Способ изготовления детали с вставкой из композитного материала с металлической матрицей и керамическими волокнами

Способ изготовления детали с вставкой из композитного материала с металлической матрицей и керамическими волокнами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается способа изготовления деталей с вставкой из композитного материала, состоящего из керамических волокон, находящихся в металлической матрице.

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, причем деталь может быть монолитной. Такой композитный материал содержит матрицу из металлического сплава, например из сплава титана Ti, внутри 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 данную углеродную нить покрывают карбидом кремния, тогда как на границе раздела 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. Такой способ нанесения покрытия на керамические волокна путем погружения в жидкий металл описан в патенте ЕР 0931846, зарегистрированном на имя заявителя. Этот способ характеризуется гораздо большей скоростью изготовления по сравнению с упомянутыми способами. Таким образом, получают нити из композитного материала или покрытые оболочкой нити, служащие основой для изготовления вставки из композитного материала, которая в последующем 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 (в данном случае 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.

После этого, как правило, деталь подвергают механической обработке для получения конечного продукта. Например, если ставится задача изготовления моноблочного диска компрессора, - под термином «моноблочный» подразумевают, что лопатки выполняют заодно с диском в виде единой детали, - контейнер, содержащий вставку из композитного материала, обрабатывают, чтобы получить моноблочный лопаточный диск, при этом часть обода с выполненными в ней лопатками содержит вставку из композитного материала. Обод имеет размеры намного меньше классических металлических дисков за счет высокой жесткости и прочности, придаваемых комплексу керамическими волокнами вставки из композитного материала, содержащейся в массе обода. В частности, такой обод может иметь форму простого кольца, а не фланца или диска при отсутствии вставки.

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 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 позиционирование в контейнере покрытой оболочкой нити является решающим фактором в производственном процессе, поскольку оно обуславливает характеристики материала, при этом очень важное значение имеет удержание правильного направления укладки керамического волокна в зависимости от основных напряжений, действующих на деталь. Оно обуславливает также качество композитного материала за счет сохранения целостности керамического волокна в ходе различных этапов изготовления детали. Оно 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.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа, который позволяет осуществлять в промышленном масштабе изготовление деталей, в частности, с осевой симметрией, содержащих вставку из композитного материала.

В соответствии с настоящим изобретением способ изготовления детали, содержащей вставку из композитного материала с металлической матрицей, внутри которой находятся керамические волокна, при этом вставку получают из множества покрытых оболочкой нитей, каждая из которых содержит керамическое волокно, покрытое металлической оболочкой, отличается тем, что содержит операцию изготовления вставки с этапом наматывания пучка покрытых оболочкой нитей или сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей вокруг круглой детали перпендикулярно к оси вращения этой детали.

Изобретение и его другие отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания способа в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:

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 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 - частичный схематичный вид в разрезе детали, образующей внутреннюю часть контейнера, для осуществления первого варианта описанного в настоящей заявке способа изготовления детали с вставкой из композитного материала путем наматывания пучка или полотна из покрытых оболочкой нитей, в начале наматывания.

Фиг.7 - частичный схематичный вид в разрезе детали, показанной на фиг.6, в конце процесса наматывания.

Фиг.8 - частичный схематичный вид в разрезе детали, показанной на фиг.7, с которой соединяют наружное кольцо и крышку.

Фиг.9 - частичный схематичный вид в разрезе контейнера с кольцевой полостью для осуществления второго варианта описанного в настоящей заявке способа изготовления детали с вставкой из композитного материала путем наматывания пучка или полотна из покрытых оболочкой нитей.

Фиг.10 - частичный схематичный вид в разрезе стержня для осуществления второго варианта описанного в настоящей заявке способа изготовления детали с вставкой из композитного материала путем наматывания пучка или полотна из покрытых оболочкой нитей.

Фиг.11 - этап крепления крышки на контейнере, показанном на фиг.9.

Фиг.12 - частичный схематичный вид в разрезе этапа сцепления полотна из покрытых оболочкой нитей в описанном в настоящей заявке способе изготовления вставки, с расплющенным листом начала наматывания.

Фиг.13 - частичный схематичный вид в разрезе этапа зажатия полотна из покрытых оболочкой нитей в описанном в настоящей заявке способе изготовления вставки, с расплющенным листом конца наматывания.

Фиг.14 - частичный схематичный вид в разрезе этапа обрезки расплющенного листа начала наматывания, показанного на фиг.12.

Фиг.15 - частичный схематичный вид в разрезе завершения этапов зажатия полотна из покрытых оболочкой нитей, показанных на фиг.12 и 13.

Фиг.16 - частичный схематичный вид в разрезе способа изготовления детали с намотанной вставкой из композитного материала, изготовленной согласно способу, содержащему этапы зажатия полотна, показанные на фиг.12 и 13.

Фиг.17 - схематичный вид в разрезе первого варианта выполнения устройства электродной сварки полотна из покрытых оболочкой нитей на металлической основе в начале процесса наматывания полотна на стержень.

Фиг.18 - вид в разрезе по плоскости 35 устройства, показанного на фиг.17.

Фиг.19 - 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.20 - вид устройства, показанного на фиг.17, в конце процесса наматывания полотна на стержень.

Фиг.21 - схематичный вид в разрезе второго варианта выполнения описанного в настоящей заявке устройства электродной сварки полотна из покрытых оболочкой нитей на металлической основе в начале наматывания полотна на стержень.

Фиг.22 - вид устройства, показанного на фиг.21, в конце процесса наматывания полотна на стержень.

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.

Далее следует описание способа изготовления сшитого полотна из покрытых оболочкой нитей.

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.

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 показано 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.

Необязательно, 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 схематично 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 зафиксировать нити 8. 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, параллельному 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 в меньшей степени связаны с самим способом и в большей степени 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 быстро 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 масштабном процессе изготовления детали с вставкой из композитного материала с использованием покрытых оболочкой нитей исключить все этапы удаления связующего вещества.

Далее следует описание заявленного способа изготовления детали с симметрией вращения с вставкой из композитного материала, содержащего этап наматывания пучка покрытых оболочкой нитей или полотна из покрытых оболочкой нитей на круглую деталь перпендикулярно к оси этой детали.

Как было указано выше, детали с симметрией вращения, содержащие вставку из композитного материала, как правило, получают согласно следующему способу:

- устанавливают на место катушку с покрытой оболочкой нитью;

- изготавливают заготовку в виде диска путем разматывания катушки с покрытой оболочкой нитью;

- изготавливают контейнер, содержащий кольцевую полость для укладки заготовок;

- укладывают в штабель множество заготовок в кольцевой полости;

- закрывают полость кольцевой крышкой;

- удаляют связующее с заготовок и создают вакуум;

- производят горячее изостатическое уплотнение всего комплекса;

- производят механическую обработку комплекса для получения конечной детали.

Различные недостатки такого способа были упомянуты выше. Предлагается решать эти проблемы, в частности, при помощи способа, который может быть применен в промышленном масштабе.

Таким образом, в настоящем изобретении предлагается способ, содержащий этап наматывания пучка или полотна из покрытых оболочкой нитей либо на промежуточную деталь, которую затем вставляют в полость контейнера, либо непосредственно на внутреннюю часть контейнера, которую затем дополняют наружной частью. Таким образом, вместо укладки штабелем по всей высоте полости заготовок шириной, равной ширине полости, осуществляют наматывание пучка или полотна из покрытых оболочкой нитей, ширина намотки которых соответствует высоте полости, при этом число слоев или витков позволяет заполнить ширину полости.

Первый вариант выполнения способа показан на фиг.6-8. Согласно этому варианту выполнения предварительно путем механической обработки получают деталь 39, образующую внутреннюю часть контейнера. Под контейнером следует понимать круглую деталь с осью 40, содержащую кольцевую полость, предназначенную для укладки покрытых оболочкой нитей. Предпочтительно такой контейнер выполняют из того же металла, что и оболочка нитей, в данном случае из сплава титана Ti. Деталь 39, образующая внутреннюю часть контейнера, является моноблочной деталью, образованной вращением вокруг оси 40. Ее внутренний участок 41 имеет высоту «Н», равную высоте контейнера; высота берется по осевому размеру. По периферии этого внутреннего участка 41 деталь 39 содержит скошенный участок 42, сопрягающийся с первым заплечиком 43 высотой «h» и шириной «d», соответствующими высоте «h» и ширине «d» кольцевой полости контейнера; ширина берется по радиальному размеру. Начиная от периферии этого первого заплечика 43 выполнен второй заплечик 44, радиальный размер которого дополняет ширину контейнера, при этом его поверхность находится ниже поверхности кольцевой полости.

Иначе говоря, деталь 39, образующая внутреннюю часть контейнера, соответствует контейнеру, с которого сняли наружное кольцо высотой, меньшей высоты контейнера, обозначенное позицией 46 на фиг.8, освободив, таким образом, радиальное пространство снаружи кольцевой полости, выполненной в контейнере.

Таким образом, можно осуществить укладку пучка или полотна 47 из покрытых оболочкой нитей на стенке, образующей высоту «h» первого заплечика 43. Этот заплечик 43 соответствует кольцевой полости без ее наружной стенки.

Для наматывания пучка или полотна 47 из покрытых оболочкой нитей на деталь 39 предпочтительно во время первого оборота эти нити закреплять на стенке заплечика 43. Предпочтительно, чтобы это крепление было осуществлено при помощи способа контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты, что будет описано ниже.

Если речь идет о пучке 47 покрытых оболочкой нитей, то для разматывания пучка можно, например, использовать катушечный модуль и сновальный модуль, аналогичные модулям, показанным на фиг.2 для способа изготовления полотна, при этом после снования пучок наматывают непосредственно на деталь 39.

Если речь идет о предварительно сформированном полотне 47 из покрытых оболочкой нитей, то его предпочтительно получают согласно описанному выше способу изготовления полотна. Полотно, намотанное на катушку, например, на катушку 17' приводного модуля 17 устройства изготовления полотна, показанного на фиг.2, разматывают для последующего наматывания на деталь 39, образующую внутреннюю часть контейнера.

Полотно можно также наматывать на деталь 39 напрямую, заменив катушку 17' приводного модуля 17, показанного на фиг.2, деталью 39, образующей внутреннюю часть контейнера. Таким образом, после снования покрытые оболочкой нити соединяют в полотно, затем наматывают его на деталь 39. Вместе с тем такое предварительное формирование полотна не является обязательным.

Во всех трех случаях деталь 39, образующую внутреннюю часть контейнера, в данном случае приводят во вращение вокруг ее оси 40 для наматывания пучка или полотна 47 из покрытых оболочкой нитей. Как показано на фиг.7, после намотки необходимого числа слоев нитей, в данном случае число слоев, позволяющего заполнить ширину «d» заплечика 43, соответствующего кольцевой полости, пучок или полотно 47 покрытых оболочкой нитей опять закрепляют, на этот раз на намотке, предпочтительно при помощи описанного ниже способа контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты, после чего обрезают. В этом случае пучок или полотно 47 покрытых оболочкой нитей закрепляют сваркой на нижнем или нижних слоях, что будет пояснено ниже в ходе описания этого способа сварки.

Как показано на фиг.8, после этого вокруг детали 39, образующей внутреннюю часть контейнера, устанавливают наружное кольцо 46, образующее наружную часть контейнера. Это кольцо можно закрепить, предпочтительно при помощи сварки электронным пучком, или просто удерживать на месте. Таким образом, восстанавливают контейнер с его кольцевой полостью, в которой намотаны покрытые оболочкой нити, в данном случае уже не в виде заготовок шириной «d», уложенных штабелем по высоте «h», а в виде пучков или полотен 47 из покрытых оболочкой нитей шириной «d», которые были намотаны в количестве слоев с общей радиальной высотой, равной ширине «d» кольцевой полости.

После этого устанавливают кольцевую крышку 48, содержащую кольцевой выступ 49, соответствующий скошенной фаске 42 детали 39, образующей внутреннюю часть контейнера, и скошенной фаске 50 наружного кольца 46, концентричной с фаской 42 детали 39 и находящейся напротив этой фаски. Между этими двумя скошенными фасками 42, 50 находится кольцевая полость со слоями пучка или полотна 47 из покрытых оболочкой нитей, на которые опирается кольцевой выступ 49 крышки 48.

После установки на место детали 39, образующей внутреннюю часть, наружного кольца и крышки получают уже известную конфигурацию с закрытым контейнером, содержащим вставку из покрытых оболочкой нитей. После этого весь комплекс заваривают, предпочтительно при помощи сварки электронными пучками, вакуумируют, затем известным способом осуществляют горячее изостатическое уплотнение, что и соответствует изготовлению вставки из композитного материала с металлической матрицей, внутри которой находятся керамические волокна. Этот комплекс можно обработать для получения конечной детали с вставкой из композитного материала. Этот комплекс можно также подвергнуть механической обработке, чтобы выделить из него саму вставку из композитного материала.

Преимуществом описанного способа является скорость его осуществления, так как он не содержит этапов изготовления и последующей укладки в штабель заготовок, тогда как наматывание покрытых оболочкой нитей в виде пучка или полотна осуществляется гораздо быстрее. Кроме того, отпадает необходимость в добавлении такого материала, как клей. В результате, с одной стороны, получают вставку из композитного материала более высокого качества и, с другой стороны, исключают операции удаления связующего и дегазации, то есть получают существенный выигрыш во времени.

Второй вариант выполнения способа показан на фиг.9-11. В этом варианте выполнения предварительно изготавливают кольцевой контейнер 51 с осью 40 и высотой «Н», содержащий кольцевую полость 51, соответствующей полости высотой «h» и шириной «d», дно 54' и внутреннюю стенку 53' которой подвергают механической обработке для получения кольцевой полости 52 больших размеров. На фиг.9 пунктирной линией показана кольцевая полость с высотой «h» и шириной «d», а сплошной линией - более глубокая и более широкая полость после механической обработки.

Как показано на фиг.10, изготавливают также кольцевой стержень 53 с радиальным бортиком 54, предназначенный для установки в расширенной кольцевой полости 52 контейнера. Размеры стержня 53 определяют таким образом, чтобы после установки в полость 52, полученная в результате полость была полостью с высотой «h» и шириной «d», при этом стенка 53 стержня опирается на внутреннюю стенку 53' кольцевой полости 52, а его радиальный бортик 54 опирается на дно 54'. В данном случае стержень 53 выполняют из того же материала, что и контейнер 51, то есть из сплава титана Ti.

Как и в предыдущем случае пучок или полотно 47 из покрытых оболочкой нитей наматывают на этот раз на стержень 53. Пучок или полотно имеет общую ширину, равную «h», и слои наматывают в количестве, при котором их общая толщина равна «d», то есть ширине радиального бортика 54 стержня 53. Предпочтительно начальный конец пучка или полотна закрепляют на стержне при помощи способа контактной сварки между двумя электродами, описанного ниже.

После наматывания необходимого количества слоев пучка или полотна 47 из покрытых оболочкой нитей последний слой закрепляют на предыдущем или предыдущих слоях, предпочтительно при помощи описанного ниже способа контактной сварки между двумя электродами, после чего пучок или полотно обрезают. Стержень 53 с намоткой вставляют в кольцевую полость 52 контейнера 51, как показано на фиг.11. После этого устанавливают крышку 48, идентичную крышке 48 из предыдущего варианта, и комплекс заваривают при помощи сварки электронным пучком, вакуумируют, затем осуществляют его горячее изостатическое уплотнение и подвергают механической обработке для получения конечной детали с вставкой из композитного материала.

В обоих описанных вариантах выполнения покрытые оболочкой нити 47 наматывают одна на другую все время в одной плоскости. В результате этого в сечении оси нитей 47 образуют решетку, базовая ячейка которой имеет квадратную форму. Для обеспечения лучшей плотности вставки предпочтительно каждый слой смещать относительно предыдущего на расстояние, равное половине расстояния между двумя смежными покрытыми оболочкой нитями, при этом оси нитей трех последовательных слоев располагаются в шахматном порядке относительно друг друга. Для этого можно предусмотреть две катушки для разматывания полотен 47 или два модуля для разматывания пучков 47 покрытых оболочкой нитей, установленные таким образом, чтобы полотна или пучки 47 были смещены в шахматном порядке и наматывались одновременно один на другой на деталь 39, образующую внутреннюю часть контейнера, или на стержень 53. Между катушками или модулями и деталью 39, 53, на которую наматывают нити, можно предусмотреть устройство, обеспечивающее контакт между нитями и их взаимное расположение.

Далее со ссылкой на фиг.17-22 следует описание способа крепления полотна либо к металлической основе, на которую его наматывают, либо к полотну нижнего слоя при помощи контактной сварки между двумя электродами с пропусканием тока средней частоты.

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 используются, так как их осуществление наталкивается на многочисленные проблемы, основной из которых является необходимость предупреждения повреждения керамических волокон, находящихся внутри покрытых оболочкой нит