航空发动机用复合材料支架成型工艺探索 - 文章

航空发动机用复合材料支架成型工艺探索

作者：杨坚贺晔红李嘉禄郑渠英

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摘要：本文针对航空发动机的特殊使用要求，通过树脂体系选择、增强体编织设计与制造、模具设计与制造、零件试验件的制造及性能试验等工作，对航空发动机用复合材料支架的制造工艺进行探索，为进一步推广复合材料在我国航空发动机上的应用进行技术储备。
关键词：RTM 复合材料支架航空发动机

0 引言

当今衡量发动机技术水平高低的关键指标之一是发动机的推重比，为了提高推重比，选择轻质、高强的高性能复合材料成为一种最有效的实现手段。国外经过多年的研究和发展，树脂基复合材料因其比强度和比模量高、耐疲劳与耐腐蚀性好等特点，已经在发动机的外涵机匣、叶片、包容机匣以及发动机短舱等部件上得到大量应用。国内 625 所研制的复合材料外涵机匣已在航空发动机上投产使用。

为了满足高性能航空发动机的发展需求，复合材料的用量必将大大提高。因而我公司尽早启动复合材料零件制造技术的研制工作非常有必要。考虑到发动机上支架数量较多，若采用复合材料，在减重上必然能够取得显著的效果，同时 RTM 成型所需设备与热压罐成型所需设备相比，费用低得多；而且该工艺也是 21 世纪复合材料生产领域的主导工艺之一。因此我们决定以支架为研究目标，开展 RTM 方法成型航空发动机用复合材料支架的预研工作。

1 典型支架零件确定

我们选定了某机上具有代表性的支架零件作为预研目标，结构图见图 1。要求试制出的复合材料支架产品表面光洁，纤维饱满，无富胶和贫胶，无裂纹，目视检查均匀平整。 4 个支架可承载8000N 压力。

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未注圆角 R5
锐边侧圆 R0.5
按自由公差处理
图 1 产品结构图

2 成型工艺研究

2.1 成型工艺方法的确定

由于零件形状不规整、有孔、尺寸较小，又有一定的强度要求，如果采用航空复合材料制件常用的预浸料铺层热压的方法很难实现，所以我们决定采用具用良好发展趋势，工艺整体性好、构件两面光滑、尺寸精度高的树脂传递模塑（RTM）工艺，各向性能设计性强的三维编织增强体技术，和在打孔处预埋金属件的方法，试制支架零件。树脂传递模塑工艺(RTM)工艺流程如图 2 所示。

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图 2 RTM 工艺流程

2.2 零件材料的选择

结合零件的结构和可能的使用情况，增强材料选择了日本三菱公司的 TR305 和东丽公司的 T300碳纤维，树脂体系选择 TDE-86#环氧树脂和酸酐固化剂。

2.3 零件制造用主要设备

三维编织机自制
RTM 配套成型设备自制

2.4 三维整体编织的工艺要点

复合材料发动机支架预制件的编织结构采用三维五向结构，采用逐步加纱和分段编织的方法保证外形弯折和第 2 个圆孔的成型，采用方型编织转换成圆形编织的方法编织最后圆管部分，并放入预埋件。整体织物尺寸较小，成型方向有改变，在方木板上抠出和产品外形相同的凹槽，保证制件沿凹槽成型。

2.5 RTM 成型

2.5.1 模具设计

模具设计是 RTM 工艺的重要环节，由于制件形状比较复杂，采用组合式模具结构，便于脱模。实际模具如图 3 所示，模具采用四块组合式构成

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2.5.2 零件制造

三维整体编织件中纤维束纱线在空间呈四向甚至是多向分布，纤维束伸直呈一定的角度多次重复交织，就编织预制件来讲是一种多孔的并具有一定空隙结构的材料。RTM 工艺装模过程中，由于定位、模具锁紧等，进一步对编织预制件进行压密，使孔隙度减小，影响基体通过预制件的传导性，所以 RTM 工艺要求树脂具有适当的粘度，才能保证纤维束被完全浸渍。

根据树脂特点，设置一定的注入温度为，将预制件按顺序装入模具中，密封后，在一定条件下，将树脂注入模具中并保持一定时间，完全充满后，封闭模具并放入烘箱固化，自然冷却后脱模，最后在实心金属预埋件中钻孔，完成最终产品。制造完成的复合材料发动机支架如图 4。

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图 4 复合材料发动机支架

3 性能试验

3.1 主要设备

500℃电热鼓风干燥箱沈阳长城设备厂
AG-20kNE 电子拉力机日本岛津
TG328B 光学读数分析天平湘仪天平仪器厂

3.2 材料性能试验

3.2.1 材料

材料性能试验用试样有两种，一种为日本东丽公司 T300 增强的复合材料试样，一种为日本三菱公司 TR305 增强的材料复合材料试样，试样尺寸为 180mm×15mm×4mm。

3.2.2 试验方法

拉伸性能试验参照 GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行，弯曲性能试验参照 GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》进行。

3.2.3 试验结果见表 1。

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由上表可看出，TR305 比 T300 碳纤维增强复合材料力学性能高，两种复合材料 150℃时的拉伸性能保持率可达 60%以上，但弯曲性能下降较大。

3.3 零件性能试验

3.3.1 零件制造用材料

由材料性能试验可看出，TR305 比 T300 碳纤维增强复合材料性能高，150℃下的性能保持率相对较高，因而零件研制时，选用了 TR305 碳纤维增强的复合材料。

3.3.2 试验方法

根据零件使用工况，并结合零件的特殊形状，课题组成员经过认真讨论，确定了 2 种零件破坏性能测试方法。

a 零件模拟承载试验（抗压试验）

根据零件实际使用工况，将复合材料支架放在电子拉力机工作台上，下部固定，上端面施压，以考核其能承受的最大压力，示意图见图 5。

b 零件嵌入件与复合材料结合力试验（剪切试验）

根据零件在使用中的受力情况，我们选取了合适的螺栓，将其拧入零件嵌入的金属螺纹内，把支架下部固定，给螺栓端面施压，考核其承受的最大压力。同时考核了镶嵌金属螺纹套与复合材料零件的接合情况。示意图见图 6。

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3.3.3 试验结果

零件外观表面光洁，纤维饱满，无富胶和贫胶，无裂纹，均匀平整，达到了预计的要求。零件破坏性能试验结果见表 2。复合材料零件与原金属零件质量对比试验结果见表 3。

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由上表可看出，该复合材料零件在 150℃短时间内的力学性能有一定的保持率。

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由上表可看出，复合材料零件中，尽管镶嵌了不锈钢金属螺纹，但与原金属零件相比，减重效果仍然非常明显。

4 结果讨论与分析

从研究结果可看出，用 RTM 成型研制的复合材料支架零件外观质量优良，达到了设计使用要求；同时，零件力学性能也可以满足设计提出的 4 个支架需承载 8000N 压力的要求。4 个支架可承载约2.3×4=9.2kN；另外，从复合材料支架与钛合金支架零件的质量对比结果可看出，复合材料支架与原金属支架相比可以减重（18.45-11.12）/18.45×100%=39.7%，这很好的满足了高性能发动机急需减重的需求。

RTM（ Resin Transfer Molding）成型工艺也叫树脂传递模塑工艺。它是一种是闭模液体成型工艺。其主要原理是采用注射设备将专用注射树脂体系注入闭合模具。模具内预先铺放好增强材料预成型体。然后，模具被紧固和密封，树脂被注入摸具。模具上事先设计有注射及排气孔系统，以保证树脂顺畅流动和模具内气体的顺利排出。为了使树脂能充分的浸润纤维，模具还具有加热系统进行加热固化。这种成型工艺决定了，所制件尺寸精度高，可设计性强，内外表面光洁，可嵌入各种增强件，产品纤维含量高，因而产品的机械强度相对较高。但这种工艺不论对基体材料还是增强材料的要求都比较特殊。由于我们选择了合理的 TDE-86#环氧树脂体系、高质量的碳纤维、增强体的编织工艺和成型工艺参数等，因而使研制出的复合材料支架零件获得了轻质，高强的效果。

5 结论

1）TR305 碳纤维增强 TDE-86#环氧树脂制造的复合材料支架零件，力学性能可以满足设计要求；同时与钛合金零件相比，减重效果明显，约为 40%，达到了课题研制的预期目标；

2）摸索出的 RTM 成型复合材料支架零件的制造方法基本可行，可为我国高性能航空发动机用复合材料制件的研制提供一定技术支持。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/18/2012)


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