1.本发明涉及
复合材料和航空航天技术领域，特别涉及一种航空发动机复合材料风扇叶片。
背景技术：
2.21世纪以来，世界各国都在大力发展大涵道比涡扇发动机，它是军用和民用大型飞机广泛使用的发动机，具有大推力、低油耗和低噪声等优点。为了达到发动机的高推重比、低油耗率、低噪声、低维修成本的需要，世界各主要发动机厂商都在大力推广复合材料在大涵道比涡扇发动机上的使用，原因在于复合材料具有金属材料无法比拟的低密度、高比强度和高比刚度。特别是树脂基碳纤维复合材料，由于采用层层铺设计具有重量轻、易于设计优化等特点被广泛应用于以减重为需要的航空领域。
3.传统碳纤维复合材料虽然具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好、力学性能可设计等优点，但其叠层制造的特点使层合复合材料结构存在层间强度低、冲击阻抗和韧性低、易分层等难以回避的缺点，限制了其在主承力结构上的应用。现阶段复合材料大涵道比风扇叶片为碳纤维实心结构，由多层 im7/8551-7的碳纤维/增韧环氧预浸料制成, 其外形从叶根至叶尖逐渐减薄，并采用热压罐成型工艺制备复合材料风扇叶片。此类工艺制备的叶片主要代表有美国ge公司的ge90、genx发动机复合材料风扇叶片及罗-罗公司和中航复材公司正在开发的cj-1000ax复合材料风扇叶片，均存在以上问题。
技术实现要素：
4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种航空发动机复合材料风扇叶片及其制备方法，解决现有层铺复合材料风扇叶片层间性能及耐冲击性能不足的问题，以达到高强、高模、高效、高精度的碳纤维复合材料风扇叶片制备和应用的目的。
5.本发明的目的是这样实现的：一种航空发动机复合材料风扇叶片，其特征在于，包括复材芯层和包裹层，所述复材芯层周沿缝合有改性芳纶纤维缝合线，所述包裹层由编织层与树脂经rtm工艺制成。
6.一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，包括以下步骤：步骤1）芯层预制体制作，按照设计铺层要求，在模具型腔内铺放叶片芯层预浸料，铺贴结束后抽真空预压实；步骤2）预制体z向深层缝合，使用缝合线将复合材料叶片芯层预制体周向边缘进行z向深层缝合交连；步骤3）预制体预固化，将步骤2）得到的预制体送入热压罐固化；步骤4）预制体三维编织，对步骤3）固化后的预制体进行三维编制；步骤5）预制体rtm成型，将步骤4）编制后的预制体送入rtm成型模具中，经rtm注射形成有机的整体。
7.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步
骤1）铺贴时，借助激光投影定位仪系统，对预浸料裁片轮廓边界进行精确定位，以此为依据铺放预浸料，每铺放3层至6层时需要抽真空预压实。
8.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步骤2）预制体z向深层缝合具体包括：2-1）缝合线准备：缝合线材料选择芳纶纤维，并采用常压等离子体处理技术对芳纶纤维表面处理，得到改性芳纶纤维缝合线；2-2）缝合托板准备：缝合托板采用eva泡沫，按照数模加工出配合芯层预制体形状的缝合托板；2-3）自能z向深层缝合：使用改性芳纶纤维缝合线结合缝合技术将叶片芯层预制体的周向边缘进行缝合交连，具体为z向贯穿。
9.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步骤3）预制体预固化参数为：压力0.6mpa
±
0.05 mpa，温度以不高于1.5℃/min的升温速率升至130
±
5℃，在此条件下保温1h～1.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至45℃以下。
10.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步骤4）中选用t800级碳纤维为编织材料，以叶片芯层预制体根部为编织起始点，按照切面形状和面积引出纤维，依据叶片轮廓曲率变化，完成叶片预制体的整体编织。
11.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步骤5）预制体在进入成型模具前需要进行预定型。
12.作为本发明所述一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法的优选技术方案，步骤5）预制体rtm成型具体包括：5-1）清理模具，检查模具的注胶口和出胶口是否通畅，使用脱脂纱布蘸丙酮擦拭模具表面数遍至无异色，晾干后，均匀涂脱模剂；5-2）在非工作面模具的密封槽内安装密封条，要求密封条接口必须为斜角切边且缝接良好，密封条的接口不能位于模具的同一侧；5-3）将预定型体非工作面朝下放入到模具中，可按模具型面对预定型体进行适当修剪；5-4）合模；5-5）模具抽真空和预热：对rtm模具进行加热，并对模具进行抽真空，在整个注胶过程中模具始终保持在设定温度范围内，保温至注胶结束；5-6）配置rtm树脂：按照a:b =101:125比例分别称取树脂a、b，其中树脂a为环氧树脂，树脂b为氨类树脂，树脂a使用前须要在60℃
±
5℃的条件下，保温放置1h～2h，再将b组分倒入a组分中搅拌均匀；5-7）树脂脱泡：打开注胶罐的真空阀，对树脂进行脱气处理；5-8）rtm注射：开启树脂流速控制阀，根据树脂流量情况，直至出胶，出胶口出胶后，根据树脂流量以及气泡情况，出胶罐中出胶量到达限位后，抽真空自动停止，关闭出胶阀门开始憋胶将注胶压力调至设定值；如果出胶罐中出胶量达到限位之前，树脂注入量超过预设值，且模具出胶口处无气泡，可以结束注胶；5-9）固化：将模具升温至预设温度、保温，以相同升温速率继续升温至设定温度、保温，模具随炉降温至设定温度以下，方可开模。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：首先，本发明依据复合材料破坏机理与强度分析的方法，结合z向深层缝合与三维编织技术制得一种新型结构的预制体，同时采用rtm成型工艺制备复合材料风扇叶片（冷端第一级），此结构可充分发挥各层次功能，具有更高的比强度、比模量和高抵抗分层能力和耐冲击性；其次，本发明创新提出多层次、多种织物相结合的结构形式制作三维预制体；其中，中间芯层为高韧性预浸单向纤维层，外层设计为碳纤维编织套形式，其功能可以更好地吸能，从而提高预制体的抗冲击性能；在预制体z轴方向采用芳纶纤维缝合线，对预制体进行z向深层缝合，可极大地提升预制体层间性能；同时为了提高芳纶纤维与基体之间结合强度，采用等离子处理技术对芳纶纤维表面处理，改善芳纶纤维和环氧树脂基体间界面剪切强度；另外，涡扇发动机风扇叶片双曲面、大扭转、变截面的结构形式极为复杂，采用常规的热压罐成型技术无法充分保证成型后零件的尺寸精度，而rtm技术（可等效为液体模压技术）可统称为复合材料闭模成型技术，此技术可实现零件高精度成型, 同时零件的质量一致性好的特点刚好能够满足涡扇发动机对风扇叶片极高的质量要求。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
15.图1为本发明工艺流程图。
16.图2为本发明芯层铺贴后得到的结构示意图。
17.图3为本发明缝合截面示意图。
18.图4为图3中局部放大图。
19.图5为本发明缝合线表面实物示意图。
20.图6为本发明三维编织层缠绕示意图。
21.图7为本发明预定型后的实物示意图。
22.图8为本发明制得的叶片示意图。
23.其中，100芯层，200缝合线，300三维编织层。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.如图8所示的一种航空发动机复合材料风扇叶片，包括复材芯层100和包裹层，复材芯层100周沿缝合有改性芳纶纤维，包裹层由编织层与树脂经rtm工艺制成。
26.如图1所示的一种航空发动机复合材料风扇叶片的制备方法，
步骤1）预浸料制备；通过热熔预浸料工艺制备的tg800hp200/e1806缎纹碳布预浸料和tg800h/e1806单向碳布预浸料，粘性适中，树脂含量波动可控制在
±
2%范围内。
27.步骤2）预浸料下料；风扇叶片外形是一种双曲面、大扭转、变截面的结构，首先要利用catia软件将空间曲面展开成平面形状，根据结构铺层方案，绘制风扇叶片铺层裁片图，预浸料的下料方向在排版时必须按照设计要求的角度核对无误后下料，下料采用数控自动下料机进行下料，下料尺寸公差可以控制在0.2mm以内。
28.步骤3）芯层100铺层；按照设计铺层要求，在模具型腔内铺放叶片芯层100铺层，为了保证预浸料在铺覆过程中，铺层角度和位置的准确性，借助激光投影定位仪系统，对预浸料裁片轮廓边界进行精确定位，以此为依据铺放预浸料，每铺放3层至6层时需要抽真空预压实，可减少布层之间的空气，使得布层贴合的更好，不易滑移，得到的预制体如图2所示。
29.步骤4）芯层100预制体z向深层缝合，如图3-5所示；2-1）缝合线200准备：缝合线200材料选择芳纶纤维，并采用常压等离子体处理技术对芳纶纤维表面处理，以改善芳纶纤维和环氧树脂基体间界面结合性能；2-2）缝合托板准备：缝合托板采用eva泡沫，按照数模加工出大曲率、变厚度叶片预制体的随形缝合托板；2-3）自能z向深层缝合：使用改性芳纶纤维结合缝合技术将复合材料叶片芯层100预制体周沿进行z向缝合交连（缝合区距离周边50mm左右），增强了层间的韧性，缝合增强了复合材料z向性能，使复合材料具有更好的层间韧性和冲击损伤容限，且不破坏叶片中部的性能。
30.步骤5）预固化；压力：0.6mpa
±
0.05 mpa；模具温度以不高于1.5℃/min的升温速率升至（130
±
5）℃，在此条件下保温1h～1.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至45℃以下。
31.步骤6）三维编织层300制作；将步骤5）预固化后的预制体送入三维编织机进行三维编织，如图6所示，选用t800级碳纤维为编织材料，以风扇叶片芯层100预制体根部为编织起始点，按照切面形状和面积引出纤维，依据叶片轮廓曲率变化，完成叶片预制体的整体编织，芯层100外部整包5层三维编制体。
32.步骤7）三维大曲率预制体预定型；将编织后的预制体放入专用预定模具中进行预固化定型处理，得到的预制体如图7所示，进一步提高三维编制体的尺寸精度和质量稳定性，避免了预制体在rtm模压系统中的压边现象，提高了预制体尺寸一致性。
33.步骤8）rtm成型，将完成工步7）后，将桨叶预制体取出，再安装到rtm成型模具中，经rtm注射形成有机的整体，如图8所示，具体包括：8-1）清理模具：检查模具的注胶口和出胶口是否通畅。使用脱脂纱布蘸丙酮擦拭模具表面数遍至无异色，晾干15min～20min后，均匀涂3遍700nc脱模剂，每遍间隔10min～15min ，最后一遍晾干时间须大于20min以上；
8-2）在非工作面模具的密封槽内安装2套φ6mm的密封条，要求2套密封条接口必须为斜角切边且缝接良好，2条密封条的接口不能位于模具的同一侧，以防密封不严真空泄露；8-3）将预定型体非工作面朝下放入到模具中，可按模具型面对预定型体进行适当修剪；8-4）合模：要求模具合模间隙≤0.05mm；8-5）模具抽真空和预热：对rtm模具进行加热，设定温度为60℃，并对模具进行抽真空，真空度要求-0.095mpa～-0.1mpa，在整个注胶过程中模具始终保持在60℃
±
5℃状态下，保温至注胶结束；8-6）配置rtm树脂：配置rtm树脂：按照a:b =101:125比例分别称取树脂a、b，其中树脂a为环氧树脂，树脂b为氨类树脂，树脂a使用前须要在60℃
±
5℃的条件下，保温放置1h～2h，再将b组分倒入a组分中搅拌均匀，搅拌时长10min～15min；8-7）树脂脱泡：打开注胶罐的真空阀，对树脂进行脱气处理。时间约20～25min；8-8）rtm注射：开启树脂流速控制阀，树脂流速控制在20～30g/min（允许在0～40g/min之间波动），根据树脂流量情况，注射压力可以在0～0.3mpa范围内适当调整，直至出胶。出胶口出胶后，根据树脂流量以及气泡情况，注射压力可以在0.02～0.4mpa范围内适当调整。出胶罐中出胶量到达限位后，抽真空自动停止。关闭出胶阀门开始憋胶将注胶压力调至0.5mpa，憋胶10min～15min；如果出胶罐中出胶量达到限位之前，树脂注入量超过4000g（参考），且模具出胶口处无气泡。可以结束注胶；8-9）固化：以不大于1.5℃/min升温速率将模具升温至1250℃
±
5℃，保温60min～70min，以相同升温速率继续升温，将模具温度至180℃
±
5℃，保温180min
±
10min，模具随炉降温至50℃以下，方可开模，得到航空发动机复合材料风扇叶片。
34.本发明创新提出多层次、多种织物相结合的结构形式制作风扇叶片。其中，中间芯层为高韧性预浸单向碳布纤维层，保证了叶片刚强度;外层设计为碳纤维编织套形式，其功能可以更好地吸能，从而提高叶片的抗冲击性能;在风扇叶片预制体z 轴方向采用芳纶纤维缝合线，对预制体进行深层缝合，可极大地提升预制体层间性能;可进一步提升叶片的抗冲击性能;此结构可充分发挥备层次功能，具有更高的比强度、比模量和高抵抗分层能力和耐冲击性。同时采用 rtm 成型工艺，可实现风扇叶片高精度成型。
35.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。技术特征：
1.一种航空发动机复合材料风扇叶片，其特征在于，包括复材芯层和包裹层，所述复材芯层周沿缝合有改性芳纶纤维缝合线，所述包裹层由编织层与树脂经rtm工艺制成。2.一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1）芯层预制体制作，按照设计铺层要求，在模具型腔内铺放叶片芯层预浸料，铺贴结束后抽真空预压实；步骤2）预制体z向深层缝合，使用缝合线将复合材料叶片芯层预制体周向边缘进行z向深层缝合交连；步骤3）预制体预固化，将步骤2）得到的预制体送入热压罐固化；步骤4）预制体三维编织，对步骤3）固化后的预制体进行三维编制；步骤5）预制体rtm成型，将步骤4）编制后的预制体送入rtm成型模具中，经rtm注射形成有机的整体。3.根据权利要求2所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤1）铺贴时，借助激光投影定位仪系统，对预浸料裁片轮廓边界进行精确定位，以此为依据铺放预浸料，每铺放3层至6层时需要抽真空预压实。4.根据权利要求2或3所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤2）预制体z向深层缝合具体包括：2-1）缝合线准备：缝合线材料选择芳纶纤维，并采用常压等离子体处理技术对芳纶纤维表面处理，得到改性芳纶纤维缝合线；2-2）缝合托板准备：缝合托板采用eva泡沫，按照数模加工出配合芯层预制体形状的缝合托板；2-3）自能z向深层缝合：使用改性芳纶纤维缝合线结合缝合技术将叶片芯层预制体的周向边缘进行缝合交连，具体为z向贯穿。5.根据权利要求2或3所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤3）预制体预固化参数为：压力0.6mpa
±
0.05 mpa，温度以不高于1.5℃/min的升温速率升至130
±
5℃，在此条件下保温1h～1.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至45℃以下。6.根据权利要求2或3所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤4）中选用t800级碳纤维为编织材料，以叶片芯层预制体根部为编织起始点，按照切面形状和面积引出纤维，依据叶片轮廓曲率变化，完成叶片预制体的整体编织。7.根据权利要求2或3所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤5）预制体在进入成型模具前需要进行预定型。8.根据权利要求7所述的一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，其特征在于，步骤5）预制体rtm成型具体包括：5-1）清理模具，检查模具的注胶口和出胶口是否通畅，使用脱脂纱布蘸丙酮擦拭模具表面数遍至无异色，晾干后，均匀涂脱模剂；5-2）在非工作面模具的密封槽内安装密封条，要求密封条接口必须为斜角切边且缝接良好，密封条的接口不能位于模具的同一侧；5-3）将预定型体非工作面朝下放入到模具中，可按模具型面对预定型体进行适当修剪；
5-4）合模；5-5）模具抽真空和预热：对rtm模具进行加热，并对模具进行抽真空，在整个注胶过程中模具始终保持在设定温度范围内，保温至注胶结束；5-6）配置rtm树脂：按照a:b =101:125比例分别称取树脂a、b，其中树脂a为环氧树脂，树脂b为氨类树脂，树脂a使用前须要在60℃
±
5℃的条件下，保温放置1h～2h，再将b组分倒入a组分中搅拌均匀；5-7）树脂脱泡：打开注胶罐的真空阀，对树脂进行脱气处理；5-8）rtm注射：开启树脂流速控制阀，根据树脂流量情况，直至出胶，出胶口出胶后，根据树脂流量以及气泡情况，出胶罐中出胶量到达限位后，抽真空自动停止，关闭出胶阀门开始憋胶将注胶压力调至设定值；如果出胶罐中出胶量达到限位之前，树脂注入量超过预设值，且模具出胶口处无气泡，可以结束注胶；5-9）固化：将模具升温至预设温度、保温，以相同升温速率继续升温至设定温度、保温，模具随炉降温至设定温度以下，方可开模。
技术总结
本发明设计复合材料加工技术领域，公开了一种航空发动机复合材料风扇叶片制备方法，包括以下步骤：1）芯层预制体制作，按照设计铺层要求，在模具型腔内铺放叶片芯层预浸料，铺贴结束后抽真空预压实；2）预制体Z向深层缝合，使用缝合线将复合材料叶片芯层预制体周向边缘进行Z向深层缝合交连；3）预制体预固化，将2）得到的预制体送入热压罐固化；4）预制体三维编织，对3）固化后的预制体进行三维编制；5）预制体RTM成型，将4）编制后的预制体送入RTM成型模具中，经RTM注射形成有机的整体，本发明解决了现有层铺复合材料风扇叶片层间性能及耐冲击性能不足的问题，得到高强、高模、高效、高精度的碳纤维复合材料风扇叶片。的碳纤维复合材料风扇叶片。的碳纤维复合材料风扇叶片。
技术研发人员：雷向东 张璐璐 周勇权 孙淑璐
受保护的技术使用者：扬州平航航空动力技术有限公司
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/4/28
声明：
“航空发动机复合材料风扇叶片及其制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
397
编辑：中冶有色技术网
来源：扬州平航航空动力技术有限公司
分享 0
举报 0
收藏 0
反对 0
点赞 0
中冶有色技术平台
2024年05月17日 ~ 19日 
换一批
