CN110439630B - 一种变厚度复合材料静子叶片及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变厚度复合材料静子叶片及其成型方法，特别是涉及变厚度静子叶片整体成型技术，属于先进复合材料技术领域。该叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，三者为同一复合材料且一体成型，所述叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护。成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，模块之间设计为锥形导向限位配合面。结合提取的叶身中性面和净体积填充方法，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴预浸料块层的边线轮廓。叶片采用连续纤维织物预浸料在4瓣成型模具上实现预制体制作，再将金属预埋套嵌在相应位置，利用热压工艺实现预埋件与叶片本体的共固化制备。该成型方法保证静子叶片既能满足结构强度刚度要求，同时满足其气动外形的型面精度要求。

Description

一种变厚度复合材料静子叶片及其成型方法
技术领域
本发明涉及一种变厚度复合材料静子叶片及其成型方法，特别是涉及变厚度静子叶片整体成型技术，属于先进复合材料技术领域。
背景技术
树脂基复合材料由于具有良好的比强度和比模量等性能，成为航空发动机冷端零部件的研究热门材料。经过数十年的发展，树脂基复合材料在大涵道比涡轮风扇发动机和小涵道比加力涡轮风扇发动机的外涵机匣、转子和静子叶片、包容机匣、发动机短舱以及反推力装置中都有重要应用。
航空发动机的静子部件也越来越多的采用纤维增强树脂基复合材料。比如P&W公司的PW4056/4168/4084发动机风扇出口导向叶片采用了压制成型的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料；PW4084和PW4168发动机的压气机静子叶片就采用了3M公司的PR500环氧树脂基复合材料，该材料制成的静子叶片较钛合金材料的静子叶片重量减轻了39％，成本降低38％。德国MTU公司的PW8000发动机在高速低压压气机的进口导流叶片和第1级、第2级可调静子叶片采用了PMC复合材料。而我国在树脂基复合材料静子叶片领域建设还在探索中，相对欧美等国家不太成熟。国内复合材料静子叶片及其成型技术发展较晚，碳纤维复合材料静子叶片的研究较少。
目前国内静子叶片使用金属、玻璃钢或者低性能碳纤维复合材料材质，但是综合性能上无法满足航空发动机静子叶片更高要求的需要，亟待研制一种轻量化、高刚度、高强度及高型面精度的静子叶片。以上报道虽然将复合材料应用在静子叶片上，但还不能满足更高性能要求(大变厚度、高刚度、高强度等性能要求)。
发明内容
本发明解决的技术问题是：解决高性能航空发动机用变厚度静子叶片制造问题，提出一种变厚度复合材料静子叶片及其成型方法，通过组合模具设计，净厚度预浸料片边线轮廓，热压工艺设计实现良好内部质量和气动外型面的控制，完成高性能变厚度复合材料静子叶片成型。
本发明解决技术的方案是：本发明的一种变厚度复合材料静子叶片，该叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，变厚度叶身位于前缘板和后缘板之间，前缘板、变厚度叶身、后缘板为同一复合材料且三者一体成型，叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护。
在一可选实施例中，所述前缘板、叶身、后缘板的制造材料全部采用碳纤维织物增强增韧环氧树脂复合材料。
在一可选实施例中，所述碳纤维包括T700、T800、T100、M40J级碳纤维，所述碳纤维织物形式包括平纹、斜纹、五枚缎或八枚三飞，所述复合材料的树脂质量含量在38％-48％之间。
在一可选实施例中，所述前缘板装配连接区域局部增厚加强，该连接区域内设置金属预埋套，金属预埋套与前缘板一体成型。
在一可选实施例中，所述预埋套材质为铝合金或钛合金。
在一可选实施例中，所述非金属包边材质为聚氨酯或聚酰亚胺。
本发明的一种变厚度复合材料静子叶片成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)静子叶片的叶身外形面为净尺寸非加工面，成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，其中叶身上下端面模具两侧预留前后缘板铺贴区域且在4个边角设计为锥形导向限位，确保上下端模块合模后不偏离；同时前后缘板侧模具设计为锥形配合面，预留压实到位台阶，确保受压贴合至设计位置；
2)按照叶片结构特点和气动型面要求，采用净体积填充方法，依据提取的叶身中性面，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴预浸料块层的三维实体面及其边线轮廓；
3)将步骤2)得到的每一层料块的边线轮廓转化为二维图形，并按图形边线从大到小排列；再结合缘板特征和铺层对称原则，设计并裁切出整体叶片的连续纤维预浸料块；
4)将步骤3)裁切的预浸料块，以叶身两侧分型线为定位基准线，依此铺放在叶身上下端面模具工作面上，完成预制体铺贴后合模，得到叶身预制体；
5)将步骤4)得到的叶身预制体从模具上取出，将按照尺寸裁切的包边贴合在预制叶身的迎风侧，再放入叶身上下端模具内合模压实；
6)在前缘板侧模具上按铺层顺序铺贴至少两层预浸料块后，再按照连接区域厚度和尺寸要求将相应预浸料块层合、吸胶压实后，铺贴在前缘板侧模具上，并完成剩余预浸料块的铺贴；将金属预埋套嵌在铺贴后的连接区域内；在后缘板侧模具上按铺层顺序完成预浸料块铺贴；
7)将步骤6)得到的前缘板贴合在步骤5)合模后的前缘板位置，定位并压实；再将完成铺层的后缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的后缘板位置，完成整体叶片铺层；
8)对步骤7)中组合模具外侧包覆辅助材料，采用热压工艺实现整体叶片的共固化制备；
9)对固化后静子叶片的前、后缘板余量边料进行加工，以满足叶片尺寸设计要求。
在一可选实施例中，步骤6)中吸胶是在热压罐或热压机内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～40min，热压罐内压力0.3MPa～0.6Mpa；吸胶过程中对待吸胶的预浸料块进行抽真空。
在一可选实施例中，步骤8)中固化过程是在热压罐或热压机内进行的，固化温度为120℃～130℃或165℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.6MPa～1.0Mpa。
上述成型方法制成的变厚度复合材料静子叶片适用于航空发动机。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提供的一种新型的变厚度复合材料静子叶片及成型方法。该静子叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，三者为同一复合材料且一体成型，所述叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护。成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具。采用净体积填充方法模拟设计得到满足叶身总厚度的分离料片边线轮廓。静子叶片采用热压工艺整体共固化制造得到，叶身气动型面不进行二次机械加工；该工艺保证静子叶片既能满足结构强度刚度要求，同时满足其气动外形的面形精度要求。
此项发明技术优势明显，可推广应用到军用/民用飞机发动机的高性能静子叶片上，以及一些对气动外形，以及刚度、强度都有较高要求的轻量化承力结构上。此项发明能够满足我国日益高涨的航空发动机高性能静子叶片的研制需要，经济效益及前瞻性突出。
附图说明
图1为静子叶片整体结构图；
图2a、2b、2c、2d分别为静子叶片成型模具组合整体图、叶身下端模具图、叶身上端模具图、前缘侧板模具图；
图3a为静子叶片中性面左侧料片层合图；
图3b为静子叶片中性面右侧料片层合图。
具体实施方式
本发明的一种变厚度复合材料静子叶片，该叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，变厚度叶身位于前缘板和后缘板之间，前缘板、变厚度叶身、后缘板为同一复合材料且三者一体成型，叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护，叶片结构示意图见附图1。
具体地，本发明实施例中，所述前缘板、叶身、后缘板的制造材料全部采用碳纤维织物增强增韧环氧树脂复合材料。所述碳纤维包括T700、T800、T100、M40J级碳纤维，所述碳纤维织物形式包括平纹、斜纹、五枚缎或八枚三飞，所述复合材料的树脂质量含量在38％-48％之间。所述前缘板装配连接区域局部增厚加强，该连接区域内设置金属预埋套，金属预埋套与前缘板一体成型。所述预埋套材质为铝合金或钛合金。所述非金属包边材质为聚氨酯或聚酰亚胺。
本发明的一种变厚度复合材料静子叶片成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)静子叶片的叶身外形面为净尺寸非加工面，成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，其中叶身上下端面模具两侧预留前后缘板铺贴区域且在4个边角设计为锥形导向限位，确保上下端模块合模后不偏离；同时前后缘板侧模具设计为锥形配合面，预留压实到位台阶，确保受压贴合至设计位置；模具设计图见附图2a-2d。
具体地，本发明实施例中，所述模具的材质优选Q235钢、45#钢、P20钢。
2)按照叶片结构特点和气动型面要求，采用净体积填充方法，依据提取的叶身中性面，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴预浸料块层的三维实体面及其边线轮廓；按叶身中性面两侧体积得到的两组料块边界；
具体地，在本发明实施例中，根据所述目标叶片各位置厚度及所用预浸料的单层厚度，设计出叶身不同区域厚度的每一层预浸料块，得到所有铺贴用不同尺寸和位置的预浸料片，见附图3a、3b。
3)将步骤2)得到的每一层料块的边线轮廓转化为二维图形，并按图形边线从大到小排列；再结合缘板特征和铺层对称原则，设计并裁切出整体叶片的连续纤维预浸料块；
具体地，在本发明实施例中，根据所述二维图形，得到叶身中性面两侧体积内每一料块层的铺层顺序。
4)将步骤3)裁切的预浸料块，以叶身两侧分型线为定位基准线，依此铺放在叶身上下端面模具工作面上，完成预制体铺贴后合模，得到叶身预制体；
具体地，在本发明实施例中，所述预浸料块铺层过程中，每铺3-5层料块进行抽真空压实。
5)将步骤4)得到的叶身预制体从模具上取出，将按照尺寸裁切的包边贴合在预制叶身的迎风侧，再放入叶身上下端模具内合模压实。
6)在前缘板侧模具上按铺层顺序铺贴至少两层预浸料块后，再按照连接区域厚度和尺寸要求将相应预浸料块层合、吸胶压实后，铺贴在前缘板侧模具上，并完成剩余预浸料块的铺贴；将金属预埋套嵌在铺贴后的连接区域内；在后缘板侧模具上按铺层顺序完成预浸料块铺贴；
具体地，本发明实施例中，吸胶是在热压罐或热压机内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～40min，热压罐内压力0.3MPa～0.6Mpa；吸胶过程中对待吸胶的预浸料块进行抽真空。
7)将步骤6)得到的前缘板贴合在步骤5)合模后的前缘板位置，定位并压实；再将完成铺层的后缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的后缘板位置，完成整体叶片铺层。
8)对步骤7)中组合模具外侧包覆辅助材料，采用热压工艺实现整体叶片的共固化制备；
具体地，本发明实施例中，固化过程是在热压罐或热压机内进行的，固化温度为120℃～130℃或165℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.6MPa～1.0Mpa。
9)对固化后静子叶片的前、后缘板余量边料进行加工，以满足叶片尺寸设计要求；
在一可选实施例中，步骤8)中固化过程是在热压罐或热压机内进行的，固化温度为120℃～130℃或165℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.6MPa～1.0Mpa。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
本发明实施例中所述的变厚度复合材料静子叶片，该叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，变厚度叶身位于前缘板和后缘板之间，前缘板、变厚度叶身、后缘板为同一复合材料且三者一体成型，叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护。前缘板、叶身、后缘板的制造材料使用的增强体为T800碳纤维纤维斜纹织物，树脂基体为增韧603环环氧树脂，制备的预浸料牌号为T800-6k-XW/603，固化后单层厚度为0.2mm。
叶身为前缘板根部至后缘板根部厚度由5.5mm渐变为1.0mm；叶身左侧边缘的0.8mm最大增至5.0mm，后再渐变为0.9mm。前缘板、后缘板厚度为3mm。前缘板装配连接区域局部增厚加强，增厚区厚度为20mm；该连接区域内设置金属预埋套，金属预埋套与前缘板一体成型。耐磨损包边材质为聚氨酯，金属预埋套材质为钛合金。
该变厚度复合材料静子叶片成型方法，包括以下步骤：
1)静子叶片的叶身外形面为净尺寸非加工面，成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，其中叶身上下端面模具两侧预留前后缘板铺贴区域且在4个边角设计为锥形导向限位，确保上下端模块合模后不偏离；同时前后缘板侧模具设计为锥形配合面，预留压实到位台阶，确保受压贴合至设计位置；模具的材质优选45#钢；
2)按照叶片结构特点和气动型面要求，采用净体积填充方法，依据提取的叶身中性面，根据所述目标叶片各位置厚度及所用预浸料的单层厚度，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴预浸料块层的三维实体面及其边线轮廓；按叶身中性面两侧体积得到的两组共29层料块边界；
3)将得到的每一层料块的边线轮廓转化为二维图形，并按图形边线从大到小排列；再结合缘板特征和准各向同性铺层顺序设计原则，得到叶身中性面两侧体积内每一料块层的铺层顺序设计并裁切出整体叶片的连续纤维预浸料块；
4)将裁切的预浸料块，以叶身两侧分型线为定位基准线，依此铺放在叶身上下端面模具工作面上，每铺3-5层料块进行抽真空压实，完成预制体铺贴后合模，得到叶身预制体；
5)将得到的叶身预制体从模具上取出，将按照尺寸裁切的包边贴合在预制叶身的迎风侧，再放入叶身上下端模具内合模压实；
6)在前缘板侧模具上按铺层顺序铺贴两层预浸料块后，再按照连接区域厚度和尺寸要求将相应预浸料块层合，在热压罐或热压机内进行吸胶，吸胶温度70℃，吸胶时间30min，热压罐内压力0.6Mpa；吸胶压实后，铺贴在前缘板侧模具上，并完成剩余预浸料块的铺贴；将金属预埋套嵌在铺贴后的连接区域内；在后缘板侧模具上按铺层顺序完成预浸料块铺贴；
7)将步骤6)得到的前缘板贴合在步骤5)合模后的前缘板位置，定位并压实；再将完成铺层的后缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的后缘板位置，完成整体叶片铺层。
8)将步骤7)得到的待固化产品包覆辅助材料，在热压罐或热压机内固化，固化温度为180℃，固化时间4h，固化压力0.7Mpa；采用热压工艺实现了预埋件与叶片本体的共固化制备，得到制备的复合材料静子叶片。
9)对固化后静子叶片的前、后缘板余量边料进行加工，以满足叶片尺寸设计要求。
实施例2
本发明实施例中所述的变厚度复合材料静子叶片，该叶片包括前缘板、变厚度叶身、后缘板，变厚度叶身位于前缘板和后缘板之间，前缘板、变厚度叶身、后缘板为同一复合材料且三者一体成型，叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护。前缘板、叶身、后缘板的制造材料使用的增强体为T800碳纤维纤维斜纹织物，树脂基体为增韧602环环氧树脂，制备的预浸料牌号为T800-6k-XW/602，固化后单层厚度为0.2mm。
叶身为前缘板根部至后缘板根部厚度由6.0mm渐变为1.2mm；叶身左侧边缘的1.0mm最大增至5.0mm，后再渐变为1.0mm。前缘板、后缘板厚度为3.6mm。前缘板装配连接区域局部增厚加强，增厚区厚度为24mm；该连接区域内设置金属预埋套，金属预埋套与前缘板一体成型。耐磨损包边材质为聚酰亚胺，金属预埋套材质为铝合金。
该变厚度复合材料静子叶片成型方法，包括以下步骤：
1)静子叶片的叶身外形面为净尺寸非加工面，成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，其中叶身上下端面模具两侧预留前后缘板铺贴区域且在4个边角设计为锥形导向限位，确保上下端模块合模后不偏离；同时前后缘板侧模具设计为锥形配合面，预留压实到位台阶，确保受压贴合至设计位置；模具的材质优选Q235钢；
2)按照叶片结构特点和气动型面要求，采用净体积填充方法，依据提取的叶身中性面，根据所述目标叶片各位置厚度及所用预浸料的单层厚度，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴预浸料块层的三维实体面及其边线轮廓；按叶身中性面两侧体积得到的两组共36层料块边界；
3)将得到的每一层料块的边线轮廓转化为二维图形，并按图形边线从大到小排列；再结合缘板特征和准各向同性铺层顺序设计原则，得到叶身中性面两侧体积内每一料块层的铺层顺序设计并裁切出整体叶片的连续纤维预浸料块；
4)将裁切的预浸料块，以叶身两侧分型线为定位基准线，依此铺放在叶身上下端面模具工作面上，每铺3-5层料块进行抽真空压实，完成预制体铺贴后合模，得到叶身预制体；
5)将得到的叶身预制体从模具上取出，将按照尺寸裁切的包边贴合在预制叶身的迎风侧，再放入叶身上下端模具内合模压实；
6)在前缘板侧模具上按铺层顺序铺贴两层预浸料块后，再按照连接区域厚度和尺寸要求将相应预浸料块层合，在热压罐或热压机内进行吸胶，吸胶温度70℃，吸胶时间30min，热压罐内压力0.6Mpa；吸胶压实后，铺贴在前缘板侧模具上，并完成剩余预浸料块的铺贴；将金属预埋套嵌在铺贴后的连接区域内；在后缘板侧模具上按铺层顺序完成预浸料块铺贴；
7)将步骤6)得到的前缘板贴合在步骤5)合模后的前缘板位置，定位并压实；再将完成铺层的后缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的后缘板位置，完成整体叶片铺层。
8)将步骤7)得到的待固化产品包覆辅助材料，在热压罐或热压机内固化，固化温度为125℃，固化时间5h，固化压力0.8Mpa；采用热压工艺实现了预埋件与叶片本体的共固化制备，得到制备的复合材料静子叶片。
9)对固化后静子叶片的前、后缘板余量边料进行加工，以满足叶片尺寸设计要求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种变厚度复合材料静子叶片成型方法，变厚度复合材料静子叶片，包括前缘板、变厚度叶身、后缘板；所述的变厚度叶身位于前缘板和后缘板之间，前缘板、变厚度叶身、后缘板为同一复合材料且三者一体成型，所述叶身的迎风面采用耐磨损非金属包边保护；其特征在于包括如下步骤：
1)静子叶片的叶身外形面为净尺寸非加工面，成型模具设计为闭合模腔4瓣组合模块的组合模具，其中叶身上下端面模具两侧预留前后缘板铺贴区域且在4个边角设计为锥形导向限位，确保叶身上下端面模具合模后不偏离；同时前后缘板侧模具设计为锥形配合面，预留压实到位台阶，确保受压贴合至设计位置；
2)按照叶片结构特点和气动型面要求，采用净体积填充方法，依据提取的叶身中性面，模拟设计出与叶身不同区域总厚度相符的每一铺贴连续纤维预浸料块层的三维实体面及其边线轮廓；
3)将步骤2)得到的每一铺贴连续纤维预浸料块层的边线轮廓转化为二维图形，并按图形边线从大到小排列；再结合前、后缘板特征和铺层对称原则，设计并裁切出整体叶片的连续纤维预浸料块；
4)将步骤3)裁切的连续纤维预浸料块，以叶身两侧分型线为定位基准线，依此铺放在叶身上下端面模具工作面上，完成连续纤维预浸料块铺贴后合模，得到叶身预制体；
5)将步骤4)得到的叶身预制体从模具上取出，将按照尺寸裁切的包边贴合在叶身预制体的迎风侧，再放入叶身上下端面模具内合模压实；
6)在前缘板侧模具上按铺层顺序铺贴至少两层连续纤维预浸料块后，再按照前缘板连接区域厚度和尺寸要求将相应连续纤维预浸料块合层、吸胶压实后，铺贴在前缘板侧模具上，并完成剩余连续纤维预浸料块的铺贴；将金属预埋套嵌在铺贴后的连接区域内；在后缘板侧模具上按铺层顺序完成连续纤维预浸料块铺贴；
7)将步骤6)得到的前缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的前缘板位置，定位并压实；再将完成铺层的后缘板侧模具贴合在步骤5)合模后的后缘板位置，完成整体叶片铺层；
8)对步骤7)完成整体叶片铺层中的前缘板侧模具以及后缘板侧模具外侧包覆辅助材料，采用热压工艺实现整体叶片的共固化制备；
9)对固化后静子叶片的前、后缘板余量边料进行加工，以满足叶片尺寸设计要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6)中吸胶是在热压罐或热压机内进行，吸胶温度60℃～80℃，吸胶时间20min～40min，热压罐内压力0.3MPa～0.6Mpa；吸胶过程中对待吸胶的连续纤维预浸料块进行抽真空。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤8)采用热压工艺实现整体叶片的共固化制备中的固化过程是在热压罐或热压机内进行的，固化温度为120℃～130℃或165℃～180℃，固化时间3h～6h，热压罐内压力0.6MPa～1.0Mpa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的前缘板、叶身、后缘板的制造材料全部采用碳纤维织物增强增韧环氧树脂复合材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述碳纤维为T700、T800、T100、或M40J级碳纤维，所述碳纤维织物的形式包括平纹、斜纹、五枚缎或八枚三飞，所述环氧树脂复合材料的树脂质量含量在38％-48％之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的前缘板装配连接区域局部增厚加强，该连接区域内设置金属预埋套，金属预埋套与前缘板一体成型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述预埋套材质为铝合金或钛合金。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非金属包边材质为聚氨酯或聚酰亚胺。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：变厚度复合材料静子叶片适用于航空发动机。
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