CN106640731A - 具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片，其特征在于：包括复合材料基层、金属包覆层，所述复合材料基层、金属包覆层一体模压成型；所述金属包覆层包覆在所述复合材料基层外部，其包覆的翻边部位与采用粘接剂粘接并模压定型。本发明叶片具有很高的比强度，优异的耐冲击性能和抗冲蚀能力，并能有效地避免分层及喘振引起的裂纹甚至断裂；该叶片成型方法集中间复合材料的制备与叶片整体的成形于一体，大幅度减少了制造的成本和时间，其成形精度高、自动化程度高、模具寿命长等优点。

Description

具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片
技术领域
本发明涉及一种复合材料压气机风扇叶片及其成型方法，尤其涉及一种具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片及其成型方法，属于复合材料压气机风扇叶片技术领域。
背景技术
本发明涉及的风扇叶片是航空发动机中压气机的第一级叶片，压气机乃至涡轮发动机的整体性能与风扇叶片的性能密切相关。随着航空发动机性能的不断提高，其涵道比也随之不断增加，采用更大比强度，更高精度曲面结构，更优异气动性能的风扇叶片也已经成为大涵道比发动机的发展趋势。传统的金属材料甚至是钛合金等轻质金属材料已无法满足其要求，因此具有良好物理、化学性能的轻质树脂基复合材料风扇叶片逐渐取而代之。目前，树脂基复合材料风扇叶片的结构及制造方法主要有以下几种：(1)先通过模压工艺制成碳基复合材料叶片，再将其嵌入在加工有凹槽的钛合金叶根中并通过焊接工艺进行连接。如文献号为CN203743058U的中国专利文献所述高性能复合材料燃气轮机压气机叶片的制造方法。(2)先通过三维编织制成一个与叶片形状相近的型坯，再将其浸渍于一种包含树脂的固化组合物中，而后固化成型。如文献号为CN102387908A中国专利文献所述复合材料制成的涡轮机叶片的制造方法。(3)先编织多跟金属丝并取点焊接为金属网即金属包覆层，再根据叶片形状按内预浸料铺层、金属包覆层、外预浸料铺层的顺序放置于压制模具中，加热加压后固化成型。如文献号为CN103628923A中国专利文献所述含金属包覆层的复合材料叶片的制造方法。第(1)种方法缺点较多，尤其是叶身与叶根的连接强度严重不够且通过模压工艺制成的叶身存在严重的分层缺陷。第(2)种方法的缺点是复杂形状的三维编织难度极大，且尺寸精度很难保证。第(3)种方法的缺点是叶片内部界面过多，外层预浸料及金属包覆层极易剥落而引起叶片失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种由碳纤维复合材料制成的具有整体式金属包覆层的新型压气机风扇叶片，该叶片具有很高的比强度，优异的耐冲击性能和抗冲蚀能力，并能有效地避免分层及喘振引起的裂纹甚至断裂。
同时，本发明还提供一种一体化成形压气机叶片叶身与叶榫的方法，该方法集中间复合材料的制备与叶片整体的成形于一体，大幅度减少了制造的成本和时间，其成形精度高、自动化程度高、模具寿命长等优点。
本发明采取以下技术方案：
一种具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片，包括复合材料基层、金属包覆层，所述复合材料基层、金属包覆层一体模压成型；所述金属包覆层包覆在所述复合材料基层外部，其包覆的翻边部位与采用粘接剂粘接并模压定型。
进一步的，所述复合材料基层是碳纤维基符合材料基层2；所述粘接剂是环氧树脂胶1；所述金属包覆层是钛合金蒙皮3。
一种上述具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取两块金属面板，分别成形至叶片吸力面及压力面所呈曲面形状；
S2、将两块金属面板裁制为特定大小后，依次进行除油、酸洗和阳极氧化或喷砂处理；
S3、将吸力面蒙皮、复合材料预浸料、压力面蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模指定位置；
S4、下模加热至特定温度后保温一定时间；
S5、上模下行，压边装置首先压住下蒙皮的预留包边部位，随后上模接触上蒙皮并按照一定的加压曲线加压至成型压力，保温保压一定时间；
S6、自加热装置停止加热，同时向模具中通入冷却水，快速降温至室温，随后卸压，开启模具；
S7、在下蒙皮预留包边部位涂覆环氧树脂胶，并弯曲至与上蒙皮贴合；
S8、上模继续下行施加一定压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
S9、清理模压过程中溢出的少量树脂，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥。
进一步的，步骤S1中，上下蒙皮为厚度为0.3mm的钛合金板，其预成形采用模压成形、渐进成形、抛丸成形三种方法。
进一步的，步骤S2中，采用阳极氧化工艺处理钛板。
进一步的，步骤S3中，采用插层铺放法能有效得出叶片各部位预浸料铺层数量及位置。
进一步的，步骤S3中，所述复合材料预浸料为热塑性预浸料时，采用激光焊接方法使每层预浸料定位；所述复合材料预浸料为热固性树脂时，则依靠自身的粘度使每层预浸料定位。
进一步的，步骤S5中，起压边与定位作用的压边装置先于上模型面接触叶片并压住预留包边部位。
进一步的，步骤S6中，采用持续冷却水方法进行快速降温。
进一步的，步骤S8中，环氧树脂胶固化的压力由压制模具提供。
金属蒙皮通常采用钛合金材料，其厚度选取0.3mm，夹层材料采用碳纤维增强的树脂预浸料，通常分为热固性如碳纤维增强环氧树脂预浸料和热塑性如碳纤维增强聚醚醚铜预浸料两大类，厚度一般为0.1mm-0.5mm。为了增强金属蒙皮与夹层复合材料的粘接强度，需分别对金属蒙皮和纤维增强预浸料进行表面处理，预浸料只需简单的除油和酸洗去除表面污染物即可，而金属蒙皮除此之外还需进行阳极氧化或喷砂处理，这样做既可以增加金属蒙皮的粗糙度以提高其与复合材料的机械粘接强度，还可以增加金属蒙皮粘接面的活性以提高其与复合材料的化学粘接强度。
叶片金属上下蒙皮的预成形主要有三种方法，即模压成形、渐进成形和抛丸成形，其中后两种方法不仅降低了模具制造带来的巨大成本，还依靠压头或弹丸的压应力实现疲劳断裂抗力的提高，从而提高材料的疲劳寿命。
树脂基预浸料的铺层方法可以是单向或正交铺放。由于叶片在各处的厚度不一，因此所需预浸料铺层数均不同，通常采用插层铺放法将各层逐一铺放到位。各预浸料铺层的定位方法根据预浸料种类的不同而有所差异，针对热固性树脂基预浸料如碳纤维增强环氧树脂预浸料，通常根据其自身粘度保持其定位，并辅以吸胶工艺排出内部混杂的气体及易挥发物，而热塑性树脂基预浸料如碳纤维增强聚醚醚铜预浸料的定位需要通过激光焊接得以实现。
本发明的有益效果在于：
1)集叶片的成形与夹层树脂基复合材料的成型于一体完成，因此模压过程的温度基本与夹层中树脂的加工温度保持一致，模压前的保温过程有助于保证蒙皮金属与预浸料各铺层的温度均匀一致。热固性预浸料的固化温度根据高分子链交联固化的程度而定，而热塑性预浸料的固化温度根据所含树脂的结晶温度而定。采用通冷却水的快速冷却方法，既可以大幅度降低冷却时间从而降低生产周期，同时可以一定成上提高复材的强度及与金属蒙皮间的粘接性能。
2)叶片具有很高的比强度，优异的耐冲击性能和抗冲蚀能力，并能有效地避免分层及喘振引起的裂纹甚至断裂。
3)叶片成型方法集中间复合材料的制备与叶片整体的成形于一体，大幅度减少了制造的成本和时间，其成形精度高、自动化程度高、模具寿命长等优点。
附图说明
图1是本发明具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片横截面的示意图。
图2是本发明具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片纵截面的示意图。
图3是叶片预浸料铺放规划示意图。
图4是开模状态下上模结构示意图。
图5合模状态下模具结构示意图。
图中，1.环氧树脂胶，2.碳纤维基符合材料，3.钛合金蒙皮，11.弹性橡胶，12.内六角螺栓，13.上模垫板，14.上模固定板，15.上模，16.压边装置，17.下模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
第一步，在dynaform中计算出叶片模型的展开毛坯尺寸及形状，适当增加余量后据此裁剪出相应的两块TA2板材，分别放入具有叶片上下蒙皮曲面形状的型面的冲压模具中，成形至所需曲面形状；
第二步，将成形后的上下钛板蒙皮余量切除，并依次进行除油、酸洗和氢氧化钠阳极氧化(喷砂)处理。阳极氧化电解液成份为：NaOH 300g/L，Tart 65g/L，EDTA 30g/L，Na2SiO3 6g/L，电压为10V、电解时间为10min、电解温度35℃；
第三步，根据插层铺放法计算出所需各部位所需厚度为0.125mm的环氧树脂预浸料的数量和每一铺层的形状尺寸，并据此裁剪到位，依靠环氧树脂预浸料表面的粘度将吸力面钛板蒙皮、碳纤维增强环氧树脂预浸料、压力面钛板蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模的指定部位；
第四步，带自加热装置的压制模具开始加热，直至达到60℃时保温状态下开始进行吸胶处理，排出内部混杂的气体及易挥发物质，随后继续加热直至130℃后保温；
第五步，上模整体下行，压边装置首先压住吸力面蒙皮的预留包边部位，其中压边力由弹性橡胶的压缩量保证，随后上模型面接触压力面蒙皮并逐渐加压至1Mpa，并保温保压2h；
第六步，加热装置停止工作，同时在模具的冷却水道中持续通入冷却水，加速降温至室温，随后卸压，开启模具；
第七步，在下蒙皮(吸力面蒙皮)的预留包边位置均匀涂覆环氧树脂胶，并将其弯曲至与上蒙皮(压力面蒙皮)贴合；
第八步，上模继续下行并施加1Mpa的压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
第九步，清理模压过程中溢出的少量环氧树脂，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥即可。
实施例2：
第一步，在dynaform中计算出叶片模型的展开毛坯尺寸及形状，适当增加余量后据此裁剪出相应的两块TA2板材，分别放入具有叶片上下蒙皮曲面形状的型面的冲压模具中，成形至所需曲面形状；
第二步，将成形后的上下钛板蒙皮余量切除，并依次进行除油、酸洗和氢氧化钠阳极氧化(喷砂)处理。阳极氧化电解液成份为：NaOH 300g/L，Tart 65g/L，EDTA 30g/L，Na2SiO3 6g/L，电压为10V、电解时间为10min、电解温度35℃；
第三步，根据插层铺放法计算出所需各部位所需厚度为0.125mm的聚醚醚铜预浸料的数量和每一铺层的形状尺寸，并据此裁剪到位，将吸力面钛板蒙皮、碳纤维增强环氧树脂预浸料、压力面钛板蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模的指定部位，预浸料铺层间通过激光焊接而固连定位；
第四步，带自加热装置的压制模具开始加热，直至390℃后保温；
第五步，上模整体下行，压边装置首先压住吸力面蒙皮的预留包边部位，其中压边力由弹性橡胶的压缩量保证，随后上模型面接触压力面蒙皮并逐渐加压至0.6Mpa，并保温保压2h；
第六步，加热装置停止工作，同时在模具的冷却水道中持续通入冷却水，加速降温至室温，随后卸压，开启模具；
第七步，在下蒙皮(吸力面蒙皮)的预留包边位置均匀涂覆环氧树脂胶，并将其弯曲至与上蒙皮(压力面蒙皮)贴合；
第八步，上模继续下行并施加0.6Mpa的压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
第九步，清理模压过程中溢出的少量聚醚醚铜，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥即可。
实施例3
第一步，在dynaform中计算出叶片模型的展开毛坯尺寸及形状，适当增加余量后据此裁剪出相应的两块TA2板材，分别放入渐进成形机床中定位并紧固，按照所需曲面形状编写数控程序并输入，压头开始走刀，成形至所需曲面形状；
第二步，将成形后的上下钛板蒙皮余量切除，并依次进行除油、酸洗和氢氧化钠阳极氧化(喷砂)处理。阳极氧化电解液成份为：NaOH 300g/L，Tart 65g/L，EDTA 30g/L，Na2SiO3 6g/L，电压为10V、电解时间为10min、电解温度35℃；
第三步，根据插层铺放法计算出所需各部位所需厚度为0.125mm的环氧树脂预浸料的数量和每一铺层的形状尺寸，并据此裁剪到位，依靠环氧树脂预浸料表面的粘度将吸力面钛板蒙皮、碳纤维增强环氧树脂预浸料、压力面钛板蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模的指定部位；
第四步，带自加热装置的压制模具开始加热，直至达到60℃时保温状态下开始进行吸胶处理，排出内部混杂的气体及易挥发物质，随后继续加热直至130℃后保温；
第五步，上模整体下行，压边装置首先压住吸力面蒙皮的预留包边部位，其中压边力由弹性橡胶的压缩量保证，随后上模型面接触压力面蒙皮并逐渐加压至1Mpa，并保温保压2h；
第六步，加热装置停止工作，同时在模具的冷却水道中持续通入冷却水，加速降温至室温，随后卸压，开启模具；
第七步，在下蒙皮(吸力面蒙皮)的预留包边位置均匀涂覆环氧树脂胶，并将其弯曲至与上蒙皮(压力面蒙皮)贴合；
第八步，上模继续下行并施加1Mpa的压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
第九步，清理模压过程中溢出的少量环氧树脂，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥即可。
实施例4：
第一步，在dynaform中计算出叶片模型的展开毛坯尺寸及形状，适当增加余量后据此裁剪出相应的两块TA2板材，分别放入具有叶片上下蒙皮曲面形状的型面的下半模中，通过抛丸装置抛射弹丸成形至所需曲面形状；
第二步，将成形后的上下钛板蒙皮余量切除，并依次进行除油、酸洗和氢氧化钠阳极氧化(喷砂)处理。阳极氧化电解液成份为：NaOH 300g/L，Tart 65g/L，EDTA 30g/L，Na2SiO3 6g/L，电压为10V、电解时间为10min、电解温度35℃；
第三步，根据插层铺放法计算出所需各部位所需厚度为0.125mm的环氧树脂预浸料的数量和每一铺层的形状尺寸，并据此裁剪到位，依靠环氧树脂预浸料表面的粘度将吸力面钛板蒙皮、碳纤维增强环氧树脂预浸料、压力面钛板蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模的指定部位；
第四步，带自加热装置的压制模具开始加热，直至达到60℃时保温状态下开始进行吸胶处理，排出内部混杂的气体及易挥发物质，随后继续加热直至130℃后保温；
第五步，上模整体下行，压边装置首先压住吸力面蒙皮的预留包边部位，其中压边力由弹性橡胶的压缩量保证，随后上模型面接触压力面蒙皮并逐渐加压至1Mpa，并保温保压2h；
第六步，加热装置停止工作，同时在模具的冷却水道中持续通入冷却水，加速降温至室温，随后卸压，开启模具；
第七步，在下蒙皮(吸力面蒙皮)的预留包边位置均匀涂覆环氧树脂胶，并将其弯曲至与上蒙皮(压力面蒙皮)贴合；
第八步，上模继续下行并施加1Mpa的压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
第九步，清理模压过程中溢出的少量环氧树脂，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥即可。
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，还可以做出若干变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些改进或变换也应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片，其特征在于：
包括复合材料基层、金属包覆层，所述复合材料基层、金属包覆层一体模压成型；
所述金属包覆层包覆在所述复合材料基层外部，其包覆的翻边部位与采用粘接剂粘接并模压定型。
2.如权利要求1所述的具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片，其特征在于：所述复合材料基层是碳纤维基符合材料基层(2)；所述粘接剂是环氧树脂胶(1)；所述金属包覆层是钛合金蒙皮(3)。
3.一种如权利要求1所述的具有整体式金属包覆层的复合材料压气机风扇叶片的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取两块金属面板，分别成形至叶片吸力面及压力面所呈曲面形状；
S2、将两块金属面板裁制为特定大小后，依次进行除油、酸洗和阳极氧化或喷砂处理；
S3、将吸力面蒙皮、复合材料预浸料、压力面蒙皮按照由下而上的顺序铺设于下模指定位置；
S4、下模加热至特定温度后保温一定时间；
S5、上模下行，压边装置首先压住下蒙皮的预留包边部位，随后上模接触上蒙皮并按照一定的加压曲线加压至成型压力，保温保压一定时间；
S6、自加热装置停止加热，同时向模具中通入冷却水，快速降温至室温，随后卸压，开启模具；
S7、在下蒙皮预留包边部位涂覆环氧树脂胶，并弯曲至与上蒙皮贴合；
S8、上模继续下行施加一定压力，保压至胶固化后开启模具，取出叶片；
S9、清理模压过程中溢出的少量树脂，并在叶身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥。
4.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S1中，上下蒙皮为厚度为0.3mm的钛合金板，其预成形采用模压成形、渐进成形、抛丸成形三种方法。
5.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S2中，采用阳极氧化工艺处理钛板。
6.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S3中，采用插层铺放法能有效得出叶片各部位预浸料铺层数量及位置。
7.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S3中，所述复合材料预浸料为热塑性预浸料时，采用激光焊接方法使每层预浸料定位；所述复合材料预浸料为热固性树脂时，则依靠自身的粘度使每层预浸料定位。
8.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S5中，起压边与定位作用的压边装置先于上模型面接触叶片并压住预留包边部位。
9.如权利要求3所述的成型方法，其特征在于：步骤S6中，采用持续冷却水方法进行快速降温。
10.如权利要求5所述的成型方法，其特征在于：步骤S8中，环氧树脂胶固化的压力由压制模具提供。
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