CN109590192B - 一种复合材料叶片保护壳体制造方法 - Google Patents

一种复合材料叶片保护壳体制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种复合材料叶片保护壳体制造方法，所述方法包括：根据待保护复合材料叶片制作仿形芯模；在所述仿形芯模的表面涂覆易脱层；在所述易脱层表面涂覆阻隔层；在所述阻隔层表面涂覆增韧层；在所述增韧层表面涂覆耐冲蚀层；进行热处理获得由所述阻隔层、增韧层和耐冲蚀层组成保护壳体。本发明在钛合金壳体中增加阶梯化结构设计，通过增韧层和耐冲蚀层的配合提高了壳体韧性，保证了壳体具有较好的耐冲刷性能。同时，在增韧层与易脱层之间增加阻隔层，隔绝低熔点合金，避免其与钛合金接触造成污染以及性能下降的问题。

Description

一种复合材料叶片保护壳体制造方法
技术领域
本申请涉及航空技术领域，尤其涉及一种复合材料叶片保护壳体制造方法。
背景技术
树脂基复合材料叶片时现代航空涡扇发动机减重的重要手段，但是由于复合材料本身特性的原因，在服役环境条件下，复合材料叶片前缘非常易于出现由于异物及砂砾撞击或冲刷造成的损伤，如图1所示，O处即为意外损伤部位。因此，通常需要在叶片前缘安置V型金属保护壳以提高复合材料叶片的抗冲刷能力，目前常用的制造方法包括数控加工、热成型和冷喷涂等。
V型金属保护壳可以通过机加工+胶接的方法实现对复合材料叶片的保护，由于与复合材料叶片存在应变差异，而且在发动机工作过程中前缘会发生温升，V型金属保护壳会与其保护的复合材料叶片分开，二者之间的夹杂颗粒进一步加剧损伤，从而造成保护失效以及叶片断裂。
另外，数控加工法采用棒材或模锻件进行，存在成本高、产出率低、污染环境等缺点，尤其是当加工类似金属保护壳这种薄壁、复杂形状的零件，这些缺点更加突出；而且随着发动机效率的提高，叶片形状日益复杂，加剧了数控加工V型壳的难度，也造成了热成型V型金属壳更加困难。为此有人提出采用冷喷涂近净成型的方法制造V型金属保护壳，钛合金由于其优异的比强度是作为金属保护壳材料的主要选择。然而对于钛合金保护壳，低熔点合金将造成钛合金脆化，钛合金壳体含有硬质相造成钛合金保护壳韧性差、易剥落，纯钛合金又太软，耐冲刷能力不足。为此必须设计新的方法改进钛合金壳体的性能。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种复合材料叶片保护壳体制造方法。
本发明实施例提供了一种复合材料叶片保护壳体制造方法，所述方法包括：
根据待保护复合材料叶片制作仿形芯模；
在所述仿形芯模的表面涂覆易脱层；
在所述易脱层表面涂覆阻隔层；
在所述阻隔层表面涂覆增韧层；
在所述增韧层表面涂覆耐冲蚀层；
进行热处理获得由所述阻隔层、增韧层和耐冲蚀层组成保护壳体。
优选地，所述易脱层的材料为锡、锌、铅或铋中的一种或几种的合金，所述易脱层的厚度为0.2mm-0.5mm。
优选地，所述阻隔层的材料为不锈钢或铝合金，所述阻隔层的厚度为0.1mm-0.2mm。
优选地，所述在所述阻隔层表面涂覆增韧层的过程为：
在所述阻隔层表面涂覆金属层；
在所述金属层表面涂覆增硬层；
将所述金属层和所述增硬层依次重叠涂覆多次形成所述增韧层。
优选地，所述金属层的材料为钛或钛合金，所述金属层的厚度为0.05mm-0.2mm。
优选地，所述增硬层的材料为钛和硬质颗粒的混合物或钛合金和硬质颗粒的混合物，所述硬质颗粒含量为10wt％-25wt％，所述硬质颗粒为碳化钨、碳化铬、氮化钛、硼化钛或碳化钛中的一种或几种的组成，所述增硬层的厚度为0.1mm-0.2mm。
优选地，所述增韧层的厚度为0.2mm-0.8mm。
优选地，所述耐冲蚀层的材料为钛和硬质颗粒的混合物或钛合金和硬质颗粒的混合物，所述硬质颗粒含量为20wt％-40wt％，所述耐冲蚀层的厚度为0.1mm-0.4mm。
优选地，在获得所述保护壳体之后，所述方法还包括：对所述保护壳体进行热处理调制。
优选地，在所述仿形芯模的表面涂覆易脱层之前，所述方法还包括：对所述仿形芯模非涂覆区域进行密封保护。
本发明的有益效果如下：本发明在钛合金壳体中增加阶梯化结构设计，通过增韧层和耐冲蚀层的配合提高了壳体韧性，保证了壳体具有较好的耐冲刷性能。同时，在增韧层与易脱层之间增加阻隔层，隔绝低熔点合金，避免其与钛合金接触造成污染以及性能下降的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为复合材料叶片前缘的意外损伤处示意图；
图2为本发明实施例所述的复合材料叶片保护壳体制造方法的流程图；
图3为本发明实施例所述的仿形芯模、易脱层、阻隔层、增韧层和耐冲蚀层的结构示意图；
图4为本发明实施例所述的仿形芯模、易脱层、阻隔层、增韧层和耐冲蚀层的截面示意图。
附图标记：
1、仿形芯模，2、易脱层，3、阻隔层，4、金属层，5、增硬层，6、增韧层，7、耐冲蚀层，8、硬质颗粒。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图2至图4所示，本实施例提出了一种复合材料叶片保护壳体制造方法，所述方法包括：
S101、根据待保护复合材料叶片制作仿形芯模1；
S102、在所述仿形芯模1的表面涂覆易脱层2；
S103、在所述易脱层2表面涂覆阻隔层3；
S104、在所述阻隔层3表面涂覆增韧层6；
S105、在所述增韧层6表面涂覆耐冲蚀层7；
S106、进行热处理获得由所述阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7组成保护壳体。
具体的，本实施例所述的保护壳体最终是由阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7组成的，但是在获得最终的保护壳体之前需要制造仿形芯模1和涂覆易脱层2的过程，并在涂层都涂覆完成后进行热处理的过程。如果不进行以上过程的话，保护壳体无法最终成型。
如图3和图4所示，本实施例中所述的仿形芯模1是根据复合材料叶片数模技术要求进行设计和制造的。在仿形芯模1的表面涂覆易脱层2之前，对所述仿形芯模1非涂覆区域进行密封保护。易脱层2的材料主要为低熔点金属，可以是锡、锌、铅或铋中的一种或几种的合金，厚度为0.2mm-0.5mm。阻隔层3的材料可以为不锈钢或铝合金，所述阻隔层的厚度为0.1mm-0.2mm。
本实施例中所述的增韧层6是由多个金属层4和增硬层5叠加形成的。其中金属层4的材料为钛或钛合金，所述金属层4的厚度为0.05mm-0.2mm。增硬层5的材料为钛和硬质颗粒8的混合物或钛合金和硬质颗粒8的混合物，所述硬质颗粒8含量为10wt％-25wt％，所述硬质颗粒8为碳化钨、碳化铬、氮化钛、硼化钛或碳化钛中的一种或几种的组成，所述增硬层5的厚度为0.1mm-0.2mm。将金属层4和增硬层5重复叠加3-5次，即可获得厚度为0.2mm-0.8mm的增韧层6。
在增韧层6表面制备耐冲蚀层7，该耐冲蚀层7的材料为钛和硬质颗粒8的混合物或钛合金和硬质颗粒8的混合物，所述硬质颗粒8含量为20wt％-40wt％，所述耐冲蚀层7的厚度为0.1mm-0.4mm。
在涂层全部制备完成后，将仿形芯模1、易脱层2、阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7整体进行热处理，易脱层2低熔点合金溶化后，将仿形芯模1取下，即可获得由所述阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7组成保护壳体。最后对保护壳体进行热处理调制，优化保护壳体材料组织结构。
如果需要更为精细化，可以对保护壳体内外部进行数控加工处理和钳修，以满足叶型数模的保护壳体结构。
下面通过具体流程说明本实施例所述方法的工作过程：
依据复合材料叶片数模要求，设计制造仿形芯模1，材料可采用高碳合金CrWMo，硬度控制在HRC55-HRC60左右。
冷喷涂易脱层2，保护模具非喷涂区域，使保护胶布与模具型面贴合完好，避免随后喷涂过程中开裂；喷涂材料选用锡铋合金MCP150，粉末粒度15μm-60μm；冷喷涂工艺参数为：氮气压力为3.0MPa-3.5MPa；温度为280℃-320℃；气体流量为75m3/h-80m3/h；送粉速度为2rpm-5rpm；喷涂距离为35mm-45mm，喷涂角度为75°-90°；喷枪移动速度为500mm/s-600mm/s，厚度为0.2mm。
冷喷涂阻隔层3，涂层材料为不锈钢粉末，粉末粒度为10μm-50μm；冷喷涂工艺参数为：氮气压力为3.0MPa-4.0MPa；温度为400℃-550℃；气体流量为80m3/h-85m3/h；送粉速度为2rpm-5rpm；喷涂距离为35mm-45mm，喷涂角度为75°-90°；喷枪移动速度为500mm/s-600mm/s，厚度为0.1mm-0.2mm。
冷喷涂纯钛合金金属层4，涂层材料为钛合金TC4粉末，粒度为5μm-60μm；冷喷涂工艺参数为：氮气压力为4.0MPa-4.5MPa；温度为800℃-850℃；气体流量为80m3/h-85m3/h；送粉速度为2rpm-5rpm；喷涂距离为35mm-45mm，喷涂角度为75°-90°；喷枪移动速度为500mm/s-600mm/s，厚度为0.1mm。
冷喷涂增硬层5，涂层材料为钛合金TC4粉末+15％碳化钨-钴粉WC12Co，TC4粉末粒度为5μm-60μm，碳化钨-钴粉WC12Co粒度为5μm-30μm；冷喷涂工艺参数为：氮气压力为4.0MPa-4.5MPa；温度为800℃-850℃；气体流量为80m3/h-85m3/h；送粉速度为2rpm-5rpm；喷涂距离为35mm-45mm，喷涂角度为75°-90°；喷枪移动速度为500mm/s-600mm/s，厚度为0.1mm。
重复叠加涂覆金属层4+增硬层5的结果，重复1-4遍，增韧层6厚度共计0.2-0.8mm。
冷喷涂耐冲蚀层7，粉末成分为75％钛合金TC4+35％碳化钨-钴粉WC12Co，TC4粉末粒度5μm-60μm，WC12Co粒度为5μm-30μm；冷喷涂工艺参数为：氮气压力为3.5MPa-4.0MPa；温度为780℃-820℃；气体流量为80m3/h-85m3/h；送粉速度为3rpm-5rpm；喷涂距离为35mm-45mm，喷涂角度为75°-90°；喷枪移动速度为500mm/s-600mm/s，厚度为0.1mm-0.2mm。
热处理脱模，在热处理炉里将仿形芯模1、易脱层2、阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7整体加热至200℃-250℃，取出后将仿形芯模1褪下，获得由所述阻隔层3、增韧层6和耐冲蚀层7组成保护壳体。
热处理调制，将取下来的保护壳体安装至热处理夹具，送入真空热处理炉中进行热处理，参数如下：加热温度为800℃-850℃，真空度不大于5×10-2Pa，保温时间为1h-2h；200℃取出，空冷至室温。
数控加工+钳修，采用数控加工中心，将保护壳体加工至数模要求，并对边角等微小区域采用钳修至满足使用要求即可。
本实施例在钛合金壳体中增加阶梯化结构设计，通过增韧层6和耐冲蚀层7的配合提高了壳体韧性，保证了壳体具有较好的耐冲刷性能。同时，在增韧层6与易脱层2之间增加阻隔层3，隔绝低熔点合金，避免其与钛合金接触造成污染以及性能下降的问题。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种复合材料叶片保护壳体制造方法，其特征在于，所述方法包括：
根据待保护复合材料叶片制作仿形芯模；
在所述仿形芯模的表面涂覆易脱层；
在所述易脱层表面涂覆阻隔层，所述阻隔层的材料为不锈钢或铝合金，所述阻隔层的厚度为0.10mm-0.20mm；
在所述阻隔层表面涂覆增韧层；
在所述增韧层表面涂覆耐冲蚀层，所述耐冲蚀层的材料为钛和硬质颗粒的混合物或钛合金和硬质颗粒的混合物，所述硬质颗粒含量为20wt%-40wt%，所述硬质颗粒为碳化钨、碳化铬、氮化钛、硼化钛或碳化钛中的一种或几种的组成，所述耐冲蚀层的厚度为0.1mm-0.4mm；
进行热处理获得由所述阻隔层、增韧层和耐冲蚀层形成阶梯化结构组成保护壳体；
所述在所述阻隔层表面涂覆增韧层的过程为：
在所述阻隔层表面涂覆金属层，所述金属层的材料为钛或钛合金，所述金属层的厚度为0.05mm-0.2mm；
在所述金属层表面涂覆增硬层，所述增硬层的材料为钛和硬质颗粒的混合物或钛合金和硬质颗粒的混合物，所述硬质颗粒含量为10wt%-25wt%，所述硬质颗粒为碳化钨、碳化铬、氮化钛、硼化钛或碳化钛中的一种或几种的组成，所述增硬层的厚度为0.1mm-0.2mm；
将所述金属层和所述增硬层依次重叠涂覆多次形成所述增韧层，所述增韧层的厚度为0.2mm-0.8mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述易脱层的材料为锡、锌、铅或铋中的一种或几种的合金，所述易脱层的厚度为0.2mm-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得所述保护壳体之后，所述方法还包括：对所述保护壳体进行热处理调制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述仿形芯模的表面涂覆易脱层之前，所述方法还包括：对所述仿形芯模非涂覆区域进行密封保护。
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