому уплотнению.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед горячим изостатическим уплотнением к каждому концу стержня приваривают круглую металлическую пластину.
5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сшитое полотно или сшитые полотна формируют при помощи способа изготовления полотна, согласно которому осуществляют снование и протягивание покрытых оболочкой нитей друг рядом с другом при помощи приводного модуля перед лазерным сварочным устройством, выполняющим сварные точки между смежными нитями.
6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что полотно крепят к стержню или к уже намотанному полотну при помощи способа контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты, один электрод прижимают к полотну, а другой электрод - к стержню или к уже намотанному полотну соответственно и пропускают ток для осуществления диффузионной сварки в твердом состоянии.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что полотно крепят его концами в начале и в конце наматывания.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что полотно крепят вдоль продольной полосы относительно стержня.
