一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法

摘要

本发明是一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法，该复合材料风扇可调叶片总体结构采用上、下金属轴套和树脂基复合材料叶片叶身的组合结构形式，复合材料叶片叶身采用“芯层+翼面层”两层结构形式，通过在净尺寸的芯层外，缠绕铺贴翼面层预浸料，固化脱模后通过裁剪制件的两端得到包括上轴头(12)和下轴头(13)的复合材料叶片叶身(11)，然后采用胶结工艺在上轴头(12)和下轴头(13)处分别安装金属上轴套(14)和金属下轴套(15)，最后得到复合材料风扇可调叶片(7)。该制备方法降低了风扇可调叶片的重量，同时提高其振动疲劳性能和抗弯扭性能。

权利要求

1.一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法，其特征在于：该制备方法的步骤如下：步骤一、制备风扇可调叶片的芯层(19)

该风扇可调叶片的芯层(19)采用预浸料铺层结构形式，预浸料在前缘和后缘处断口，然后采用预压实或预固化两种工艺方式，得到净尺寸的芯层(19)；

步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层(20)

在风扇可调叶片的芯层(19)的表面缠绕铺贴预浸料，形成厚度一致的翼面层(20)，让预浸料连续通过风扇可调叶片芯层(19)的前缘和后缘，当翼面层(20)预浸料铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体(16)；

步骤三、制备复合材料风扇可调叶片(7)

通过完全固化方式固化叶身预成型体(16)，脱模后通过裁剪制件的两端得到包括上轴头(12)和下轴头(13)的复合材料叶片叶身(11)，然后采用胶结工艺在上轴头(12)和下轴头(13)处分别安装金属上轴套(14)和金属下轴套(15)，最后得到复合材料风扇可调叶片(7)。

说明书

一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法

技术领域

[0001] 本发明是一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法，属于树脂基复合材料结构件制备技术领域。

背景技术

[0002] 风扇可调叶片处在航空涡扇发动机风扇进口在第一级转子前，目的是使流入第一级风扇转子叶片的气流有合适的气流进气角和攻角，同时降低第一级风扇转子叶片尖部气流相对速度，增加根部进口气流相对速度；从而改善流场和级间匹配，保证发动机工作稳定，避免喘振，并使风扇在偏离设计工况下，仍能保证转子叶片在基本满意的攻角下工作。

[0003] 参考专利美国发明专利“Attachment of composite article”(专利号：US9,797,257)中提出，为了便于风扇可调叶片的安装，通常都需要在复合材料叶片上下端面预埋入金属垫块，垫块与复合材料通过胶膜粘接在一起，但是在使用过程中，由于叶片不停地承受气动载荷，所以金属与复合材料界面很容易脱粘破坏，影响风扇可调叶片的继续使用。为了克服以上缺点，专利中在金属垫块表面刻出一定形状和深度的沟壑，然后铺贴碳纤维预浸料，提高固化后风扇可调叶片金属垫块与复合材料界面性能。

[0004] 在我们前期的研究工作中，采用了多种金属垫块与复材叶身组合结构制备复合材料风扇可调叶片。试验结果表明：在振动载荷下，金属垫块和叶身脱粘破坏。

发明内容

[0005] 本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法，该可调叶片总体结构采用上、下金属轴套和树脂基复合材料叶片叶身的组合结构形式，复合材料叶片叶身采用“芯层+翼面层”两层结构形式，通过在净尺寸的芯层外，缠绕铺贴翼面层预浸料，固化脱模后通过裁剪制件的两端得到包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结工艺在上轴头12和下轴头13处分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片7。该制备方法降低了风扇可调叶片的重量，同时提高其振动疲劳性能和抗弯扭性能。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0007] 该种树脂基复合材料风扇可调叶片的制备方法，其特征在于：该制备方法的步骤如下：

[0008] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0009] 该风扇可调叶片的芯层19采用预浸料铺层结构形式，预浸料在前缘和后缘处断口，然后采用预压实或预固化两种工艺方式，得到净尺寸的芯层19；

[0010] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0011] 在风扇可调叶片的芯层19的表面缠绕铺贴预浸料，形成厚度一致的翼面层20，让预浸料连续通过风扇可调叶片芯层19的前缘和后缘，当翼面层20预浸料铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16；

[0012] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0013] 通过完全固化方式固化叶身预成型体16，脱模后通过裁剪制件的两端得到包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结工艺在上轴头12和下轴头13处分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片7。

[0014] 铺贴芯层19和翼面层20的预浸料是环氧树脂、双马树脂、聚酰亚胺树脂的单向预浸料或织物预浸料；预浸料中纤维是碳纤维、玻璃纤维、其它有机纤维或混杂纤维。

[0015] 预压实工艺是指：将铺贴后的预制体在树脂最低熔体黏度温度下和在闭合模具中停留一定的时间，树脂在此条件下并没有发生化学交联，脱模后得到净尺寸的预制体；预固化工艺是指：将铺贴后的预制体在低于固化温度下和在闭合模具中，停留一定的时间，树脂在此条件下开始化学交联，但并没有全部完成，脱模后得到净尺寸的预制体；完全固化工艺是指：将铺贴后的预制体在固化温度下和在闭合模具中，停留一定的时间，树脂在此条件下的固化程度≥95％，复合材料力学性能和热性能满足最终性能指标要求。

[0016] 本发明的优点是：复合材料风扇可调叶片7是采用“芯层+翼面层”的结构形式成型包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，降低了风扇可调叶片的重量，同时提高其振动疲劳性能和抗弯扭性能。

附图说明

[0017] 图1为航空涡扇发动机纵向截面的示意图。

[0018] 图2是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7的结构示意图。

[0019] 图3是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7上的金属上轴套14的结构示意图。

[0020] 图4是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7上的金属下轴套15的结构示意图。

[0021] 图5是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11的结构示意图。

[0022] 图6是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7的复合材料叶片叶身11的叶身预成型体16的结构示意图。

[0023] 图7是图6中叶身预成型体16的A-A截面结构示意图。

[0024] 图8是本发明制备的复合材料风扇可调叶片7的成型模具结构示意图。

具体实施方式

[0025] 以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

[0026] 参见附图1所示，航空涡扇发动机主要包括帽罩组件1、进气机匣组件2、风扇组件3、压气机室、燃烧室和涡轮室组件4、和尾椎5，其中进气机匣组件2中包括进气机匣支板6和复合材料风扇可调叶片7；风扇组件3中包括一级转子叶片8和二级转子叶片10和风扇机匣支板9。图1仅仅为航空涡扇发动机典型结构示意图，还包含其他结构组件，并没有详细指出，在本发明中仅仅是为了指出复合材料风扇可调叶片7在航空涡扇发动机中所处的位置。

[0027] 参见附图2所示，复合材料风扇可调叶片7包括叶片复合材料叶片叶身11、金属上轴套14和金属下轴套15。

[0028] 参见附图3、4所示，用于本发明复合材料风扇可调叶片7的金属上轴套14和金属下轴套15的典型结构示意图，并不局限于此种结构形式。

[0029] 参见附图5所示，本发明制备的复合材料风扇可调叶片7的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11的典型结构示意图。图5仅仅为航空涡扇发动机复合材料风扇可调叶片7的复合材料叶片叶身11的典型结构示意图，并不局限于此种结构形式。

[0030] 以下通过实施例详细说明制备复合材料风扇可调叶片7的制备过程：

[0031] 实施例1的制备方法的步骤如下：

[0032] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0033] 如图7所示，采用单层厚度为0.125mm的单向碳纤维增强双马树脂预浸料在模具上逐层铺贴，预浸料在芯层19的前缘和后缘处断口，铺贴完成后，闭合模具，升温到120℃停留30min，预压实预浸料，降温脱模后得到净尺寸的芯层19；

[0034] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0035] 如图7所示，降温后的芯层19能够保持一定的结构刚性，在芯层19的表面缠绕铺贴4层单层厚度为0.125mm的单向碳纤维增强双马树脂预浸料，预浸料连续通过芯层19的前缘和后缘，得到厚度一致的翼面层20，当翼面层铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16，

[0036] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0037] 将叶身预成型体16放置在如图8所示的模具中，该模具主要包括包括上模具21、下模具22，前缘成型模具23和后缘成型模具24，前、后缘成型模具主要是为了保证可调叶片前、后缘的净尺寸成型，然后通过热压罐，按照完全固化工艺固化叶身预成型体16，其结构如图6所示，脱模后沿叶身预成型体16两端的上净尺寸线17和下净尺寸线18裁剪，得到如图5所示的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结的方式在上轴头
12和下轴头13上分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片
7。

[0038] 实施例2的制备方法的步骤如下：

[0039] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0040] 如图7所示，采用单层厚度为0.250mm的聚酰亚胺纤维平纹织物增强5228A环氧树脂预浸料在模具上逐层铺贴，预浸料在芯层19的前缘和后缘处断口，铺贴完成后，闭合模具，升温到130℃停留1h，预固化预浸料，降温脱模后得到净尺寸的芯层19；

[0041] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0042] 如图7所示，降温后的芯层19能够保持一定的结构刚性，在芯层19的表面缠绕铺贴4层单层厚度为0.250mm的T800级碳纤维平纹织物增强5228A环氧树脂预浸料，预浸料连续通过芯层19的前缘和后缘，得到厚度一致的翼面层20，当翼面层铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16，

[0043] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0044] 将叶身预成型体16放置在如图8所示的模具中，该模具主要包括包括上模具21、下模具22，前缘成型模具23和后缘成型模具24，前、后缘成型模具主要是为了保证可调叶片前、后缘的净尺寸成型，然后通过热压机，按照完全固化工艺固化叶身预成型体16，其结构如图6所示，脱模后沿叶身预成型体16两端的上净尺寸线17和下净尺寸线18裁剪，得到如图5所示的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结的方式在上轴头
12和下轴头13上分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片
7。

[0045] 实施例3的制备方法的步骤如下：

[0046] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0047] 如图7所示，采用单层厚度为0.20mm的单向玻璃纤维增强双马树脂预浸料在模具上逐层铺贴，预浸料在芯层19的前缘和后缘处断口，铺贴完成后，闭合模具，升温到120℃停留30min，预压实预浸料，降温脱模后得到净尺寸的芯层19；

[0048] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0049] 如图7所示，降温后的芯层19能够保持一定的结构刚性，在芯层19的表面缠绕铺贴4层单层厚度为0.125mm的单向碳纤维增强双马树脂预浸料，预浸料连续通过芯层19的前缘和后缘，得到厚度一致的翼面层20，当翼面层铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16，

[0050] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0051] 将叶身预成型体16放置在如图8所示的模具中，该模具主要包括包括上模具21、下模具22，前缘成型模具23和后缘成型模具24，前、后缘成型模具主要是为了保证可调叶片前、后缘的净尺寸成型，然后通过热压罐，按照完全固化工艺固化叶身预成型体16，其结构如图6所示，脱模后沿叶身预成型体16两端的上净尺寸线17和下净尺寸线18裁剪，得到如图5所示的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结的方式在上轴头
12和下轴头13上分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片
7。

[0052] 实施例4的制备方法的步骤如下：

[0053] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0054] 如图7所示，采用单层厚度为0.125mm的单向碳纤维增强聚酰亚胺树脂预浸料在模具上逐层铺贴，预浸料在芯层19的前缘和后缘处断口，铺贴完成后，闭合模具，升温到250℃停留60min，预压实预浸料，降温脱模后得到净尺寸的芯层19；

[0055] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0056] 如图7所示，降温后的芯层19能够保持一定的结构刚性，在芯层19的表面缠绕铺贴4层单层厚度为0.250mm的碳纤维平纹织物增强聚酰亚胺树脂预浸料，预浸料连续通过芯层
19的前缘和后缘，得到厚度一致的翼面层20，当翼面层铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16，

[0057] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0058] 将叶身预成型体16放置在如图8所示的模具中，该模具主要包括包括上模具21、下模具22，前缘成型模具23和后缘成型模具24，前、后缘成型模具主要是为了保证可调叶片前、后缘的净尺寸成型，然后通过热压罐，按照完全固化工艺固化叶身预成型体16，其结构如图6所示，脱模后沿叶身预成型体16两端的上净尺寸线17和下净尺寸线18裁剪，得到如图5所示的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结的方式在上轴头
12和下轴头13上分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片
7。

[0059] 实施例5的制备方法的步骤如下：

[0060] 步骤一、制备风扇可调叶片的芯层19

[0061] 如图7所示，采用单层厚度为0.250mm的单向碳纤维增强双马树脂预浸料在模具上逐层铺贴，预浸料在芯层19的前缘和后缘处断口，铺贴完成后，闭合模具，升温到140℃停留60min，预固化预浸料，降温脱模后得到净尺寸的芯层19；

[0062] 步骤二、制备风扇可调叶片的翼面层20

[0063] 如图7所示，降温后的芯层19能够保持一定的结构刚性，在芯层19的表面缠绕铺贴4层单层厚度为0.250mm的碳纤维平纹织物增强双马树脂预浸料，预浸料连续通过芯层19的前缘和后缘，得到厚度一致的翼面层20，当翼面层铺贴完成后，得到风扇可调叶片的叶身预成型体16，

[0064] 步骤三、制备复合材料风扇可调叶片7

[0065] 将叶身预成型体16放置在如图8所示的模具中，该模具主要包括包括上模具21、下模具22，前缘成型模具23和后缘成型模具24，前、后缘成型模具主要是为了保证可调叶片前、后缘的净尺寸成型，然后通过热压机，按照完全固化工艺固化叶身预成型体16，其结构如图6所示，脱模后沿叶身预成型体16两端的上净尺寸线17和下净尺寸线18裁剪，得到如图5所示的包括上轴头12和下轴头13的复合材料叶片叶身11，然后采用胶结的方式在上轴头
12和下轴头13上分别安装金属上轴套14和金属下轴套15，最后得到复合材料风扇可调叶片
7。