具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片制造技術

本發明專利技術涉及一種具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片，其特征在于：包括復合材料基層、金屬包覆層，所述復合材料基層、金屬包覆層一體模壓成型；所述金屬包覆層包覆在所述復合材料基層外部，其包覆的翻邊部位與采用粘接劑粘接并模壓定型。本發明專利技術葉片具有很高的比強度，優異的耐沖擊性能和抗沖蝕能力，并能有效地避免分層及喘振引起的裂紋甚至斷裂；該葉片成型方法集中間復合材料的制備與葉片整體的成形于一體，大幅度減少了制造的成本和時間，其成形精度高、自動化程度高、模具壽命長等優點。

Composite compressor fan blade with integral metal clad layer

The invention relates to a composite material having compressor blades of integral metal coating layer, which comprises a composite material base, metal coating layer, the composite base material, metal coating layer integral moulding; the metal coating layer is coated on the composite base outside, covering parts of flange with the use of adhesive bonding and molding. The present invention leaves with high specific strength, excellent impact resistance and anti erosion ability, and can effectively avoid cracks caused by delamination and surge and even rupture; forming method of the blade set between composites and the whole blade forming in one, greatly reduces the cost and time of manufacture, the the forming of high precision, high degree of automation, long service life of the mould etc..

【技術實現步驟摘要】
具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片
本專利技術涉及一種復合材料壓氣機風扇葉片及其成型方法，尤其涉及一種具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片及其成型方法，屬于復合材料壓氣機風扇葉片

技術介紹
本專利技術涉及的風扇葉片是航空發動機中壓氣機的第一級葉片，壓氣機乃至渦輪發動機的整體性能與風扇葉片的性能密切相關。隨著航空發動機性能的不斷提高，其涵道比也隨之不斷增加，采用更大比強度，更高精度曲面結構，更優異氣動性能的風扇葉片也已經成為大涵道比發動機的發展趨勢。傳統的金屬材料甚至是鈦合金等輕質金屬材料已無法滿足其要求，因此具有良好物理、化學性能的輕質樹脂基復合材料風扇葉片逐漸取而代之。目前，樹脂基復合材料風扇葉片的結構及制造方法主要有以下幾種：(1)先通過模壓工藝制成碳基復合材料葉片，再將其嵌入在加工有凹槽的鈦合金葉根中并通過焊接工藝進行連接。如文獻號為CN203743058U的中國專利文獻所述高性能復合材料燃氣輪機壓氣機葉片的制造方法。(2)先通過三維編織制成一個與葉片形狀相近的型坯，再將其浸漬于一種包含樹脂的固化組合物中，而后固化成型。如文獻號為CN102387908A中國專利文獻所述復合材料制成的渦輪機葉片的制造方法。(3)先編織多跟金屬絲并取點焊接為金屬網即金屬包覆層，再根據葉片形狀按內預浸料鋪層、金屬包覆層、外預浸料鋪層的順序放置于壓制模具中，加熱加壓后固化成型。如文獻號為CN103628923A中國專利文獻所述含金屬包覆層的復合材料葉片的制造方法。第(1)種方法缺點較多，尤其是葉身與葉根的連接強度嚴重不夠且通過模壓工藝制成的葉身存在嚴重的分層缺陷。第(2)種方法的缺點是復雜形狀的三維編織難度極大，且尺寸精度很難保證。第(3)種方法的缺點是葉片內部界面過多，外層預浸料及金屬包覆層極易剝落而引起葉片失效。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種由碳纖維復合材料制成的具有整體式金屬包覆層的新型壓氣機風扇葉片，該葉片具有很高的比強度，優異的耐沖擊性能和抗沖蝕能力，并能有效地避免分層及喘振引起的裂紋甚至斷裂。同時，本專利技術還提供一種一體化成形壓氣機葉片葉身與葉榫的方法，該方法集中間復合材料的制備與葉片整體的成形于一體，大幅度減少了制造的成本和時間，其成形精度高、自動化程度高、模具壽命長等優點。本專利技術采取以下技術方案：一種具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片，包括復合材料基層、金屬包覆層，所述復合材料基層、金屬包覆層一體模壓成型；所述金屬包覆層包覆在所述復合材料基層外部，其包覆的翻邊部位與采用粘接劑粘接并模壓定型。進一步的，所述復合材料基層是碳纖維基符合材料基層2；所述粘接劑是環氧樹脂膠1；所述金屬包覆層是鈦合金蒙皮3。一種上述具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、選取兩塊金屬面板，分別成形至葉片吸力面及壓力面所呈曲面形狀；S2、將兩塊金屬面板裁制為特定大小后，依次進行除油、酸洗和陽極氧化或噴砂處理；S3、將吸力面蒙皮、復合材料預浸料、壓力面蒙皮按照由下而上的順序鋪設于下模指定位置；S4、下模加熱至特定溫度后保溫一定時間；S5、上模下行，壓邊裝置首先壓住下蒙皮的預留包邊部位，隨后上模接觸上蒙皮并按照一定的加壓曲線加壓至成型壓力，保溫保壓一定時間；S6、自加熱裝置停止加熱，同時向模具中通入冷卻水，快速降溫至室溫，隨后卸壓，開啟模具；S7、在下蒙皮預留包邊部位涂覆環氧樹脂膠，并彎曲至與上蒙皮貼合；S8、上模繼續下行施加一定壓力，保壓至膠固化后開啟模具，取出葉片；S9、清理模壓過程中溢出的少量樹脂，并在葉身部位涂覆聚氨酯涂料，干燥。進一步的，步驟S1中，上下蒙皮為厚度為0.3mm的鈦合金板，其預成形采用模壓成形、漸進成形、拋丸成形三種方法。進一步的，步驟S2中，采用陽極氧化工藝處理鈦板。進一步的，步驟S3中，采用插層鋪放法能有效得出葉片各部位預浸料鋪層數量及位置。進一步的，步驟S3中，所述復合材料預浸料為熱塑性預浸料時，采用激光焊接方法使每層預浸料定位；所述復合材料預浸料為熱固性樹脂時，則依靠自身的粘度使每層預浸料定位。進一步的，步驟S5中，起壓邊與定位作用的壓邊裝置先于上模型面接觸葉片并壓住預留包邊部位。進一步的，步驟S6中，采用持續冷卻水方法進行快速降溫。進一步的，步驟S8中，環氧樹脂膠固化的壓力由壓制模具提供。金屬蒙皮通常采用鈦合金材料，其厚度選取0.3mm，夾層材料采用碳纖維增強的樹脂預浸料，通常分為熱固性如碳纖維增強環氧樹脂預浸料和熱塑性如碳纖維增強聚醚醚銅預浸料兩大類，厚度一般為0.1mm-0.5mm。為了增強金屬蒙皮與夾層復合材料的粘接強度，需分別對金屬蒙皮和纖維增強預浸料進行表面處理，預浸料只需簡單的除油和酸洗去除表面污染物即可，而金屬蒙皮除此之外還需進行陽極氧化或噴砂處理，這樣做既可以增加金屬蒙皮的粗糙度以提高其與復合材料的機械粘接強度，還可以增加金屬蒙皮粘接面的活性以提高其與復合材料的化學粘接強度。葉片金屬上下蒙皮的預成形主要有三種方法，即模壓成形、漸進成形和拋丸成形，其中后兩種方法不僅降低了模具制造帶來的巨大成本，還依靠壓頭或彈丸的壓應力實現疲勞斷裂抗力的提高，從而提高材料的疲勞壽命。樹脂基預浸料的鋪層方法可以是單向或正交鋪放。由于葉片在各處的厚度不一，因此所需預浸料鋪層數均不同，通常采用插層鋪放法將各層逐一鋪放到位。各預浸料鋪層的定位方法根據預浸料種類的不同而有所差異，針對熱固性樹脂基預浸料如碳纖維增強環氧樹脂預浸料，通常根據其自身粘度保持其定位，并輔以吸膠工藝排出內部混雜的氣體及易揮發物，而熱塑性樹脂基預浸料如碳纖維增強聚醚醚銅預浸料的定位需要通過激光焊接得以實現。本專利技術的有益效果在于：1)集葉片的成形與夾層樹脂基復合材料的成型于一體完成，因此模壓過程的溫度基本與夾層中樹脂的加工溫度保持一致，模壓前的保溫過程有助于保證蒙皮金屬與預浸料各鋪層的溫度均勻一致。熱固性預浸料的固化溫度根據高分子鏈交聯固化的程度而定，而熱塑性預浸料的固化溫度根據所含樹脂的結晶溫度而定。采用通冷卻水的快速冷卻方法，既可以大幅度降低冷卻時間從而降低生產周期，同時可以一定成上提高復材的強度及與金屬蒙皮間的粘接性能。2)葉片具有很高的比強度，優異的耐沖擊性能和抗沖蝕能力，并能有效地避免分層及喘振引起的裂紋甚至斷裂。3)葉片成型方法集中間復合材料的制備與葉片整體的成形于一體，大幅度減少了制造的成本和時間，其成形精度高、自動化程度高、模具壽命長等優點。附圖說明圖1是本專利技術具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片橫截面的示意圖。圖2是本專利技術具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片縱截面的示意圖。圖3是葉片預浸料鋪放規劃示意圖。圖4是開模狀態下上模結構示意圖。圖5合模狀態下模具結構示意圖。圖中，1.環氧樹脂膠，2.碳纖維基符合材料，3.鈦合金蒙皮，11.彈性橡膠，12.內六角螺栓，13.上模墊板，14.上模固定板，15.上模，16.壓邊裝置，17.下模。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進一步說明。實施例1：第一步，在dynaform中計算出葉片模型的展開毛坯尺寸及形狀，適當增加余量后據此裁剪出相應的兩塊TA2板材，分別放入具有葉片上下本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片，其特征在于：包括復合材料基層、金屬包覆層，所述復合材料基層、金屬包覆層一體模壓成型；所述金屬包覆層包覆在所述復合材料基層外部，其包覆的翻邊部位與采用粘接劑粘接并模壓定型。

【技術特征摘要】
1.一種具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片，其特征在于：包括復合材料基層、金屬包覆層，所述復合材料基層、金屬包覆層一體模壓成型；所述金屬包覆層包覆在所述復合材料基層外部，其包覆的翻邊部位與采用粘接劑粘接并模壓定型。2.如權利要求1所述的具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片，其特征在于：所述復合材料基層是碳纖維基符合材料基層(2)；所述粘接劑是環氧樹脂膠(1)；所述金屬包覆層是鈦合金蒙皮(3)。3.一種如權利要求1所述的具有整體式金屬包覆層的復合材料壓氣機風扇葉片的成型方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、選取兩塊金屬面板，分別成形至葉片吸力面及壓力面所呈曲面形狀；S2、將兩塊金屬面板裁制為特定大小后，依次進行除油、酸洗和陽極氧化或噴砂處理；S3、將吸力面蒙皮、復合材料預浸料、壓力面蒙皮按照由下而上的順序鋪設于下模指定位置；S4、下模加熱至特定溫度后保溫一定時間；S5、上模下行，壓邊裝置首先壓住下蒙皮的預留包邊部位，隨后上模接觸上蒙皮并按照一定的加壓曲線加壓至成型壓力，保溫保壓一定時間；S6、自加熱裝置停止加熱，同時向模具中通入冷卻水，快速降溫至室溫，隨后卸壓，開啟模具；S7、在下蒙皮預...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬文亮，潘蕾，王一凡，呂云飛，陶杰，郭訓忠，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32