CN114876862B - 一种抗冲击复合材料风扇叶片及加工方法 - Google Patents

Abstract

本说明书提供一种抗冲击复合材料风扇叶片及加工方法，包括：金属骨架，设置有减重孔；柔性编织体，柔性编织体包裹在金属骨架的外部，柔性编织体包括叶片层第一侧面，叶片层第一侧面设置有第一凸起，第一凸起与减重孔卡接固定。可有效提高复合材料风扇叶片的抗冲击性，尤其是提升了复合材料层和金属骨架的连接强度，提升了复合材料风扇叶片的综合性能。

Description

一种抗冲击复合材料风扇叶片及加工方法

技术领域

本说明书涉及航空发动机叶片制造技术领域，具体涉及一种抗冲击复合材料风扇叶片。

背景技术

复合材料叶片能够明显减轻结构重量，被越来越广泛地应用于涡扇发动机的研制及使用中。目前复合材料叶片广泛采用的技术路线包含两条：一条是采用预浸料铺层后包裹金属包边的方式完成，一条是采用纤维三维编织及一体化固化成型来完成叶片的制造，而目前国内现有复合材料叶片存在抗冲击性能差的问题。

专利CN202110637171，公开号：CN113547772A，公开日：2021年10月26日，公开了一种混合结构风扇叶片制备方法，将金属前缘插入叶片复合材料部分，并用缝合线将金属前缘部分和复合材料部分缝合联结，从而实现金属与预制体一体化的制备。该种制造工艺方法可能存在的影响包括：金属前缘部分于复合材料只通过前缘的孔隙形成连接，该连接结构对于叶片两侧冲击的抵抗力不足。

专利CN201710372747，专利公开号：CN108930664A，公开日：2018年12月04日，公开了一种混合结构航空发动机风扇叶片，其金属前缘面板和复合材料部分以界面联接的方式组合为一体。该种制造工艺方法可能存在的影响包括：复合材料未与金属骨架形成包覆结构，使得复合材料叶片在面对侧向冲击时的刚度可能存在不足。

专利CN201711341200，专利公开号：专利CN108087318A，公开日：2018年05月29日，公开了一种混合结构复合材料叶片，叶片从榫头底部至叶尖均由钛合金基体构成,并开设田字形框架结构，叶盆叶背两侧覆以铺层结构形成的复合材料填充物构成叶片叶身，外表面覆盖热塑性蒙皮形成叶片型面，可实现减重效果。该种制造工艺方法可能存在的影响包括：复合材料未与金属骨架形成包覆结构，使得复合材料叶片在面对侧向冲击时的刚度可能存在不足。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种抗冲击复合材料风扇叶片及加工方法，达到增强复合材料风扇叶片的抗冲击性的目的。

本说明书实施例提供以下技术方案：

一种抗冲击复合材料风扇叶片，包括：

金属骨架，设置有减重孔；

柔性编织体，柔性编织体包裹在金属骨架的外部，柔性编织体包括叶片层第一侧面，叶片层第一侧面设置有第一凸起，第一凸起可与和减重孔卡接固定。

进一步地，柔性编织体还包括叶片层第二侧面，叶片层第二侧面设置有第二凸起，叶片层第一侧面的第一凸起上设置有第一凹槽，第二凸起能够穿过减重孔与第一凹槽卡接固定。

进一步地，抗冲击复合材料风扇叶片还包括热塑性填充体固化层，热塑性填充体固化层包覆在柔性编织体外侧并能够将叶片层第一侧面、金属骨架和叶片层第二侧面固化成一个整体。

进一步地，金属骨架还包括固定孔，固定孔设置在金属骨架上。

进一步地，第一凸起与减重孔可为间隔设置的多组。

进一步地，第二凸起与第一凹槽可为间隔设置的多组。

进一步地，抗冲击复合材料风扇叶片还包括纤维丝束，纤维丝束通过固定孔将柔性编织体和金属骨架固定。

进一步地，抗冲击复合材料风扇叶片还包括金属包边，金属包边设置在金属骨架的前缘，柔性编织体和金属骨架通过金属包边包裹固定。

进一步地，抗冲击复合材料风扇叶片的加工方法包括如下步骤：

步骤一、加工金属骨架；

步骤二、加工柔性编织体；

步骤三、将柔性编织体包裹在金属骨架外；

步骤四、使用热塑性填充体将金属骨架和柔性编织体整体固化成型。

进一步地，加工柔性编织体包括以下步骤：

编织第一凸起以及第一凸起上的第一凹槽和第二凸起；

沿第一凸起和第一凹槽边缘的纤维孔隙内插入金属丝进行控形。

进一步地，将柔性编织体包裹金属骨架外包括以下步骤：

将叶片层第一侧面和叶片层第二侧面沿交接线对折；

将第一凸起穿过减重孔；

将第二凸起和第一凹槽紧密卡接；

纤维丝束穿过叶片层第一侧面和叶片层第二侧面和金属骨架的固定孔以固定金属骨架和柔性编织体；

叶片的前缘部分使用金属包边将金属骨架和柔性编织体封装固定。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

有效提高复合材料风扇叶片的抗冲击性，尤其是提升了复合材料层和金属骨架的连接强度，提升了复合材料风扇叶片的综合性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例抗冲击复合材料风扇叶片的整体示意图；

图2是本实施例柔性编织体包裹的榫根部分示意图；

图3是图2的A部分的放大示意图；

图4是本发明实施例叶片层第一侧面嵌入金属骨架示意图；

图5是本发明实施例叶片层第二侧面嵌入金属骨架示意图；

图6是本发明实施例金属骨架的金属包边结构示意图；

图7是图6的B部分的放大示意图；

图8是本发明实施例金属骨架的固定孔的局部示意图；

图9是本发明实施例抗冲击复合材料风扇叶片的侧视图；

图10是本发明实施例图9的C-C截面的剖视图；

图11是本发明实施例图9的D-D截面的剖视图；

图12是本发明实施例抗冲击复合材料风扇叶片的剖视图；

图13是本发明实施例抗冲击复合材料风扇叶片加工方法的流程图。

附图标记说明：1、金属骨架；2、叶片层第一侧面；3、叶片层第二侧面；4、金属包边；5、柔性编织体；6、第一凸起；7、榫根；8、第一凹槽；9、第二凸起；10、减重孔；11、固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图1所示，柔性编织体5包括叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3。叶片层第一侧面2上包含多个第一凸起6，第一凸起6内部设置有第一凹槽8。叶片层第二侧面3上包含第二凸起9。叶片层第一侧面2的第一凸起6能够与金属骨架1的减重孔10紧密卡接固定，而叶片层第二侧面3的第二凸起9能够穿过减重孔10与叶片层第一侧面2的第一凸起6上设置的第一凹槽8紧密卡接，使得柔性编织体5能够与金属骨架1紧密固定，并最终使得柔性编织体5与金属骨架1能够基于热塑性填充体的渗透、固化而顺利完成一体化固化成型，该结构设计及工艺方法能有效提高复合材料叶片的抗冲击性，尤其是提升了复合材料层和金属骨架1的连接强度，提升了复合材料叶片的综合性能。

在一些实施例中，叶片层第一侧面2可以作为发动机风扇叶片的压力面，而叶片层第二侧面3可以作为叶片相对应的吸力面。在另一些实施例中，叶片层第一侧面2可以作为发动机风扇叶片的吸力面，而叶片层第二侧面3可以作为叶片相对应的压力面。

本实施例中的柔性编织体5为碳纤维。碳纤维为含碳量在90％以上的高强度高模量纤维。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。碳纤维是制造航天航空等高技术器材的优良材料。

在一些实施例中，柔性编织体5为纤维预制体，纤维预制体成型工艺包含三维编织工艺、铺层缝制工艺。碳纤维预制体的制造方式包括一体化三维立体编织而成，也可以采用纤维铺缝而成，最终形成的是一张具有一定厚度的柔性编织体5，其各部分的厚度依据所设计的复合材料风扇叶片叶形决定。

图2为叶片层第一侧面2、叶片层第二侧面3的底部的结构图，图3为图2的A部分的放大图，A部分为金属骨架1的榫根7部分。如图2、图3所示，叶片层第一侧面2、叶片层第二侧面3的底部连接在一起，并包裹金属骨架1的榫根7结构。

图4所示，实际制造过程中，先将叶片层第一侧面2的第二凸起9与金属骨架1的减重孔10紧密卡接在一起，即将柔性编织体5的叶片层第一侧面2嵌入金属骨架1中。金属骨架1的减重孔10处可以采取毛化、喷砂处理以提升骨架表面的粗糙度，也可以采用精密制造的方式形成表面的微结构以提升复合材料部分(柔性编织体5和热塑性填充体)与金属骨架1的结合强度，以提升叶片的抗冲击性能。纤维预制体成型工艺包含三维立体编织工艺、铺层缝制工艺。

经过图4的步骤以后，在将叶片层第一侧面2的第二凸起9结构与金属骨架1的减重孔10紧密卡接的基础上，将叶片层第二侧面3的第一凸起6卡接到叶片层第一侧面2的第二凸起9内部的第一凹槽8中，最终实现柔性编织体5与金属骨架1的紧密结合，此时的状态如图5所示。

图6为叶片层第一侧面2、叶片层第二侧面3的底部的一个实施例，图7为图2的B部分的放大图，B为金属骨架1的金属包边4部分。如图6、图7所示，在完成叶片层第一侧面2、叶片层第二侧面3与金属骨架1相互卡接的基础上在叶片的前缘(即叶片工作时空气流入方向)粘接金属包边4。优选地，金属骨架1和金属包边的材料为钛合金。

在另一些实施例中，金属包边4可在制造金属骨架1的过程中与金属骨架1一体成型。如图8所示，金属包边4与金属骨架1连接在一起而形成一体结构，且叶片金属骨架1上可包含尺寸更小的固定孔11结构，便于在叶片层第一侧面2、金属骨架1和叶片层第二侧面3之间穿过纤维丝束、使柔性编织体5与金属骨架1能够更紧密的结合固定。

如图9、图10、图11所示，本实施例的抗冲击复合材料风扇叶片的剖视面。图10是图9的C-C截面的剖视图，图11是图9的D-D截面的剖视图。C-C截面为包含减重孔10的截面，叶片层第二侧面3的第一凸起6穿过金属骨架1的减重孔10与叶片层第一侧面2的第二凸起9上设置的第一凹槽8紧密卡接在一起。D-D部分为不包含减重孔10的截面，叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3将金属骨架1和金属骨架1的榫根7部分紧密包裹。

金属骨架1和柔性编织体5间不仅通过第一凸起6与减重孔10、第一凹槽8与第二凸起9的卡接，并通过纤维丝束穿透固定孔11并绑扎在金属骨架1上，使得两者能够紧密贴合在一起。而柔性编织体5和金属骨架1所形成的结构在经过热塑性填充体渗透固化后，最终形成一体化叶片结构，且柔性编织体与热塑性填充体一体固化而形成树脂固化层,最终制成包含金属骨架1的抗冲击复合材料叶片。

优选的，纤维为碳纤维，固化使用的热塑性填充体均为环氧树脂。

参考图13，本申请实施例提供一种抗冲击复合材料风扇叶片的制造方法，包括如下步骤：

S1301、加工金属骨架1。

本步骤主要是按照叶片的形状和工艺要求加工出叶片的金属骨架1。具体的，金属骨架1的加工的步骤包括：

S13011、金属骨架1的加工制造。

具体的，金属骨架1上一体成型榫根7和金属包边4，并加工出减重孔10和固定孔11。加工采用的工艺方法包括但不限于：3D打印金属毛坯后再通过机械加工完成最终金属骨架形态、直接机械加工锻件到最终叶片形态、使用石墨电极的电火花成型及电化学表面加工技术、使用车床铣床的切削；

S13012、金属骨架1的表面处理。表面处理通常包括但不限于毛化、喷砂以及加工精密微结构的方法。

S1302、加工柔性编织体5。

S13021、编织第一凸起6以及第一凸起6上的第一凹槽8和第二凸起9。

具体的，柔性编织体5采用碳纤维编织完成，编织时，按照图纸位置，编织出第一凸起6以及第一凸起6上的第一凹槽8和第二凸起9。

S13022、沿第一凸起6和第一凹槽8边缘的纤维孔隙内插入金属丝进行控形。

具体的，在编织完成的在第一凸起6和第一凹槽8处，沿第一凸起6和第一凹槽8边缘的纤维孔隙内插入金属丝进行控形，使得第一凸起6和第一凹槽8具备一定刚性。

所用的金属丝包括但不限于钛合金金属丝。

S1303、将柔性编织体5包裹金属骨架1外。

具体的，柔性编织体5包裹金属骨架1的步骤包括：

S13031、将叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3沿交接线对折。

S13032、将第一凸起6穿过减重孔10。

S13033、将第二凸起9和第一凹槽8紧密卡接。

S13034、纤维丝束穿过叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3和金属骨架1的固定孔11以固定金属骨架1和柔性编织体5。

具体的，纤维丝束穿过固定孔11和柔性编织体5的两个侧面(叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3)，固定住金属骨架1和柔性编织体5，最后使用纤维丝束将叶片层第一侧面2和叶片层第二侧面3的接口绑扎、缝合。

纤维丝束为碳纤维。

S13035、叶片的前缘部分使用金属包边4将金属骨架1和柔性编织体5封装固定。

具体的，叶片的前缘通常需要更加高的强度，此处采用和金属骨架1一体成型的金属包边4将金属骨架1和柔性编织体5整体封装固定。

S1304、使用热塑性填充体将金属骨架1和柔性编织体5整体固化成型。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，包括：

金属骨架（1），设置有减重孔（10）；

柔性编织体（5），柔性编织体（5）包裹在金属骨架（1）的外部，柔性编织体（5）包括叶片层第一侧面（2），叶片层第一侧面（2）设置有第一凸起（6），第一凸起（6）与减重孔（10）卡接固定，柔性编织体（5）还包括叶片层第二侧面（3），叶片层第二侧面（3）设置有第二凸起（9），叶片层第一侧面（2）的第一凸起（6）上设置有第一凹槽（8），第二凸起（9）能够穿过减重孔（10）与第一凹槽（8）卡接固定；

热塑性填充体固化层，所述热塑性填充体固化层为热塑性填充体将叶片层第一侧面（2）、金属骨架（1）和叶片层第二侧面（3）固化的一个整体。

2.根据权利要求1所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，第一凸起（6）与减重孔（10）为间隔设置的多组。

3.根据权利要求1所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，第二凸起（9）与第一凹槽（8）为间隔设置的多组。

4.根据权利要求1所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，金属骨架（1）还包括固定孔（11），固定孔（11）设置在金属骨架（1）上。

5.根据权利要求4所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，所述抗冲击复合材料风扇叶片还包括纤维丝束，所述纤维丝束通过固定孔（11）将柔性编织体（5）和金属骨架（1）固定。

6.根据权利要求1所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，所述抗冲击复合材料风扇叶片还包括金属包边（4），金属包边（4）设置在金属骨架（1）的前缘，柔性编织体（5）和金属骨架（1）通过金属包边（4）包裹固定。

7.一种抗冲击复合材料风扇叶片的加工方法，用于制作权利要求1至6中任一项所述的抗冲击复合材料风扇叶片，其特征在于，所述抗冲击复合材料风扇叶片的加工方法包括如下步骤：

步骤一、加工金属骨架（1）；

步骤二、加工柔性编织体（5）；

步骤三、将柔性编织体（5）包裹在金属骨架（1）外；

步骤四、使用所述热塑性填充体将金属骨架（1）和柔性编织体（5）整体固化成型。

8.根据权利要求7所述的抗冲击复合材料风扇叶片的加工方法，其特征在于，所述加工柔性编织体（5）包括以下步骤：

编织第一凸起（6）以及第一凸起（6）上的第一凹槽（8）和第二凸起（9）；

沿第一凸起（6）和第一凹槽（8）边缘的纤维孔隙内插入金属丝进行控形。

9.根据权利要求7所述的抗冲击复合材料风扇叶片的加工方法，其特征在于，所述将柔性编织体（5）包裹金属骨架（1）外包括以下步骤：

将叶片层第一侧面（2）和叶片层第二侧面（3）沿交接线对折；

将第一凸起（6）穿过减重孔（10）；

将第二凸起（9）和第一凹槽（8）紧密卡接；

纤维丝束穿过叶片层第一侧面（2）和叶片层第二侧面（3）和金属骨架（1）的固定孔（11）以固定金属骨架（1）和柔性编织体（5）；

叶片的前缘部分使用金属包边（4）将金属骨架（1）和柔性编织体（5）封装固定。