CN104385619B - 一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法 - Google Patents

一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法，首先在模压机模腔上、下表面均匀涂覆一层脱模剂和高光胶衣；其次将风扇叶片模具放置在下模腔内，并在其表面铺放凯夫拉29纤维预成型体，通过压力作用将环氧树脂注入模腔内；然后将模压机整体放置于固化炉中进行固化，之后出炉脱模；最后对脱模后的风扇叶片进行简单的铣削加工。本发明的优点：①它是一种闭模操作工艺，成型过程环境清洁，同时注射参数可自行调节并实时显示；②一套风扇叶片模具可完成至少1000件风扇叶片的成型，与金属材料相比其平均制造成本低、效率高；③复合材料风扇叶片的成型过程为近净成型，因此只需进行简单的切削加工即可成为正品。

Description

一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法
技术领域
本发明涉及一种航空发动机纤维增强树脂基复合材料风扇叶片的制造方法。
背景技术
高推重比是衡量先进航空发动机性能的重要指标，这其中降低航空发动机零部件质量是实现高推重比的重要途径之一。
航空发动机风扇叶片是将空气压缩，且能够实现整流和扩压，因此在航空发动机增压结构中，各种形式的风扇叶片被大量使用。
目前航空发动机风扇叶片的材料为金属材料，叶片的制造是依靠机械加工的方法来实现的，其制造周期长、加工成本高、材料利用率低，更重要的是对于高推重比航空发动机来说，现有的风扇叶片制造方法已远远不能满足先进航空发动机型号研制的要求，航空发动机正在向结构更紧凑、质量更轻、气动稳定性更好、生产费用更低的方向发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机纤维增强树脂基复合材料风扇叶片的制造方法，克服现有的金属材料风扇叶片制造周期长、加工成本高、材料利用率低的不足，并最终实现纤维增强树脂基复合材料风扇叶片在先进航空发动机中小批应用。
本发明的技术方案为：
所述一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在模压机上、下模腔表面涂覆一层脱模剂，并放置30min；
步骤2：在脱模剂表面涂覆一层高光胶衣，并放置30min；
步骤3：将风扇叶片模具放置在模压机下模腔内，将凯夫拉29纤维预成型体铺放至风扇叶片模具表面，并铺放过程无起泡、皱皮；
步骤4：将模压机的上模固定在移动架上，保证上模能够移动、旋转和升降；模压机的下模架固定在地面螺栓上；启动模压机上的带锁模液压缸，使上模、下模合拢，并施加100吨的锁模力，使上模、下模紧固；
步骤5：将精密RTM注射机的金属管接口接入模压机上模接口处，精密RTM注射机按照设定参数向模内注射602环氧树脂，其中设定参数为：加热温度260℃～270℃，注射压力2.5MPa～3MPa，注射速度2000ml/min，注射量10L/次，注射时间5min；
步骤6：注射完成后，取出上模接口处的金属管，将模压机整体放入固化炉中进行低温固化处理，固化温度140℃～150℃，固化时间0.5h～1h，固化炉温度的均匀性为±2℃；
步骤7：固化结束后，缷载锁模力，移走模压机上模，得到复合材料风扇叶片近成型件；根据风扇叶片设计尺寸对复合材料风扇叶片近成型件进行铣削加工，并对切削加工部位进行打磨处理。
有益效果
本发明的优点：①它是一种闭模操作工艺，成型过程环境清洁，同时注射参数可自行调节并实时显示；②一套风扇叶片模具可完成至少1000件风扇叶片的成型，与金属材料相比其平均制造成本低、效率高；③复合材料风扇叶片的成型过程为近净成型，因此只需进行简单的切削加工即可成为正品。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本发明的目的是提供一种航空发动机纤维增强树脂基复合材料风扇叶片的制造方法，克服现有的金属材料风扇叶片制造周期长、加工成本高、材料利用率低的不足，并最终实现纤维增强树脂基复合材料风扇叶片在先进航空发动机中小批应用。
通过对国内航空发动机风扇叶片的材料及制造方法进行统计分析，结果显示：目前，国内第三、四代航空发动机风扇叶片材料基本以TC4双相钛合金为主，均采用传统的锻件铣销加工成形。
TC4钛合金的密度为4.44g/cm3,具有优异的综合性能，已成为在役和在研类航空发动机风扇叶片的首选材料，仍无法满足高推重比航空发动机减重增推的要求。树脂聚合物的密度不足2g/cm3，经过与纤维的复合后，具有质量轻、比强度高、比模量高等优异性能，将成为未来先进航空发动机风扇叶片的首选材料，且树脂基复合材料已广泛应用于世界军用和民用飞机部件中，并获得了较好的应用效果。因此，航空发动机树脂基复合材料风扇叶片的可行性和重要性是不言而喻的。
但要实现航空发动机树脂基复合材料风扇叶片制造过程，有几个核心要素需要考虑：
1、确定树脂基体
考虑到复合材料风扇叶片的服役环境，其工作温度不超过400℃，特选择耐热、耐湿性较好的602环氧树脂作为复合材料风扇叶片的基体，因为602环氧树脂通常为分子量较小的液态或固态预聚，经过加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成了不溶不熔的三维网状高分子。
2、确定增强纤维
考虑到复合材料风扇叶片制造过程中，纤维与基体的熔合性和一体性，特选择凯夫拉29纤维作为复合材料风扇叶片的增强材料，因为凯夫拉29纤维密度小，是所有增强材料中密度较低的纤维之一，它的比强度极高，超过碳纤维和硼纤维；韧性好，不像碳纤维、硼纤维那样脆，因而便于铺层。
3、确定制造工艺
考虑到复合材料风扇叶片制造过程中，风扇叶片的型面和尺寸要求严格，因此复合材料风扇叶片的制造工艺需满足以下要求：①清洁的工作环境；②精确控制压力、流速、流量等工艺参数；③制造成本低、效率高；④便于成型后的加工。
综合以上所述，本实施例中的种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法包括以下步骤：
步骤1：在模压机上、下模腔表面涂覆一层科拉斯公司807型脱模剂，并放置30min；
步骤2：在脱模剂表面涂覆一层科拉斯公司602-021型高光胶衣，并放置30min；
步骤3：将风扇叶片模具放置在模压机下模腔内，将凯夫拉29纤维预成型体铺放至风扇叶片模具表面，并铺放过程无起泡、皱皮；
步骤4：将模压机的上模固定在移动架上，保证上模能够移动、旋转和升降；模压机的下模架固定在地面螺栓上；启动模压机上的带锁模液压缸，使上模、下模合拢，并施加100吨的锁模力，使上模、下模紧固；
步骤5：将精密RTM注射机的金属管接口接入模压机上模接口处，精密RTM注射机按照设定参数向模内注射602环氧树脂，其中设定参数为：加热温度260℃～270℃，注射压力2.5MPa～3MPa，注射速度2000ml/min，注射量10L/次，注射时间5min；
步骤6：注射完成后，取出上模接口处的金属管，将模压机整体放入固化炉中进行低温固化处理，固化温度140℃～150℃，固化时间0.5h～1h，固化炉温度的均匀性为±2℃；
步骤7：固化结束后，缷载锁模力，移走模压机上模，得到复合材料风扇叶片近成型件；将复合材料风扇叶片近成型件固定在龙门铣加工中心工作台上，根据风扇叶片设计尺寸，采用LMT公司切削直径为φ0.25mm的整体硬质合金Kevlar刀具，对复合材料风扇叶片近成型件进行铣削加工，并对切削加工部位进行打磨处理；最后成品入库。
这里采用树脂灌注成型法(RTM)作为成型工艺，成型过程环境清洁，同时注射参数可自行调节和实时显示。一套定型后的RTM模具可完成至少1000件风扇叶片的成型，与金属材料相比其平均制造成本低、效率高，复合材料风扇叶片的成型过程为近净成型，因此只需进行简单的切削加工即可成为正品。而选择的刀具尺寸也是经过大量实验得到的，能够有效防止复合材料风扇叶片加工处出现分层、断裂等加工缺陷。

Claims (1)

1.一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在模压机上、下模腔表面涂覆一层脱模剂，并放置30min；
步骤2：在脱模剂表面涂覆一层高光胶衣，并放置30min；
步骤3：将风扇叶片模具放置在模压机下模腔内，将凯夫拉29纤维预成型体铺放至风扇叶片模具表面，并铺放过程无起泡、皱皮；
步骤4：将模压机的上模固定在移动架上，保证上模能够移动和旋转；模压机的下模架固定在地面螺栓上；启动模压机上的带锁模液压缸，使上模、下模合拢，并施加100吨的锁模力，使上模、下模紧固；
步骤5：将精密RTM注射机的金属管接口接入模压机上模接口处，精密RTM注射机按照设定参数向模内注射602环氧树脂，其中设定参数为：加热温度260℃～270℃，注射压力2.5MPa～3MPa，注射速度2000ml/min，注射量10L/次，注射时间5min；
步骤6：注射完成后，取出上模接口处的金属管，将模压机整体放入固化炉中进行低温固化处理，固化温度140℃～150℃，固化时间0.5h～1h，固化炉温度的均匀性为±2℃；
步骤7：固化结束后，缷载锁模力，移走模压机上模，得到复合材料风扇叶片近成型件；根据风扇叶片设计尺寸对复合材料风扇叶片近成型件进行铣削加工，并对切削加工部位进行打磨处理。
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