CN103895315B - Glare构件的制备成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Glare构件的制备成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。首先对铝合金坯料表面进行表面处理后铺设复合层板；在复合层板置于差压成形装置凹模上，对其进行抽真空和压边处理；将复合层板加热至环氧树脂固化及铝合金时效成形同步发生所需的温度；在差压成形装置中对复合层板进行双向差压加载，使环氧树脂在固化的同时，铝合金发生时效成形及强化，实现Glare层板的制备及构件一体成形；对Glare构件上的多余坯料进行裁剪。本发明适用各种复杂结构的Glare构件一体化成形，其成形效率高、精准度好、回弹小，具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属构件的制备成形方法，特别涉及一种Glare构件的制备成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。
背景技术
纤维金属层板（FiberMetalLaminates，FMLs）是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板（SuperHybridLaminates）。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有较高的比强度和比刚度、优良的疲劳性能以及损伤容限性能，这些优势使得FMLs在航空航天工业中获得了广泛的应用。作为第二代FMLs，Glare层板是由0.3-0.5mm厚的铝合金薄板与0.2-0.3mm厚的玻璃纤维预浸料交替层压而成，其密度低且具有突出的抗拉-压疲劳性能及较高的缺口断裂性能，可使结构减重25%-30%，抗疲劳寿命提高10-15倍。Glare层板也因其优异的性能、稳定的制备工艺和显著的成本优势，在航空航天上广泛应用，并成为大型客机机身、机翼蒙皮和钣金零件的主要选材之一。
在Glare构件的制备方面，目前国内外常用技术方案为：首先通过热压罐提供合理的温度和压力，使预浸料中的树脂固化，以制备Glare层板（如US4500589、US5039571），再利用金属塑性成形技术对已制备好的Glare板材进行其构件的成形。但由于纤维的破坏应变小，已制备的Glare层板成形极限远小于相应的金属材料，在对已制备好的层板进行塑性成形时，极易于产生层间破坏，故对Glare层板的成形带来了极大的限制，其传统上所采用的拉伸成形及辊弯成形仅能实现小曲率范围内的单、双曲率成形，无法对其他形状的构件进行成型。此外，国外（US6875501）针对于Glare层板已实现产业化应用的辊弯成形和拉伸成形在成形精度和回弹控制、防止分层失效等方面依然存在较多技术难题，并无法成形出大曲率复杂构件，使Glare层板的应用受到严重限制。
航空航天领域使用的Glare构件日趋复杂，目前传统的先制备、后成形工艺已无法满足实际服役零件的制造要求。近年来，荷兰代尔夫特理工大学提出了Glare层板自成形（self-forming）技术，其成形过程如图1所示。即首先对层板所需要的铝合金板材进行塑性成形，利用合理的模具设计，将成形好的多层铝合金构件和玻璃纤维预浸料一起进行热压制备，以实现对较复杂Glare构件的塑性成形。该方法在一定程度上提高了Glare层板的成形极限，对Glare较复杂构件的成形制备提供了重要的解决思路。但存在以下不足：(1)、该工艺需分别对Glare构件所需要的多层铝合金板材分别进行塑性成形，成形效率极低；(2)、该工艺利用冷成形分别对铝合金薄板进行塑性成形，其回弹控制难度大，且不同薄板构件的变形叠加至热压制备过程中，将带来Glare构件的大幅度回弹，成形精准度差；(3)、该工艺仅能有限提高Glare构件的成形极限，无法实现更为复杂、变形量大的构件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，提供一种成形效率和成形精度高、适用于各种结构复杂、变形量大的Glare构件制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的提供了一种Glare构件的制备成形方法，包括以下步骤：
1)、对铝合金坯料表面进行表面处理；
2)、将经过表面处理后的铝合金坯料、环氧树脂胶膜及玻璃纤维环氧树脂预浸料进行多层铺设，形成复合层板；
3)、在复合层板置于差压成形装置凹模上前或后对其进行抽真空，并进行压边处理；
4)、将复合层板加热到环氧树脂的预固化温度并保温，对环氧树脂进行预固化；
5)、通过差压成形装置对复合层板进行上压大于下压的双向施压，并将复合层板温度升高到环氧树脂的固化温度，保温保压，同时进行环氧树脂的固化和铝合金的时效强化，实现Glare层板的制备及构件一体成形；所述上压力为0.6-10MPa，下压力为0-1MPa，上下压差为0.6-9.2MPa；所述用于玻璃纤维环氧树脂固化预浸料及铝合金时效成形同步所需温度为140℃-180℃；
6)、对成形后Glare构件上多余坯料进行裁剪，得到Glare构件。
本发明中，所述步骤2)中复合层板的铺设结构为：2/1结构、3/2结构或4/3结构。
本发明中，所述步骤2)的复合层板为：单向层板或正交层板。
本发明中，所述步骤3)中在不需要进行铝合金补料时，其过程为：将复合层板放置于差压成形装置的凹模上进行抽真空，真空度为≤-0.092MPa，同时对复合层板中的铝合金基材进行压边操作。
本发明中，所述步骤3)中在需进行铝合金补料时，其过程为：
1)、将复合层板放置于真空袋中进行抽真空，真空度为≤-0.08MPa-0.09MPa；
2)、将真空的复合层板置于差压成形装置的凹模上，对复合层板进行整体进行压边处理。
本发明中，所述步骤4)中在复合层板为3/2正交层板或4/3正交层板结构时，预固化温度为140℃，保温时间为20min。
本发明中，所述步骤5)中复合层板为3/2正交层板结构时其上压为1.6MPa，下压0.8MPa，上下压差为0.8MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为130min。
本发明中，所述步骤5)复合层板为4/3正交层板结构时其中上压为10MPa，下压0.8MPa，上下压差为9.2MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为150min。
本发明中，所述步骤5)中复合层板为2/1单向层板结构时其上压为0.6MPa，下压0MPa，上下压差为0.6MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为130min。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明适用各种复杂结构的Glare构件整体成形，其成形效率高、精准度好、回弹小，具有较高的工程应用价值；(2)、本发明首次提出了一种适合于复杂型面的整体成形方案，其操作过程简单、生产成本低。
附图说明
图1为现有Glare层板成形流程图；
图2为本发明Glare构件的制备成形方法流程图；
图3为本发明差压成形装置结构示意图；
图4为本发明实施例1加热、加压曲线图；
图5为本发明实施例1成形构件形状图；
图6为本发明实施例2加热、加压曲线图；
图7为本发明实施例2成形构件形状图；
图8为本发明实施例3加热、加压曲线图；
图9为本发明实施例3成形构件形状图；
图10为本发明实施例4加热、加压曲线图；
图11为本发明实施例4成形构件形状图；
图1中，(a)为铝合金塑性成形图、(b)为层板热压制备示意图、(c)层板成形构件图、(d)为现有Glare层板成形流程图；图2中，1-上腔室、2-下腔室、3-凹模、4-上腔室加压通道、5-下腔室加压通道、6-凹模加压通道、7-上压控制器、8-下压控制器、9-隔热板、10-复合层板，P1-上压力，P2-下压力。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例1
第一步、选择500mm×500mm×0.4mm的2024-T3铝合金坯料，并进行磷酸阳极氧化处理，使2024-T3铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌；
第二步、选用并裁剪500mm×500mm×0.125mm的S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料，其树脂含量30wt%；
第三步、采用3/2正交层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：2024-T3铝合金/0°S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/90°S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/2024-T3铝合金/0°S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/90°S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/2024-T3铝合金，每层2024-T3铝合金与S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料间铺设70g/m2的环氧树脂胶膜；
第四步、将铺设好的复合层板放置于差压成形装置中的半球面凹模上，进行抽真空处理，其真空度要求≤-0.092MPa；
第五步、在抽真空过程中，对复合层板中的2024-T3铝合金进行压边操作，使2024-T3铝合金在成形过程中不进行补料，同时确保所有S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料均处于压边圈内，可在成形过程中任意流动；
第六步、实施复合层板制备和构件成形一体化工艺：如图3、4所示，将复合层板匀速加热至140℃，保温20min，使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料进行预固化；通过差压成形装置对复合层板进行双向差压加载，上压力P1为1.6MPa，下压力P2为0.8MPa，压差为0.8MPa，其中下压力用于提供复合层板制备时自身粘接所需压力，压差用于提供构件一体化成形所需压力；同时，将复合层板的温度升高至180℃，保温保压130min，使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为0.8MPa的工艺下完成复合层板制备，并在0.8MPa的差压下实现构件一体化的成形；在一体化成形过程中，S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料处于任意流动状态，复合层板中的2024-T3铝合金处于纯胀形状态进行时效强化，保温保压结束后自然降温降压，得到成形好的Glare构件；
第七步、如图5所示，对成形好的Glare构件压边圈内、外无，S4高强玻璃纤维增强环氧树脂预浸料增强的部分进行裁剪，获得最终的半球面形Glare构件。
实施例2
第一步、选择1000mm×500mm×0.3mm的2060-W（淬火态）铝锂合金进行表面喷砂处理，使2060-W铝锂合金铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌；
第二步、选用并裁剪1000mm×500mm×0.125mm的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料，树脂含量40wt%；
第三步、采用2/1单向层板结构设计，按以下顺序进行铺设复合层板：2060-W铝锂合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/2060-W铝锂合金，每层2060-W铝锂合金与S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料间铺设180g/m2的环氧树脂胶膜；
第四步、将铺设好的复合层板放置于真空袋中，进行抽真空处理，真空度要求≤-0.08MPa；
第五步、将真空袋及包含在其中的复合层板放置在差压成形装置中的双曲率凹模上，对复合层板进行整体压边处理，要求压边力可精确控制；
第六步、实施复合层板制备和构件成形一体化工艺：如图3、6所示，将复合层板的温度升高至180℃，通过差压成形装置对复合层板进行双向差压加载，上压力P1为0.6MPa，下压力P2为0MPa，压差为0.6MPa，其中下压力用于提供复合层板制备时自身粘接所需压力，压差用于提供构件一体化成形所需压力，保温保压130min，使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料完全固化，在温度为180℃的工艺下完成复合层板制备，并在0.6MPa差压下实现构件一体化成形；同时，保持复合层板压边力的动态、精确控制，使复合层板在成形过程中实现完全补料并最终紧密贴模，保温保压结束后自然降温降压，得到成形好的Glare构件；
第七步、如图7所示，对成形好的Glare构件多余坯料进行裁剪，获得最终的双曲率Glare构件。
实施例3
第一步、选择500mm×500mm×0.35mm的7075-T4铝合金进行表面喷砂处理，使7075-T4铝合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌；
第二步、选用并裁剪500mm×500mm×0.125mm的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料，树脂含量40wt%；
第三步、采用4/3正交层板结构设计，按以下顺序进行铺设复合层板：7075-T4铝合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/90°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/7075-T4铝合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/90°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/7075-T4铝合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/90°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/7075-T4铝合金，在每层7075-T4铝合金与S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料间铺设150g/m2的环氧树脂胶膜；
第四步、将铺设好的复合层板放置于真空袋中，进行抽真空处理，真空度要求≤-0.09MPa；
第五步、将真空袋及包含在其中的复合层板放置在差压成形装置中的凹模上，对复合层板进行整体压边处理，要求压边力可精确控制；
第六步、实施复合层板制备和构件成形一体化工艺：如图3、8所示，将复合层板匀速加热至140℃，保温20min，使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料进行预固化；通过差压成形装置对复合层板进行双向差压加载，上压力P1为10MPa，下压力P2为0.8MPa，压差为9.2MPa，其中下压力用于提供复合层板制备时自身粘接所需压力，压差用于提供构件一体化所需压力；同时，将复合层板的温度升高至180℃并保温保压150min，使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料完全固化,在温度为180℃、压力为0.8MPa工艺下完成复合层板制备，并在9.2MPa的差压下实现构件一体化成形；同时，保持复合层板压边力的动态、精确控制，使复合层板在成形过程中实现完全补料；保温保压结束后自然降温降压，得到成形好的Glare构件；
第七步、如图9所示，对成形好的Glare构件多余坯料进行裁剪，获得最终的凹形Glare构件。
实施例4
第一步、选择800mm×500mm×0.3mm的2060-T3铝锂合金进行表面碱性阳极化处理，使铝锂合金表面获得与树脂热压复合更为有利的表面形貌；
第二步、选用并裁剪800mm×300mm×0.125mm的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料，树脂含量35wt%；
第三步、采用3/2单向层板结构设计，按以下顺序进行铺设复合层板：2060-T3铝锂合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/2060-T3铝锂合金/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/0°S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料/2060-T3铝锂合金，在每层2060-T3铝锂合金与S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料间铺设30g/m2的环氧树脂胶膜；
第四步、将铺设好的复合层板放置于真空袋中，进行抽真空处理，真空度要求≤-0.09MPa；
第五步、将真空袋及包含在其中的复合层板放置在差压成形装置中的V形凹模上，对复合层板进行整体压边处理，要求压边力可精确控制；
第六步、实施复合层板制备和构件成形一体化工艺：如图3、10所示，将复合层板的温度升高至160℃，保温20min后，通过差压成形装置对复合层板进行双向差压加载，上压力P1为5.3MPa，下压力P2为1MPa，压差为4.3MPa，其中下压力用于提供复合层板制备时自身粘接所需压力，压差用于提供构件一体化成形所需压力；使复合层板中的S4高强玻璃纤维增强中温环氧树脂预浸料完全固化，在温度为160℃、压力为1MPa的工艺参数下完成复合层板制备，并在4.3MPa的差压下实现构件一体化成形；在一体化成形过程中，复合层板中的2060-T3铝锂合金通过塑性成形贴模的同时，进行时效强化；保温保压结束后自然降温降压，得到成形好的Glare构件；
第七步、如图11所示，对成形好的Glare构件多余坯料进行裁剪，获得最终的V形Glare构件。
本发明上述实施例中其加热、加压过程为同步协调控制过程，对复合层板加热使环氧树脂开始固化的初期，进行压力加载，使该复合层板制备的同时进行时效成形；并在树脂固化完全之前，完成最终构件的成形过程。
上述实施例中铝合金也可以选择可热处理强化的2系列、6系列铝合金；上述施例中单向层板指玻璃纤维均沿0°方向铺设，正交层板指玻璃纤维分别沿着0°、90°方向交叉铺层；根据成形的构件几何结构，在需要进行铝合金补料时，对铝合金和预浸料层进行整体压边；在不需要进行铝合金补料时，仅对铝合金进行压边，使预浸料层在成形时自由流动。
本发明上述实施例中的差压成形装置，包括上腔室1、下腔室2和凹模3，上腔室1位于下腔室2的上方，形成整体密封腔；上腔室1设有上腔室加压通道4，上腔室加压通道4连接上压控制器7；下腔室2设有下腔室加压通道5，下腔室加压通道5连接下压控制器8；凹模3设置在下腔室2内，凹模3设有与下腔室加压通道5连通的凹模加压通道6；在下腔室2下方垫有隔热板9；复合层板10夹在上腔室1和下腔室2之间。凹模3的形状为双曲率形、半球面或根据成形需要选择其他形状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种Glare构件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、对铝合金坯料表面进行表面处理；
2)、将经过表面处理后的铝合金坯料、环氧树脂胶膜及玻璃纤维环氧树脂预浸料进行多层铺设，形成复合层板；
3)、在复合层板置于差压成形装置凹模上前或后对其进行抽真空，并进行压边处理；
4)、将复合层板加热到玻璃纤维环氧树脂预浸料的预固化温度并保温，对玻璃纤维环氧树脂预浸料进行预固化；
5)、通过差压成形装置对复合层板进行上压力大于下压力的双向施压，并将复合层板温度升高到玻璃纤维环氧树脂预浸料的固化温度，保温保压，同时进行玻璃纤维环氧树脂预浸料的固化和铝合金的时效成形，实现Glare层板的制备及构件一体成形；所述上压力为0.6-10MPa，下压力为0-1MPa，上下压差为0.6-9.2MPa；所述玻璃纤维环氧树脂预浸料的固化和铝合金的时效成形所需温度为140℃-180℃；
6)、对成形后Glare构件上多余坯料进行裁剪，得到Glare构件。
2.根据权利要求1所述的Glare构件的制备方法，其特征在于所述步骤2)中复合层板的铺设结构为：2/1结构、3/2结构或4/3结构。
3.根据权利要求2所述的Glare构件的制备方法，其特征在于所述步骤2)的复合层板为：单向层板或正交层板。
4.根据权利要求3所述的Glare构件的制备方法，其特征在于所述步骤3)中在不需要进行铝合金补料时，其过程为：将复合层板放置于差压成形装置的凹模上进行抽真空，真空度为≤-0.092MPa，同时对复合层板中的铝合金基材进行压边操作。
5.根据权利要求3所述的Glare构件的制备方法，其特征在于所述步骤3)中在需进行铝合金补料时，其过程为：
1)、将复合层板放置于真空袋中进行抽真空，真空度为≤-0.08MPa-0.09MPa；
2)、将真空的复合层板置于差压成形装置的凹模上，对复合层板进行整体进行压边处理。
6.根据权利要求1至5任一项所述的Glare的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中在复合层板为3/2正交层板或4/3正交层板结构时，预固化温度为140℃，保温时间为20min。
7.根据权利要求6所述的Glare构件的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中复合层板为3/2正交层板结构时其上压为1.6MPa，下压0.8MPa，上下压差为0.8MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为130min。
8.根据权利要求6所述的Glare构件的制备方法，其特征在于：所述步骤5)复合层板为4/3正交层板结构时其中上压为10MPa，下压0.8MPa，上下压差为9.2MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为150min。
9.根据权利要求1至5任一项所述的Glare的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中复合层板为2/1单向层板结构时其上压为0.6MPa，下压0MPa，上下压差为0.6MPa，固化温度为180℃，保压保温时间为130min。
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