航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架成型工藝探索

邢 月，胡德艷

(天津波音復(fù)合材料有限責(zé)任公司，天津 300451)

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架的原材料選擇

1.1 碳纖維材料

碳纖維已經(jīng)成為當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架中最常見(jiàn)的原材料，其具有良好的延展性，可大幅提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。碳纖維材料配置過(guò)程中，要把碳纖維材料按照一定的規(guī)律和作用形式編織，通過(guò)碳纖維材料、膠液和底物的融合，使該系統(tǒng)可以成型[1]。采用的編織方法是三維五向編織工藝，逐步加紗和分段編織，將原有的方形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成圓形結(jié)構(gòu)，讓這一區(qū)域形成支架中的圓管體系，在該部分中加入預(yù)埋件，成型之后將預(yù)埋件取出即可。

1.2 膠液材料

選用的成型技術(shù)方案是RTM工藝。其優(yōu)勢(shì)是經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)制件的擠壓和處理，可以去除該系統(tǒng)中的空隙，從而大幅提高該系統(tǒng)的質(zhì)量。膠液材料主要為樹脂材料，材料的黏度、經(jīng)過(guò)處理之后的性能參數(shù)、抗震能力都要能夠承受發(fā)動(dòng)機(jī)大推重比狀態(tài)下的力學(xué)指標(biāo)。之后通過(guò)對(duì)參數(shù)的詳細(xì)分析，合理搭配碳纖維材料、系統(tǒng)的底物、復(fù)合材料中的膠液，以提高整個(gè)系統(tǒng)的水平。

1.3 底物材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的復(fù)合材料支架就運(yùn)行參數(shù)來(lái)看，能夠承受的力為2 000 N/個(gè)，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程不可損壞零件，以最大限度確保該系統(tǒng)的精度。選擇的底物材料要詳細(xì)分析各個(gè)層級(jí)中加入的材料、各類材料的承力參數(shù)等，要求所有參數(shù)都要處于安全的承力范圍內(nèi)。要分析成型加工過(guò)程中底物材料的質(zhì)量是否下降，以生產(chǎn)出符合承力指標(biāo)的支架。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架的成型工藝

2.1 工藝方法的確定

工藝方法的確定要從支架參數(shù)、作用難點(diǎn)、支架的處理等多個(gè)角度切入。選擇不合適的加工工藝會(huì)使支架結(jié)構(gòu)存在安全隱患，難以提高支架的制作水平。考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架上有孔洞，同時(shí)該支架對(duì)于承力性能的要求較高，一些特性的成型工藝無(wú)法使用到支架的生產(chǎn)制作過(guò)程中，需要采用符合材料生產(chǎn)要求的加工方法。其中，原材料的鋪層熱壓技術(shù)由于難以控制支架的表層完整度，或生成的支架材料對(duì)于膠液的處理水平無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，故而該方法不可用。本研究選用的方法是RTM加工工藝，工藝流程是預(yù)制件的制作-裝模-膠液配置-注膠-升溫固化-脫模-檢驗(yàn)。其中在支架的圓孔區(qū)域制作過(guò)程中，采用的方法是在該處加入預(yù)埋件，完成后續(xù)所有加工工藝之后去除即可。

2.2 工藝設(shè)備的確定

選用的工藝設(shè)備必須能夠滿足所有零件的制作，并按照各個(gè)零件的制作難點(diǎn)選擇最佳的設(shè)備，確保制作出的支架各項(xiàng)參數(shù)符合要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架生產(chǎn)中的一個(gè)難點(diǎn)是碳纖維層的制作，該層零件的制作工藝是三維五向編織法，所以在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中要選擇專業(yè)的材料編織設(shè)備[2]。本研究選擇的是三菱公司的TR305設(shè)備，其在使用過(guò)程可以根據(jù)設(shè)定的程序和專業(yè)工作人員的控制管理，完成所有碳纖維材料的編織工作，使該技術(shù)得以發(fā)揮應(yīng)有的作用。零件制作完成后，要按照RTM工藝在設(shè)備中固定復(fù)合材料底物，并在適當(dāng)溫度環(huán)境下加入膠液，經(jīng)過(guò)升溫處理后讓膠液凝固，從而制作出符合承力條件要求的復(fù)合材料支架。

2.3 相關(guān)材料的制作

材料制作的最核心技術(shù)是各類零件的生產(chǎn)，尤其是復(fù)合材料中的炭纖維束。要完全按照專業(yè)的技術(shù)手段完成生產(chǎn)。制作方法是首先把纖維束伸直，并且要按照一定的角度將其多次重復(fù)交叉編織，目的是提高碳纖維層的緊密度，防止存在的空隙過(guò)多降低支架的生產(chǎn)質(zhì)量。其次要關(guān)注RTM技術(shù)體系下的裝模過(guò)程。該項(xiàng)工作要分析模具的定位精度、鎖緊參數(shù)等，確保工作系統(tǒng)和作業(yè)形式可以提高整個(gè)預(yù)制件的作用水平，進(jìn)一步降低支架零件制作中產(chǎn)生的空隙量。最后是復(fù)合材料制作中的膠液黏度控制。要嚴(yán)格確保膠液的使用水平符合要求，讓纖維層處于被完全浸漬的情況，才可提高支架結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

2.4 支架設(shè)備的制作

支架設(shè)備的制作是指在經(jīng)過(guò)了脫模及預(yù)制件鉆孔之后，要進(jìn)一步調(diào)整該支架的相關(guān)參數(shù)，要求完全按照支架的設(shè)計(jì)指標(biāo)和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)尺寸測(cè)量、承力性能測(cè)試等多項(xiàng)工作，分析最終生產(chǎn)出的支架是否可以應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。另外，要分析零件設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如支架結(jié)構(gòu)中的小尺寸凹陷、外圍區(qū)域的毛邊等都會(huì)導(dǎo)致支架的使用壽命下降。要按照這類缺陷對(duì)支架的實(shí)際影響分析其是否可用，通過(guò)驗(yàn)收后才是完成了支架結(jié)構(gòu)的整個(gè)制作任務(wù)[3]。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架成型工藝的質(zhì)量測(cè)試

3.1 試驗(yàn)材料的確定

試驗(yàn)材料有兩個(gè)，一個(gè)是復(fù)合材料生產(chǎn)中所需要使用的各類零件，另一個(gè)是復(fù)合材料最終的生產(chǎn)成品。在使用過(guò)程中，要詳細(xì)分析該系統(tǒng)的作業(yè)水平和作用效率，才可確保該系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法的制定

實(shí)驗(yàn)方法的確定要按照當(dāng)前拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度以及彈性模量的試驗(yàn)手段完成，同時(shí)研究不同環(huán)境參數(shù)作用下的零件測(cè)試結(jié)果。與GB/T1447-2005和T1449-2005中的各項(xiàng)指標(biāo)比較，分析該生產(chǎn)零件是否可用。檢測(cè)結(jié)果表明，常溫狀態(tài)下，T300材料的拉伸強(qiáng)度平均值為559.0 MPa，彎曲強(qiáng)度平均值為630.4 MPa，TR305材料的檢測(cè)數(shù)值分別為706.4 MPa和704.6 MPa。150℃環(huán)境下，TR300材料的拉伸強(qiáng)度平均值為363.8 MPa，彎曲強(qiáng)度為70.4 MPa，TR305材料的參數(shù)分別為600.4 MPa和113.2 MPa。兩類材料的沖擊強(qiáng)度分別為122 MPa和147.2 MPa，彈性模量分別為70.3 GPa和76.3 GPa。理論上兩種材料都可以應(yīng)用于支架的制作，考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料支架要具備極高的強(qiáng)度，且運(yùn)行環(huán)境通常較為惡劣，所以TR305材料成為更好的選擇。

3.3 支架性能分析

支架的參數(shù)分析要按照相應(yīng)的技術(shù)手段和設(shè)備手段完成測(cè)試工作。在抗壓試驗(yàn)中，要按照支架的實(shí)際工作狀態(tài)找準(zhǔn)承壓點(diǎn)和運(yùn)行角度，將支架的下部固定，在上端面試壓，獲得測(cè)試結(jié)果之后讀取響應(yīng)的工作參數(shù)，以提高該系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。對(duì)于零件的剪切實(shí)驗(yàn)，要在支架正常運(yùn)行中需要擰入螺栓的位置上加入適配的螺栓，在這一端上施加壓力，同時(shí)向支架施壓，通過(guò)支架的本身結(jié)構(gòu)和外形特征，計(jì)算支架薄弱點(diǎn)位置的剪切應(yīng)力，分析該支架可否穩(wěn)定安全運(yùn)行。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果的獲取

試驗(yàn)過(guò)程包括外觀觀察試驗(yàn)和設(shè)備模擬試驗(yàn)兩種。前者通過(guò)觀察的方式分析零件的外觀是否飽滿光潔，并分析是否存在貧膠、無(wú)富膠等問(wèn)題，分析支架上是否存在裂紋等缺陷，確定無(wú)該問(wèn)題時(shí)，才可把測(cè)試結(jié)果和鈦合金零件參數(shù)對(duì)比。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，在150℃時(shí)，零件的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)可以保證零件的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)和鈦合金的比較，發(fā)現(xiàn)在同等承力條件下，復(fù)合材料支架的重量更低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)于零件的制作、膠液的加入等，在適當(dāng)環(huán)境下成型加工，可以制作出符合精度需求的零件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該支架的力學(xué)參數(shù)符合發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的各項(xiàng)力學(xué)要求，且自身重量更低，在航空工業(yè)中可大規(guī)模應(yīng)用。