CN109304876B - 一种复合材料叶片的rtm成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种复合材料叶片的RTM成型方法。本发明通过调整叶片预制体在上、下半模余量区的压实量，使其高于叶片预制体在上、下半模成型区的压实量，提高叶片预制体的四周余量区压紧程度，以防止叶片预制体在合模过程中出现位置移动的现象，提高RTM成型复合材料编织叶片的合格率；通过调整叶片成型的上、下半模余量区的表面粗糙度，使其高于上、下半模成型区的粗糙度，提高叶片预制体的四周余量区的防位移程度，以防止叶片预制体在合模过程中出现位置移动的现象；通过在叶片成型的上、下半模余量区增加表面凸起，进一步提高叶片预制体的防位移嫩光，以充分保证叶片预制体在合模过程中不会出现位置移动的现象。

Description

一种复合材料叶片的RTM成型方法

技术领域

本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种复合材料叶片的RTM成型方法。

背景技术

现代涡扇航空发动机正朝着大涵道比、大推力、低油耗、低噪声、高安全性、高可靠性等方向不断发展。为了增大发动机涵道比，就需要采用更大尺寸的风扇叶片，这使得发动机风扇段的重量占发动机总重量的比重不断提升。传统钛合金材料制造的风扇叶片已经逐渐地不能满足现代高性能大涵道比涡扇发动机性能需求。因此，降低风扇叶片重量就成为发动机向高性能发展所必须解决的关键难题之一。树脂基复合材料具有低密度、高比强度、高比刚度和良好的耐久性等优异特性，用以代替金属材料，是实现发动机减重增效的重要技术途径，可以解决尺寸增加带来的风扇段重量、效率和强度等一系列问题。树脂基复合材料还可以提供更好的耐久性，降低使用维护成本。

由于风扇叶片具有极高的气动要求，因此对其外形精度要求较高，其型面公差为0.2～0.8mm或者更高，采用常规的复合材料成型工艺技术很难达到上述尺寸精度要求。树脂转移模塑成型技术，简称RTM成型技术(Resin Transfer Molding)是近年来在航空、航天等领域广泛应用的一种高精度的液态成型复合材料制造技术。其原理是在刚性模具型腔内铺放按性能和结构要求设计好的干态纤维预制体，在特定的耐压容器即树脂贮存罐内将树脂加热到设定的注射温度，然后采用注射设备将低粘度树脂注入到模具型腔内，使树脂与纤维充分浸润，最后按照树脂的工艺规范进行升温固化，最后得到与模具型腔形状一致的复合材料零件，由于采用闭模成型，其零件的成型尺寸精度高，已成为复合材料风扇叶片的高精度成型方法之一。

抗鸟撞性能是复合材料风扇叶片的关键技术指标之一，相比二维层合结构，编织结构复合材料的2.5D或3D立体结构具有较高的损伤容限与抗外物损伤性能，有利于提高复合材料风扇叶片的抗鸟撞性能和使用安全性，近年来，编织复合材料风扇叶片已成为复合材料风扇叶片的发展趋势之一。

编织复合材料风扇叶片的成型工序流程为编织预制体展平态编织-预制体扭转-预制体模具定位-成型合模-RTM工艺注射-固化-脱模。其中，预制体在模具中的定位方法已通过申请号CN201711345855.8公开，然而，由于复合材料风扇叶片的结构复杂性，在合模前，即使预制体与模具进行了定位处理，预制体与模具型面是无法完全贴合到位的；同时，而受编织工艺的限制，叶片编织预制体的厚度与叶片的理论厚度存在差异，通常较理论厚度偏厚，在合模过程中存在预制体的与型面二次贴合及压实的现象。因此，在合模过程中，预制体与光滑的模具型面的二次贴合和预制体局部压实产生的结构变形会导致预制体在合模过程中出现滑移的现象，从而出现成型后的叶片编织结构位置与理论位置不符的现象，导致零件报废。另外，因叶片结构的复杂性，编织叶片内部结构存在不同分区，有的结构交织点较少结构稳定性不够好，导致在树脂注射时易受压力产生冲刷变形，从而出现成型后叶片的结构变形现象，导致零件报废；第三，在注射过程中，由于叶片预制体与模具边缘存在配合间隙，叶片边缘区域极易形成树脂快速流道，导致叶片注射产生缺陷，造成零件报废。

发明内容

本发明的目的是：针对树脂转移模塑成型编织复合材料风扇叶片技术存在的不足，提出的一种复合材料叶片的RTM成型方法。

本发明的技术解决方案是，成型方法所用系统包括成型模具、叶片，叶片由叶片本体和叶片余量区组成，叶片余量区由叶片榫头余量区和叶片边缘余量区组成，叶片预制体为叶片RTM成型前的中间体；成型方法是，

1)成型模具采用金属坯料加工而成，成型模具由上半模和下半模组成，叶片的成型区域为上半模型面区和下半模型面区；

2)上半模型面区由上半模本体区和上半模余量区组成，下半模的下半模型面区由下半模本体区和下半模余量区组成，上半模余量区由上半模榫头余量区和上半模边缘余量区组成，下半模余量区由下半模榫头余量区和下半模边缘余量区组成；

3)上半模型面区按叶片的上表面加工，下半模型面区按叶片的下表面加工，加工完后上半模本体区和下半模本体区的表面粗糙度为0.4Ra～0.8Ra，上半模余量区和下半模余量区的表面粗糙度为3.2Ra～6.4Ra；

4)上半模和下半模组合后，上半模型面区与下半模型面区的组合后型腔高度与叶片本体的理论高度一致，上半模榫头余量区与下半模榫头余量区的组合后型腔高度与叶片榫头余量区的理论高度一致，上半模边缘余量区与下半模边缘余量区的组合后型腔高度比叶片边缘余量区的理论高度小；

5)对上半模余量区和下半模余量区进行机械加工，加工后上半模余量区和下半模余量区的表面密布凸起；

6)在下半模榫头余量区的叶片底部榫头的中心位置加工树脂进胶口，在上半模边缘余量区的叶片顶部叶尖的中心位置加工树脂出胶口；

7)将叶片预制体放置在下半模上，然后组合上半模；

8)将组合好的成型模具放置到设备中按选用树脂的RTM注射工艺进行注射，树脂从树脂进胶口注入，从树脂出胶口出胶；

9)注射采用对树脂缓慢加压的方式进行，注射压力由真空缓慢加压至0.6～1.0MPa，加压速率为0.1MPa/0.5～5min，加至最大压力后，维持压力30～60min直至注射结束；

10)将成型好的叶片从成型模具中取出，将叶片余量区加工去除，剩下叶片本体。

所述叶片预制体的原材料为各种玻璃纤维、碳纤维和KEVLAR纤维的干态纤维束，叶片预制体采用2.5D或3D编织方法制造而成。

所述上半模和下半模组合后，上半模边缘余量区与下半模边缘余量区的组合后型腔高度比叶片边缘余量区的理论高度小5％～20％。

所述上半模零件余量区和下半模零件余量区的宽度为10～30mm，上半模零件余量区和下半模零件余量区的表面凸起可以为圆形、三角形或椭圆形，凸起的面积为0.5～5mm2，凸起的高度为0.5～1mm，凸起在上半模零件余量区和下半模零件余量区的表面分布的密度为5mm×5mm～20mm×20mm。

本发明的优点和有益效果是：

1、本发明提出了一种针对一种复合材料叶片的RTM成型方法，通过调整叶片预制体在上、下半模余量区的压实量，使其高于叶片预制体在上、下半模成型区的压实量，提高叶片预制体的四周余量区压紧程度，可以防止叶片预制体在合模过程中出现位置移动的现象，提高RTM成型复合材料编织叶片的合格率；

2、本发明提出了一种针对一种复合材料叶片的RTM成型方法，通过调整叶片成型的上、下半模余量区的表面粗糙度，使其高于上、下半模成型区的粗糙度，提高叶片预制体的四周余量区的防位移程度，可以防止叶片预制体在合模过程中出现位置移动的现象，提高RTM成型复合材料编织叶片的合格率；

3、本发明提出了一种针对一种复合材料叶片的RTM成型方法，通过在叶片成型的上、下半模余量区增加表面凸起，凸起可以嵌入在叶片预制体余量区的内部，进一步提高叶片预制体的防位移嫩光，可以充分保证叶片预制体在合模过程中不会出现位置移动的现象，提高RTM成型复合材料编织叶片的合格率；

4、本发明采用缓慢加压的方式，使树脂在注射的初始阶段缓流通过预制体，后期缓慢增大注射压力而提升树脂的注射速度，能够防止起始注射压力过大而导致叶片预制体在注射过程中的冲刷变形现象，叶片预制体的整体注射时间也不会明显延长，提高了RTM成型复合材料编织叶片的合格率；

5、本发明采用的叶片预制体四周余量区局部压紧的方法，使叶片预制体边缘的渗透率降低，并在叶片边缘形成低渗透率包围圈，而叶片榫头部位的预制体和叶片本体预制体的渗透率正常，树脂从榫头注入后并流动到叶片边缘余量区域是渗透率由高至低，树脂流动速度减缓，避免了叶片预制体与模具边缘配合间隙存在的快速流道效应带来的树脂过快出胶的问题，提高RTM成型复合材料编织叶片的合格率；

6、本发明所涉及的预制体的成型工装加工简单，成型工艺实施简单，不需对树脂进出胶流道方案进行调整，方便可靠，具有良好的RTM工艺普适性；

本发明提出了一种复合材料叶片的RTM成型方法，通过在预制体的余量区增大预制体的压实量、提高模具余量区的粗糙度并增加叶片预制体防位移凸起，优化了树脂注射工艺，实现了叶片预制体在成型模具中的夹紧，防止叶片预制体在合模过程和注射过程中的滑移、边缘快速流道效应和树脂冲刷变形现象，显著提高了RTM成型复合材料风扇叶片制件的成品率。

本发明的工作原理为：

1、本发明所涉及的叶片预制体在成型模具中的定位原理是通过减小上、下半模合模后零件四周余量的厚度并增加模具余量区的表面粗糙度，改变模具余量区的表面形态，实现编织叶片预制体在合模过程中首先对预制体的余量区进行接触、压缩和夹紧，实现叶片预制体的四周定位，防止叶片预制体本体在合模过程中出现位置移动；

2、本发明中所涉及的叶片预制体在成型模具中的防位移原理是通过在上、下半模余量区加工微小凸起，使凸起嵌入叶片预制体余量区内部，进一步加强了叶片预制体在模具中的定位和防位移能力，可以充分避免叶片预制体在合模和注射过程中出现位置移动；

3、本发明所涉及的防止叶片预制体在树脂注射中产生边缘效应的原理是通过在合模后对叶片预制体余量区域的压缩，使叶片预制体边缘的渗透率显著降低，即叶片预制体本体区域的渗透率明显高于叶片预制体四周余量区域的渗透率，实现了树脂在叶片预制体本体区域内快速流动，在叶片预制体四周余量区域缓慢流动，达到在叶片预制体注射过程中防止出现树脂注射零件边缘树脂流动过快效应导致零件出现缺陷的目的；

4、本发明通过优化树脂注射工艺，采用初始控制较低的注射压力的方法，使树脂在注射初期缓慢渗透叶片预制体，避免了初始压力过大对叶片预制体产生冲刷变形现象，后续通过压力的缓慢提高树脂的渗透速度缩短树脂的注射时间，最后通过在最大注射压力状态下的树脂保压保证树脂对叶片预制体的完全渗透，保证最终的叶片成型质量。

附图说明

图1为本发明所适用的叶片的示意图；

图2为本发明所适用的叶片预制体的示意图；

图3为本发明所适用的叶片的分区示意图；

图4为本发明所采用的上半模的示意图；

图5为本发明所采用的下半模的示意图；

图6为本发明所采用的上、下半模和叶片合模状态的示意图。

具体实施方式

复合材料叶片的RTM成型方法所用系统包括成型模具4、叶片1，叶片1由叶片本体11和叶片余量区12组成，叶片余量区12由叶片榫头余量区13和叶片边缘余量区14组成，叶片预制体10为叶片]RTM成型前的中间体；

成型模具4采用金属坯料加工而成，成型模具4由上半模5和下半模6组成，叶片1的成型区域为上半模型面区50和下半模型面区60；

上半模型面区50由上半模本体区51和上半模余量区52组成，下半模6的下半模型面区60由下半模本体区61和下半模余量区62组成，下半模6的四周分布有密封槽，上半模余量区52由上半模榫头余量区53和上半模边缘余量区54组成，下半模余量区62由下半模榫头余量区63和下半模边缘余量区64组成；

上半模型面区50依据叶片1的上表面型面加工，下半模型面区60依据叶片1的下表面型面加工，加工完后上半模本体区51和下半模本体区61的表面粗糙度为0.4Ra～0.8Ra，上半模余量区52和下半模余量区62的表面粗糙度为3.2Ra～6.4Ra；

上半模5和下半模6组合后，上半模型面区51与下半模型面区61的组合后型腔高度与叶片本体11的理论高度一致，上半模榫头余量区53与下半模榫头余量区63的组合后型腔高度与叶片榫头余量区13的理论高度一致，上半模边缘余量区54与下半模边缘余量区64的组合后型腔高度比叶片边缘余量区14的理论高度小，且组合后型腔高度可以随着边缘区域的外扩而与理论高度的差距越大；

对上半模余量区52和下半模余量区62进行机械加工，加工后上半模余量区52和下半模余量区62的表面密布凸起20；

在下半模榫头余量区63的叶片1底部榫头的中心位置加工树脂进胶口70，在上半模边缘余量区54的叶片1顶部叶尖的中心位置加工树脂出胶口80；

将叶片预制体10放置在下半模6上，然后组合上半模5；

将组合好的成型模具4放置到设备中按选用树脂的RTM注射工艺进行注射，树脂从树脂进胶口70注入，从树脂出胶口80出胶；

注射采用对树脂缓慢加压的方式进行，注射压力由真空缓慢加压至0.6～1.0MPa，加压速率为0.1MPa/0.5～5min，加至最大压力后，维持压力30～60min直至注射结束；

将成型好的叶片1从成型模具4中取出，将叶片余量区12加工去除，加工方法可以为数控加工、水切割等，剩下叶片本体11。

所述叶片预制体10的原材料为各种玻璃纤维、碳纤维和KEVLAR纤维的干态纤维束，叶片预制体10采用2.5D或3D编织方法制造而成；

所述上半模5和下半模6组合后，上半模边缘余量区54与下半模边缘余量区64的组合后型腔高度比叶片边缘余量区14的理论高度小5％～20％，上半模边缘余量区54与下半模边缘余量区64的组合后型腔高度可以非等厚变化；

所述零件余量区52和零件余量区62的宽度为10～30mm，零件余量区52和零件余量区62的表面凸起20可以为圆形、三角形、椭圆形，凸起20的面积为0.5～5mm²，凸起20的高度为0.5～1mm，凸起20在上半模零件余量区52和下半模零件余量区62的表面分布的密度密度为5mm×5mm～20mm×20mm。

实施例1：

叶片预制体10为变厚度2.5D机织结构风扇叶片预制体，材料为CCF800，材料的纤维体积含量为55％±3％；其中CCF800为山东威海拓展公司出品的规格为12K的T800级碳纤维织物，注射用树脂采用CYTEC公司的PR520高韧性液体成型树脂，叶片本体1的外形尺寸为：750mm×300mm(长×宽)，叶片预制体的外形尺寸为800mm×340mm(长×宽)，叶片预制体四周留有20mm余量，具体的成型步骤如下：

1)叶片1由叶片本体11和叶片余量区12组成，叶片余量区12由叶片榫头余量区13和叶片边缘余量区14组成，叶片预制体10为叶片1RTM成型前的中间体；

2)成型模具4采用P20金属坯料加工而成，成型模具4由上半模5和下半模6组成，叶片1的成型区域为上半模型面区50和下半模型面区60；

3)上半模型面区50由上半模本体区51和上半模余量区52组成，下半模6的下半模型面区60由下半模本体区61和下半模余量区62组成，上半模余量区52由上半模榫头余量区53和上半模边缘余量区54组成，下半模余量区62由下半模榫头余量区63和下半模边缘余量区64组成；

4)上半模型面区50按叶片1的上表面加工，下半模型面区60按叶片1的下表面加工，加工完后上半模本体区51和下半模本体区61的表面粗糙度为0.4Ra，上半模余量区52和下半模余量区62的表面粗糙度为3.2Ra；

5)上半模5和下半模6组合后，上半模型面区51与下半模型面区61的组合后型腔高度与叶片本体11的理论高度一致，上半模榫头余量区53与下半模榫头余量区63的组合后型腔高度与叶片榫头余量区13的理论高度一致，上半模边缘余量区54与下半模边缘余量区64的组合后型腔高度比叶片边缘余量区14的理论高度小10％；

6)对上半模余量区52和下半模余量区62进行机械加工，加工后上半模余量区52和下半模余量区62的表面密布凸起20，表面凸起20为圆形，凸起20的面积为1mm²，凸起20的高度为0.5mm，凸起20的密度为5mm×5mm；

7)在下半模榫头余量区63的叶片1底部榫头的中心位置加工树脂进胶口70，在上半模边缘余量区54的叶片1顶部叶尖的中心位置加工树脂出胶口80；

8)将叶片预制体10放置在下半模6上，然后组合上半模5；

9)将组合好的成型模具4放置到设备中，按选用PR520树脂的RTM注射工艺进行注射，PR520树脂从树脂进胶口70注入，从树脂出胶口80出胶；

10)注射采用对树脂缓慢加压的方式进行，注射压力由真空缓慢加压至0.6MPa，加压速率为0.1MPa/3min，加至最大压力后，维持压力30min直至注射结束；

11)将成型好的叶片1从成型模具4中取出，将叶片余量区12加工去除，剩下叶片本体11。

实施例2：

叶片预制体10为变厚度2.5D机织结构风扇叶片预制体，材料为T700，材料的纤维体积含量为58％±3％；其中T700为日本东丽公司出品的规格为12K的T700级碳纤维织物，注射用树脂采用中航复合材料有限责任公司的ACTECH1304高韧性液体成型树脂，叶片本体1的外形尺寸为：720mm×260mm(长×宽)，叶片预制体的外形尺寸为780mm×320mm(长×宽)，叶片预制体四周留有30mm余量，具体的成型步骤如下：

1)叶片1由叶片本体11和叶片余量区12组成，叶片余量区12由叶片榫头余量区13和叶片边缘余量区14组成，叶片预制体10为叶片1RTM成型前的中间体；

2)成型模具4采用P20金属坯料加工而成，成型模具4由上半模5和下半模6组成，叶片1的成型区域为上半模型面区50和下半模型面区60；

3)上半模型面区50由上半模本体区51和上半模余量区52组成，下半模6的下半模型面区60由下半模本体区61和下半模余量区62组成，上半模余量区52由上半模榫头余量区53和上半模边缘余量区54组成，下半模余量区62由下半模榫头余量区63和下半模边缘余量区64组成；

4)上半模型面区50按叶片1的上表面加工，下半模型面区60按叶片1的下表面加工，加工完后上半模本体区51和下半模本体区61的表面粗糙度为0.8Ra，上半模余量区52和下半模余量区62的表面粗糙度为6.4Ra；

5)上半模5和下半模6组合后，上半模型面区51与下半模型面区61的组合后型腔高度与叶片本体11的理论高度一致，上半模榫头余量区53与下半模榫头余量区63的组合后型腔高度与叶片榫头余量区13的理论高度一致，上半模边缘余量区54与下半模边缘余量区64的组合后型腔高度比叶片边缘余量区14的理论高度小5％；

6)对上半模余量区52和下半模余量区62进行机械加工，加工后上半模余量区52和下半模余量区62的表面密布凸起20，表面凸起20为三角形，凸起20的面积为0.5mm²，凸起20的高度为0.7mm，凸起20的密度为5mm×10mm；

7)在下半模榫头余量区63的叶片1底部榫头的中心位置加工树脂进胶口70，在上半模边缘余量区54的叶片1顶部叶尖的中心位置加工树脂出胶口80；

8)将叶片预制体10放置在下半模6上，然后组合上半模5；

9)将组合好的成型模具4放置到设备中，按选用ACTECH1304树脂的RTM注射工艺进行注射，ACTECH1304树脂从树脂进胶口70注入，从树脂出胶口80出胶；

10)注射采用对树脂缓慢加压的方式进行，注射压力由真空缓慢加压至1.0MPa，加压速率为0.1MPa/5min，加至最大压力后，维持压力45min直至注射结束；

11)将成型好的叶片1从成型模具4中取出，将叶片余量区12加工去除，剩下叶片本体11。

Claims (4)

1.一种复合材料叶片的RTM成型方法，成型方法所用系统包括成型模具[4]、叶片[1]，叶片[1]由叶片本体[11]和叶片余量区[12]组成，叶片余量区[12]由叶片榫头余量区[13]和叶片边缘余量区[14]组成，叶片预制体[10]为叶片[1]RTM成型前的中间体；其特征在于：

1)成型模具[4]采用金属坯料加工而成，成型模具[4]由上半模[5]和下半模[6]组成，叶片[1]的成型区域为上半模型面区[50]和下半模型面区[60]；

2)上半模型面区[50]由上半模本体区[51]和上半模余量区[52]组成，下半模[6]的下半模型面区[60]由下半模本体区[61]和下半模余量区[62]组成，上半模余量区[52]由上半模榫头余量区[53]和上半模边缘余量区[54]组成，下半模余量区[62]由下半模榫头余量区[63]和下半模边缘余量区[64]组成；

3)上半模型面区[50]按叶片[1]的上表面加工，下半模型面区[60]按叶片[1]的下表面加工，加工完后上半模本体区[51]和下半模本体区[61]的表面粗糙度为0.4Ra～0.8Ra，上半模余量区[52]和下半模余量区[62]的表面粗糙度为3.2Ra～6.4Ra；

4)上半模[5]和下半模[6]组合后，上半模型面区[51]与下半模型面区[61]的组合后型腔高度与叶片本体[11]的理论高度一致，上半模榫头余量区[53]与下半模榫头余量区[63]的组合后型腔高度与叶片榫头余量区[13]的理论高度一致，上半模边缘余量区[54]与下半模边缘余量区[64]的组合后型腔高度比叶片边缘余量区[14]的理论高度小；

5)对上半模余量区[52]和下半模余量区[62]进行机械加工，加工后上半模余量区[52]和下半模余量区[62]的表面密布凸起[20]；

6)在下半模榫头余量区[63]的叶片[1]底部榫头的中心位置加工树脂进胶口[70]，在上半模边缘余量区[54]的叶片[1]顶部叶尖的中心位置加工树脂出胶口[80]；

7)将叶片预制体[10]放置在下半模[6]上，然后组合上半模[5]；

8)将组合好的成型模具[4]放置到设备中按选用树脂的RTM注射工艺进行注射，树脂从树脂进胶口[70]注入，从树脂出胶口[80]出胶；

9)注射采用对树脂缓慢加压的方式进行，注射压力由真空缓慢加压至0.6～1.0MPa，加压速率为0.1MPa/0.5～5min，加至最大压力后，维持压力30～60min直至注射结束；

10)将成型好的叶片[1]从成型模具[4]中取出，将叶片余量区[12]加工去除，剩下叶片本体[11]。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片的RTM成型控制方法，其特征在于：所述叶片预制体[10]的原材料为各种玻璃纤维、碳纤维和KEVLAR纤维的干态纤维束，叶片预制体[10]采用2.5D或3D编织方法制造而成。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片的RTM成型控制方法，其特征在于：所述上半模[5]和下半模[6]组合后，上半模边缘余量区[54]与下半模边缘余量区[64]的组合后型腔高度比叶片边缘余量区[14]的理论高度小5％～20％。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料叶片的RTM成型控制方法，其特征在于：所述上半模零件余量区[52]和下半模零件余量区[62]的宽度为10～30mm，上半模零件余量区[52]和下半模零件余量区[62]的表面凸起[20]可以为圆形、三角形或椭圆形，凸起[20]的面积为0.5～5mm²，凸起[20]的高度为0.5～1mm，凸起[20]在上半模零件余量区[52]和下半模零件余量区[62]的表面分布的密度为5mm×5mm～20mm×20mm。

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