CN106515188A - 超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法 - Google Patents

超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超混杂纤维镁合金层板结构件应力释放成形方法，该成形方法包括如下步骤：预处理，对镁合金表面进行微弧氧化、化学腐蚀、磷酸阳极化或喷砂等类似提高镁合金表面和树脂结合力的表面处理；铺贴入模，把预处理之后的材料按照镁合金‑胶膜‑预浸料‑镁合金结构依次互相交替铺层次序铺贴在已经净化的模具，对铺贴好的层板进行抽真空；固化和应力释放成形，贴膜后将层板加热到树脂固化温度和镁合金应力释放成形温度，实现树脂固化和镁合金应力释放成形同时完成；脱模，应力释放成形结束后，将超混杂纤维镁合金随炉冷却到室温，卸除真空装置取出超混杂纤维镁合金层板结构件。此方法无需预成形镁合金板材具有成本低、步骤简单、成形后零件残余应力小、易于工业化生产的优点。

Description

超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备成形方法，特别涉及一种超混杂纤维镁合金层板构件的应力释放成形方法，属于复合材料的制备和成形领域。
背景技术
纤维金属层板(Fiber Metal Laminates，FMLs)是一种由金属薄板和纤维预浸料交替铺层后，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(Super Hybrid Laminates)。超混杂层板综合了传统纤维复合材料和金属材料的优点，具有优良的疲劳性能、抗冲击性能、机加性能、耐腐蚀性能、防火性能和防雷击性能。这些优势使得超混杂层板在航空航天等领域具有极大的应用潜力。作为第二代超混杂层板，Glare层板是由0.3～0.5mm的铝合金薄板与0.2～0.3mm的玻璃纤维预浸料交替层压而成，具有密度低、抗拉-压疲劳性能优秀及较高的缺口断裂性能，可使结构减重25％-30％，同时抗疲劳寿命提高10-15倍。Glare层板因其优异的性能，在航空航天领域已经得到广泛的应用，并成为大型客机钣金零件的主要选材之一。
目前Glare层板(US4500589、US5039571)中的金属为2024或7075铝合金。相对铝合金而言，镁合金的密度仅为其2/3，是当前最轻的结构材料，特别是近些年随着新型高强度耐腐蚀的变形镁合金相继开发出来，目前绝大部分变形镁合金的力学性能都已超越了2024或7075，特别是含稀土的变形镁合金(WE43、GW83等)；另一方面，Glare层板构件传统成形方法为：先制备Glare层板平板，之后采用拉形或辊弯的塑性成形方法成形Glare层板结构件，但由于Glare层板中纤维的破坏应变小于4％，采用拉形或辊弯成形时，纤维极易断裂。同时由于树脂和铝合金之间物性参数相差甚远，两者变形存在不协调性，在拉形或辊弯过程中金属和纤维结合面极易出现分层缺陷，因此采用辊弯和拉形方法不仅存在铝合金纤维层板结构件成品率较低也无法成形复杂曲面的Glare层板的成形，而且由于辊弯或拉形后Glare层板塑性变形都几乎到达该材料变形极限，因此加工后结构件内部存在较大的残余拉应力，也会影响Glare层板的使用寿命。综上，采用镁合金替代Glare层板中铝合金(2024或7075)，可以设计出一种比强度更高，高抗损伤容限更好的纤维镁合金层板；同时克服金属纤维层板传统成形方式的缺点，比如提高成品率以及消除成形后的残余应力，对于进一步推广纤维金属层板在航天航空领域应用具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述缺陷，开发一种比强度更高的新型超混杂纤维镁合金层板，同时提供一种层板的应力释放成形方法，此方法具有工艺简单、适宜加工复杂曲面层板结构件、产品合格率高及成形后零件残余应力小的优点。
本发明提供超混杂纤维镁合金层板构件的应力释放成形方法，包括以下步骤：
1)预处理，对与预浸料接触的镁合金板料表面进行预处理；
2)铺贴入模，准备并净化铺贴模具，将预处理后的镁合金、胶膜和预浸料按照镁合金-胶膜-预浸料-胶膜-镁合金的结构依次互相交替铺层次序铺贴在已经净化的模具，同时将铺贴的层板置于真空袋或等效真空系统内抽真空；
3)固化和应力释放成形，对入模后的超混杂纤维镁合金层板施加均匀压力，使其与模具型面贴合，将贴膜后的超混杂纤维镁合金层板加热到预浸料固化温度和镁合金应力释放成形所需温度，对层板进行保温，实现树脂固化的同时对镁合金板材进行应力释放成形，达到超混杂纤维镁合金层板制备和成形一体化；
4)脱模，当纤维镁合金层板中预浸料固化和镁合金板材应力释放都已经完成，将超混杂纤维镁合金层板随炉冷却到室温，移除真空装置，并得到低残余应力的纤维镁合金层板结构件。
1.本发明中，所述步骤1)中镁合金预处理可为微弧氧化、化学腐蚀、喷砂、磷酸阳极化等类似提高镁合金表面和树脂结合力的预处理方法中的一种；
2.本发明中，所述步骤2)中层板的铺层结构为2/1结构、3/2结构、4/3结构……，其中前面一个数字是层板中镁合金层数，第二个数字是指层板中复合材料层数，层板中的镁合金和复合材料层数按照层板总厚度确定，且层板中预浸料铺层方式可为单向或正交。
3.本发明中，所述的步骤2)中真空度小于等于-0.1MPa。
4.本发明中，所述的步骤3)中均匀压力，压力大小为使层板与模具型面完全贴合，并在此基础上继续施加0.5-5MPa压力
5.本发明中，所述的步骤3)中超混杂纤维镁合金层板应力释放成形所需温度为0.4Tm-0.6Tm，其中Tm为镁合金熔点。保温时间为1-5h，升温速度小于15℃/min。
6.本发明中，所述的镁合金可为AZ系列、AM系列及Mg-RE(RE指添加Gd、Y、Nd、Ce单一或多元稀土变形镁合金)系列变形镁合金。
7.本发明中，所述的预浸料可为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维单向带中的一种。
8.本发明中，所述的树脂可为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等常见的树脂，所述的胶膜和预浸料的树脂种类一致。
本发明具有如下的有益技术效果：
(a)本发明提供的超混杂纤维镁合金层板结构件应力释放成形方法，同时也适用于目前广泛使用的Glare层板成形，具有适用范围广。
(b)本发明提供的超混杂纤维镁合金层板结构件应力释放成形方法，原材料的镁合金板材无需预成型，同时实现了超混杂纤维镁合金层板结构件制备和成形一体化，减少了成形工序，降低纤维金属层板结构件的成本。
(c)本发明提供的超混杂纤维镁合金层板结构件应力释放成形方法过程中可以有效消除镁合金贴膜过程在镁合金内部产生拉应力，降低成形后结构件的残余应力，可以有效的提高纤维金属层板结构件的疲劳寿命。
(d)本发明提供的超混杂纤维镁合金层板结构件替代现有的镁合金、铝合金及钛合金构建结构，可以显著改善结构的抗损伤容性能和比强度。
(e)本发明提供的超混杂纤维镁合金层板中的镁合金密度只有Glare层板中铝合金密度的2/3，因此相对Glare层板密度降低20-30％，从而进一步提高层板的比强度，能显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比。
综上所述，本发明提供方法制备的纤维镁合金层板结构件具有高强度高抗损伤容限、比强度高，成本低，方法简单、成形残余应力低等优点，采用该方法制备纤维金属层板结构件替代现有的铝合金结构件可以实现显著降低飞行器的结构重量，增大飞行器的推重比。本发明制备方法简单易行，易于工业化生产，有较大的应用价值。
附图说明
图1为本发明超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法流程图
图2为本发明应力释放成形过程示意图
图2中中数字和字母的含义如下：
P-施加载荷，T-应力释放成形温度
1-成形模具，2-超混杂纤维镁合金层板
具体实施方式
本发明的具体实施流程见图1，下面结合具体实例对本发明作详细说明。
实例1
第一步、选择400mm×400mm×0.3mm的AZ31-T3镁合金板材，并对需要与树脂接触的表面进行微弧氧化表面处理，使镁合金表面获得有利于树脂粘结的表面形貌；
第二步、选用并裁剪400mm×400mm×0.15mm玻璃纤维增强的环氧树脂预浸料，树脂含量为40wt％；
第三步、采用2/1单向层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：AZ31-T3镁合金/0°玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/0°玻璃纤维增强环氧树脂预浸料/AZ31-T3镁合金，每层AZ31-T3镁合金与玻璃纤维增强环氧树脂预浸料间铺设30g/m2的环氧树脂胶膜；
第四步、将铺设的超混杂纤维镁合金层板置于已经清洁的成形模具上，进行抽真空处理，其真空度要求小于等于-0.1MPa；
第五步、对抽真空后的层板施加均匀压力，使得超混杂层板与成形模具型面贴合继续施加1MPa压力。
第六步、保持贴膜压力，将超混杂纤维镁合金层板加热到150℃(0.46Tm)，升温速度为10℃/min，保持温度和压力3h，在上述工艺条件下实现超混杂层板固化成形，同时使得处于弯曲受力状态下AZ31镁合金的拉应力得以释放(如图2所示)。应力释放成形后将超混杂纤维镁合金层板随炉冷却到室温，卸除压力并取出超混杂纤维镁合金层板结构件。
实例2
第一步、选择400mm×400mm×0.3mm的WE43-T3镁合金板材，并对×需要与树脂接触的表面进行磷酸阳极化表面处理，使镁合金表面获得有利于树脂粘结的表面形貌；
第二步、选用并裁剪400mm×400mm×0.15mm碳纤维增强的聚酰亚胺树脂预浸料，树脂含量为40wt％；
第三步、采用2/1正交层板结构设计，按以下顺序铺设复合层板：WE43-T3镁合金/0°碳纤维增强的聚酰亚胺树脂预浸料/90°碳纤维增强的聚酰亚胺树脂预浸料/WE43-T3镁合金，每层WE43-T3镁合金与碳纤维增强的聚酰亚胺树脂预浸料间铺设30g/m2的聚酰亚胺树脂胶膜；
第四步、将铺设完毕的超混杂纤维镁合金层板防止在已经清洁的成形模具上，进行抽真空处理，其真空度要求小于等于-0.1MPa；
第五步、对抽真空后的层板施加均匀压力，使得超混杂层板与成形模具型面贴合继续施加1MPa压力。
第六步、保持贴膜压力，将超混杂纤维镁合金层板加热到230℃(0.55Tm)230℃，升温速度为10℃/min，保持温度和压力4h，在上述工艺条件下实现超混杂层板固化成形，同时使得处于弯曲受力状态下WE43镁合金的拉应力得以释放(如图2所示)。应力释放成形结束后将超混杂纤维镁合金层板随炉冷却到室温，卸除压力并取出超混杂纤维镁合金层板结构件。

Claims (10)

1.一种超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于包括以下步骤：
1)预处理，对与预浸料接触的镁合金板材表面进行表面预处理；
2)铺贴入模，准备铺贴模具，去除铺贴模具型面上的粉尘、油脂等异物，将预处理后材料按照镁合金-胶膜-预浸料-胶膜-镁合金的结构依次互相交替铺层次序铺贴在已经净化的铺贴模具，同时将铺贴完毕的超混杂纤维镁合金层板置于真空袋或等效系统内抽真空；
3)固化和应力释放成形，在超混杂纤维镁合金层板表面施加均匀压力，使其与模具型面完全贴合。同时将超混杂纤维镁合金层板加热到树脂固化和镁合金应力释放成形所需温度，对超混杂纤维镁合金层板进行保温和保压，达到树脂固化和镁合金板材应力释放成形同时进行的效果，最终实现超混杂纤维镁合金层板制备和成形一体化；
4)脱模，当纤维镁合金层板中预浸料固化和镁合金板材应力释放均已经完成，将超混杂纤维镁合金层板随炉冷却到室温，移除真空装置，成形出低残余应力的超混杂纤维镁合金层板结构件。
2.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤1)中镁合金表面预处理方式可为微弧氧化、化学腐蚀、喷砂、磷酸阳极化或类似等效可以提高镁合金表面和树脂结合力的表面处理方法。
3.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤2)中层板的铺层结构为2/1结构、3/2结构、4/3结构……，其中前面一个数字是层板中镁合金层数，第二个数字是指层板中复合材料层数，实际铺层结构按照所需层板的厚度确定，且层板中预浸料可为单向或正交铺层。
4.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤2)中真空度小于等于-0.1MPa。
5.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤2)中层板预浸料可为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维单向带中的一种。
6.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤3)中均匀压力，压力大小为使层板与模具型面完全贴合，在此基础上继续施加0.5-5MPa压力。
7.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的步骤3)中超混杂纤维镁合金层板应力释放成形所需温度为0.4Tm-0.6Tm，其中Tm为镁合金熔点，保温时间为1-5h，升温速度小于15℃/min。
8.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的镁合金可为AZ系列、AM系列及Mg-RE(RE指添加Gd、Y、Nd、Ce单一或多元稀土变形镁合金)系列变形镁合金。
9.根据权利要求1所述的超混杂纤维镁合金层板应力释放成形方法，其特征在于：所述的树脂可为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等常见的树脂，所述的胶膜和预浸料的树脂种类一致。
10.根据权利要求1-9所述的任一种成形方法获得的超混杂纤维镁合金结构件。
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