CN104003748B - 一种全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法,采用常规方法在碳纤维针刺毡制作的扇叶外骨架毛坯和扇叶内骨架毛坯之间用碳纤维丝束编织叶片预制体，通过常规的化学气相沉积方法进行沉积碳增密，使叶片的密度增至1.40～1.7g/cm3，并使所述扇叶骨架的密度增至1.7～1.8g/cm3，得到碳纤维增强复合材料扇叶半成品。按设计要求，对得到的碳纤维增强复合材料扇叶半成品进行机加工，得到碳纤维增强复合材料扇叶。本发明采用先沉积固化骨架再预张紧编织叶片的方法，由于扇叶在制备过程中施加了预应力，避免了切削成孔对增强纤维的破坏，扇叶强度更高，可靠性更好、寿命更长。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域,具体是一种全碳纤维增强复合材料部件的制备方法。
背景技术
碳纤维复合材料以其重量轻、强度高、高温性能好在航空刹车盘、高温炉发热体、坩埚、高温支架等领域得到广泛应用。但由于碳纤维复合材料中增强纤维排布方式的局限，使其只能用于加工形状简单的板、条、桶类部件，不能加工成型叶片类具有复杂型面的工件,限制了碳纤维复合材料的应用范围。
劳斯莱斯有限公司D.I.詹姆斯N.M.梅里曼发明的《复合涡轮机叶片》(申请号：201110186147.0)虽然实现了复合材料涡轮叶片的制造，但该方法制备出的复合材料叶片中包括金属部分，由于金属的耐热性差,并且金属与碳纤维复合材料的热膨胀性不同,从而影响了叶片的强度和耐热性能。
斯奈克玛的迈卡·古梅尔发明的《复合材料制成的部件的制造方法》(申请号：201180029285.6)也实现了复合材料叶片的轧制制备，但由于该方法只能制备单个的独立叶片，最终将各独立叶片与金属涡轮盘连接组合，连接组合后的可靠性、强度较低。
发明内容
要解决的技术问题。
为克服现有技术中存在的金属复合材料组合叶片可靠性差、强度低的不足，本发明提出了提出一种全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，制作扇叶骨架。所述扇叶骨架包括扇叶外骨架和扇叶内骨架，并且扇叶外骨架和扇叶内骨架的制作方法相同。
采用常规方法制备并得到筒状的扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯和筒状的扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯；在所述扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上和扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上分别装入多个石墨销钉组，所述石墨销钉组的数量与叶片的数量一致；每个石墨销钉组中有3～20石墨销钉。所述各石墨销钉组中的各石墨销钉在扇叶外骨架针刺毡毛坯的外圆周表面，沿所处的扇叶外骨架针刺毡毛坯的轴向排列，并且所述相邻的两个石墨销钉的中心顺时针方向错位，使各石墨销钉中心之间的连线构成的空间平面为斜面；该斜面的与扇叶外骨架针刺毡毛坯中心线或扇叶内骨架针刺毡毛坯中心线之间的夹角为5～75°。
所述扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上的石墨销钉组及石墨销钉的数量、位置和错位角度均相同。
对得到的扇叶骨架的针刺毡毛坯采用常规的化学气相沉积方法进行气相沉积，使所述扇叶骨架固化，密度达到1.2～1.6g/cm3，得到扇叶外骨架和扇叶内骨架。
步骤2，组合扇叶骨架。采用常规的夹具将得到的扇叶内骨架套装并固定在扇叶外骨架中，并使两者同心，完成扇叶骨架的组合；所述扇叶骨架上，位于扇叶外骨架针刺毡毛坯上的各石墨销钉组与位于扇叶内骨架针刺毡毛坯上的各石墨销钉组一一对应。
通过机械加工的方式去除所述扇叶外骨架和扇叶内骨架圆周上的石墨销钉，在所述扇叶外骨架的骨架壁上和扇叶内骨架的骨架壁上分别形成多组用于编织叶片的编织孔。
步骤3，编织叶片预制体。所述编织叶片是用碳纤维丝束，通过编织的方式在扇叶外骨架和扇叶内骨架之间形成叶片预制体，具体过程是：
编织第一个叶片预制体：
第一步，编织经线。所述经线有三根，编织时，将1K～48K丝束的碳纤维丝束从外骨架的外表面穿入外骨架第一销钉孔内，继而从内骨架的外表面穿入内骨架第一销钉孔内，在所述外骨架与内骨架之间形成第一个叶片的第一根经线。
将所述形成第一根经线的碳纤维丝束从内骨架的内表面穿过内骨架第二销钉孔，继而从外骨架的内表面穿过该外骨架第二销钉孔，在所述外骨架与内骨架之间形成第一个叶片的第二根经线。
重复所述编织第一根经线和第二根经线的过程，直至在位于外骨架和内骨架之间的各编织孔中完成所有经线的编织。所述经线的数量与每组编织孔的数量相同。
第二步，在编织完成第一个叶片的最后一根经线后，须给碳纤维丝束施加1～10KN的牵伸力，并调节使各根经线承受均匀牵审力。
第三步，编织纬线。
采用常规的经纬编织方法编织叶片的纬线。编织纬线时，将碳纤维丝束继续从内骨架的内表面穿过内骨架第一销钉孔，并将碳纤维丝束以“S”形的编织路径在所述第一个叶片的第一根经线至最后一根经线之间进行编织，直至编织至扇叶外骨架内圆表面，得到片状的第一个叶片的预制体。编织中，各纬线之间无间隙。
至此，完成了第一个叶片预制体的编织。
第四步，编织第二个叶片预制体：
编织第二个叶片预制体时，将完成了第一个叶片预制体编织的碳纤维丝束从扇叶外骨架内圆表面穿过该扇叶外骨架，并使所述碳纤维丝束沿该扇叶外骨架的外圆表面引入第二个叶片的第一个编织孔处，按所述编织第一个叶片预制体的方式编织第二个叶片预制体。
重复所述编织第二个叶片预制体的过程，直至在扇叶外骨架内圆表面与扇叶外内骨架外圆表面之间依次完成所有叶片预制体的编织，得到扇叶坯体。
步骤4，沉积。将得到的扇叶坯体置于化学气相沉积炉内，按常规的化学气相沉积方法进行沉积碳增密，使叶片的密度增至1.40～1.7g/cm3，并使所述扇叶骨架的密度增至1.7～1.8g/cm3，得到碳纤维增强复合材料扇叶半成品。
步骤5，机械加工。按设计要求，对得到的碳纤维增强复合材料扇叶半成品进行机加工，得到碳纤维增强复合材料扇叶。
在对扇叶骨架和扇叶坯体进行沉积时，沉积气体为天然气，沉积温度为1300℃，沉积压力为10KPa，沉积时间为100～300小时。
由于采用所述技术方案，使本发明具有以下效果：
1.本发明的碳纤维增强复合材料扇叶采用全碳/碳复合材料材质，其中不包含耐热性能较低的金属材质，所以耐受温度超过2600℃，1800℃下强度衰减不超过10％。
2.本发明的碳纤维增强复合材料扇叶采用先沉积制备扇叶骨架，再在扇叶骨架上编织叶片，最后再通过沉积实现叶片的增密固化，分步进行整体扇叶的不同部分的制备，实现了复杂形状全碳/碳复合材料部件的制备。
3.本发明的碳纤维增强复合材料扇叶采用先沉积固化骨架再预张紧编织叶片的方法，由于扇叶在制备过程中施加了预应力，制备出的扇叶强度较高温合金扇叶提高70％。
4.本发明的碳纤维增强复合材料扇叶采用在预制体中预埋销钉成空方式，避免了切削成孔对增强纤维的破坏，较切削成孔方法扇叶强度提高20％，寿命延长30％。
附图说明
图1是扇叶成品图。
图2是扇叶组合编织示意图。
图3是本发明的流程图。图中：
1.扇叶外骨架；2.扇叶内骨架；3.叶片；4.外骨架第一销钉孔；5.外骨架第二销钉孔；6.外骨架第三销钉孔；7.内骨架第一销钉孔.8.内骨架第二销钉孔；9.内骨架第三销钉孔。
具体实施方式
本实施例是一种全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法。所述碳纤维增强复合材料扇叶包括扇叶外骨架1、扇叶内骨架2和多个叶片3，本实施例中，叶片的数量为3个。所述扇叶外骨架1、扇叶内骨架2和叶片3的结构特征与外形尺寸均根据设计确定，其中，扇叶外骨架1的外径为m，扇叶内骨架2的外径为n，并且扇叶内骨架嵌套在扇叶外骨架内。
本实施例的制备过程如下：
步骤1，制作扇叶骨架。所述扇叶骨架包括扇叶外骨架1和扇叶内骨架2，并且扇叶外骨架1和扇叶内骨架2的制作方法相同。本实施例以制作扇叶外骨架1为例加以具体说明。
在制作扇叶外骨架1时，首先采用常规方法制备所述扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯。具体是，在筒状扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上装入3～6个石墨销钉组，所述石墨销钉组的数量与叶片的数量一致；每个石墨销钉组中有3～20个石墨销钉。本实施例中，叶片的数量和石墨销钉组的数量均为3个，每个石墨销钉组中有3个石墨销钉。
所述各石墨销钉组中的3个石墨销钉在扇叶外骨架针刺毡毛坯的外圆周表面，沿所处的扇叶外骨架针刺毡毛坯的轴向排列，并且所述相邻的两个石墨销钉的中心顺时针方向错位，使3个石墨销钉中心之间的连线构成的空间平面为斜面；该斜面的与扇叶外骨架针刺毡毛坯中心线之间的夹角为5～75°。本实施例中，3个石墨销钉中心之间的连线构成的空间斜面与扇叶外骨架针刺毡毛坯中心线之间的夹角为20°
在扇叶内骨架2的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上亦分布有数量相同、位置相同，并且错位角度相同的3个石墨销钉组。
所述各石墨销钉组均布在扇叶外骨架针刺毡毛坯和扇叶内骨架针刺毡毛坯的圆周表面，并使各石墨销钉组中的所有石墨销钉均穿透所述各针刺毡毛坯的壳体。对得到的扇叶骨架的针刺毡毛坯采用常规的化学气相沉积方法进行气相沉积，使所述扇叶骨架固化，密度达到1.2～1.6g/cm3，得到扇叶外骨架1和扇叶内骨架2。
步骤2，组合扇叶骨架。采用常规的夹具将得到的扇叶内骨架2套装并固定在扇叶外骨架1中，并使两者同心，完成扇叶骨架的组合；所述扇叶骨架上，位于扇叶外骨架针刺毡毛坯上的三个石墨销钉组与位于扇叶内骨架针刺毡毛坯上的三个石墨销钉组一一对应。
将分别位于扇叶外骨架1和扇叶内骨架2圆周上的石墨销钉通过机械加工的方式去除，在所述扇叶外骨架1的骨架壁上和扇叶内骨架2的骨架壁上分别形成三组用于编织叶片的编织孔。
步骤3，编织叶片预制体。所述编织叶片是用碳纤维丝束，通过编织的方式在扇叶外骨架1和扇叶内骨架2之间形成叶片预制体，具体过程是：
编织第一个叶片预制体：
第一步，编织经线。所述经线有三根，编织时，将1K～48K丝束的碳纤维丝束从外骨架1的外表面穿入外骨架第一销钉孔4内，继而从内骨架的外表面穿入内骨架第一销钉孔7内，在所述外骨架1与内骨架2之间形成第一个叶片3的第一根经线。
将所述形成第一根经线的碳纤维丝束从内骨架的内表面穿过内骨架第二销钉孔8，继而从外骨架的内表面穿过该外骨架第二销钉孔5，在所述外骨架1与内骨架2之间形成第一个叶片3的第二根经线。
将所述形成第二根经线的碳纤维丝束继续穿过外骨架第三销钉孔6，继而从内骨架的外表面穿过该内骨架第三销钉孔9，在所述外骨架1与内骨架2之间形成第一个叶片3的第三根经线。
第二步，在编织完成第一个叶片的第三根经线后，须给碳纤维丝束施加1～10KN的牵伸力，并调节使各根经线承受均匀牵审力。
第三步，编织纬线。
采用常规的经纬编织方法编织叶片的纬线。编织纬线时，将碳纤维丝束继续从内骨架的内表面穿过内骨架第一销钉孔7，并将碳纤维丝束以“S”形的编织路径在所述第一个叶片的第一根经线至第三根经线之间进行编织，直至编织至扇叶外骨架内圆表面，得到片状的第一个叶片的预制体。编织中，各纬线之间无间隙。
至此，完成了第一个叶片预制体的编织。
第四步，编织第二个叶片预制体：
编织第二个叶片预制体时，将完成了第一个叶片预制体编织的碳纤维丝束从扇叶外骨架内圆表面穿过该扇叶外骨架，并使所述碳纤维丝束沿该扇叶外骨架的外圆表面引入第二个叶片的第一个编织孔处，按所述编织第一个叶片预制体的方式编织第二个叶片预制体。
重复所述编织第二个叶片预制体的过程，直至在扇叶外骨架内圆表面与扇叶外内骨架外圆表面之间依次完成所有叶片预制体的编织，得到扇叶坯体。
步骤4，沉积。将得到的扇叶坯体置于化学气相沉积炉内，按常规的化学气相沉积方法进行沉积碳增密，使叶片3的密度增至1.40～1.7g/cm3，并使所述扇叶骨架的密度增至1.7～1.8g/cm3，得到碳纤维增强复合材料扇叶半成品。
步骤5，机械加工。按设计要求，对得到的碳纤维增强复合材料扇叶半成品进行机加工，得到碳纤维增强复合材料扇叶。
在对扇叶骨架和扇叶坯体进行沉积时，沉积气体为天然气，沉积温度为1300℃，沉积压力为10KPa，沉积时间为100～300小时。
Claims (2)
1.一种全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，制作扇叶骨架；所述扇叶骨架包括扇叶外骨架和扇叶内骨架，并且扇叶外骨架和扇叶内骨架的制作方法相同；
采用常规方法制备并得到筒状的扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯和筒状的扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯；在所述扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上和扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上分别装入多个石墨销钉组，所述石墨销钉组的数量与叶片的数量一致；每个石墨销钉组中有3～20个石墨销钉；所述各石墨销钉组中的各石墨销钉在扇叶外骨架针刺毡毛坯的外圆周表面，沿所处的扇叶外骨架针刺毡毛坯的轴向排列，并且相邻的两个石墨销钉的中心顺时针方向错位，使各石墨销钉中心之间的连线构成的空间平面为斜面；该斜面的与扇叶外骨架针刺毡毛坯中心线或扇叶内骨架针刺毡毛坯中心线之间的夹角为5～75°；
所述扇叶内骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上的石墨销钉组及石墨销钉的数量、位置和错位角度均与扇叶外骨架的碳纤维针刺毡毛坯的圆周上的石墨销钉组及石墨销钉的数量、位置和错位角度相同；
对得到的扇叶骨架的针刺毡毛坯采用常规的化学气相沉积方法进行气相沉积，使所述扇叶骨架固化，密度达到1.2～1.6g/cm3，得到扇叶外骨架和扇叶内骨架；
步骤2，组合扇叶骨架；采用常规的夹具将得到的扇叶内骨架套装并固定在扇叶外骨架中，并使两者同心，完成扇叶骨架的组合；所述扇叶骨架上，位于扇叶外骨架针刺毡毛坯上的各石墨销钉组与位于扇叶内骨架针刺毡毛坯上的各石墨销钉组一一对应；
通过机械加工的方式去除所述扇叶外骨架和扇叶内骨架圆周上的石墨销钉，在所述扇叶外骨架的骨架壁上和扇叶内骨架的骨架壁上分别形成多组用于编织叶片的编织孔；
步骤3，编织叶片预制体；所述编织叶片是用碳纤维丝束，通过编织的方式在扇叶外骨架和扇叶内骨架之间形成叶片预制体，具体过程是：编织第一个叶片预制体：
第一步，编织经线；所述经线有三根，编织时，将1K～48K丝束的碳纤维丝束从外骨架的外表面穿入外骨架第一销钉孔内，继而从内骨架的外表面穿入内骨架第一销钉孔内，在所述外骨架与内骨架之间形成第一个叶片的第一根经线；
将所述形成第一根经线的碳纤维丝束从内骨架的内表面穿过内骨架第二销钉孔，继而从外骨架的内表面穿过该外骨架第二销钉孔，在所述外骨架与内骨架之间形成第一个叶片的第二根经线；
重复所述编织第一根经线和第二根经线的过程，直至在位于外骨架和内骨架之间的各编织孔中完成所有经线的编织；所述经线的数量与每组编织孔的数量相同；
第二步，在编织完成第一个叶片的最后一根经线后，须给碳纤维丝束施加1～10KN的牵伸力，并调节使各根经线承受均匀牵审力；
第三步，编织纬线；
采用常规的经纬编织方法编织叶片的纬线；编织纬线时，将碳纤维丝束继续从内骨架的内表面穿过内骨架第一销钉孔，并将碳纤维丝束以“S”形的编织路径在所述第一个叶片的第一根经线至最后一根经线之间进行编织，直至编织至扇叶外骨架内圆表面，得到片状的第一个叶片的预制体；编织中，各纬线之间无间隙；
至此，完成了第一个叶片预制体的编织；
第四步，编织第二个叶片预制体：
编织第二个叶片预制体时，将完成了第一个叶片预制体编织的碳纤维丝束从扇叶外骨架内圆表面穿过该扇叶外骨架，并使所述碳纤维丝束沿该扇叶外骨架的外圆表面引入第二个叶片的第一个编织孔处，按所述编织第一个叶片预制体的方式编织第二个叶片预制体；
重复所述编织第二个叶片预制体的过程，直至在扇叶外骨架内圆表面与扇叶外内骨架外圆表面之间依次完成所有叶片预制体的编织，得到扇叶坯体；
步骤4，沉积；将得到的扇叶坯体置于化学气相沉积炉内，按常规的化学气相沉积方法进行沉积碳增密，使叶片的密度增至1.40～1.7g/cm3，并使所述扇叶骨架的密度增至1.7～1.8g/cm3，得到碳纤维增强复合材料扇叶半成品；
步骤5，机械加工；按设计要求，对得到的碳纤维增强复合材料扇叶半成品进行机加工，得到碳纤维增强复合材料扇叶。
2.如权利要求1所述全碳纤维增强复合材料扇叶的制备方法，其特征在于，在对扇叶骨架和扇叶坯体进行沉积时，沉积气体为天然气，沉积温度为1300℃，沉积压力为10KPa，沉积时间为100～300小时。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |