一种低温叶片的制备方法与流程

本发明属于低温风洞压缩机技术领域，特别涉及一种低温叶片的制备方法。

背景技术：

拟建的低温风洞压缩机的转子叶片的使用环境为低温-196℃到高温80℃，工作介质为氮气，而且在-196℃到高温80℃温度范围内承受非定长周期性的气动载荷、离心力和温度冲击力等，对叶片的低温韧性和耐冷热的冲击性能提出了很高的要求。现有技术中，压缩机的转子叶片通常采用高速钢等高级合金工具钢支撑，合金工具钢含有大量合金元素，其在冶炼、浇注、塑性成形和热处理工艺等整个加工制造流程十分复杂，原材料成本很高，要满足转子叶片的加工要求，改善原材料的切削加工性，需要对原材料进行比较复杂的退火工艺；叶片粗加工后，需进行高温淬火，高温淬火后需在出现“二次硬化”的温度下进行三次回火处理，最后还要进行渗氮处理，以提高叶片表面的强度，其加工成本高，加工工艺复杂，叶片质量大。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，解决现有技术中成本高的技术问题，提供一种低温叶片的制备方法，本发明使用复合材料制备低温叶片，制备成本低，利用本发明制备出来的叶片重量小，降低叶片工作时的负荷。

本发明的目的是这样实现的：一种低温叶片的制备方法，包括以下步骤，

（1）预浸料下料：使用三维软件绘制每一层预浸料的外形，并导入到自动下料机的操作系统中，预浸料放到自动下料机托架上，按照程序裁剪每块料片，裁出碳梁、蒙皮、填块的预浸料布层，并用标签纸标识编号；

（2）泡沫的准备：使用数控机床按照泡沫芯数模加工碳梁泡沫、前缘泡沫、后缘泡沫和填块泡沫；

（3）叶根处金属衬套的准备：使用机床加工出金属衬套；

（4）盒子碳梁的制备：按照设计铺层分别将工作面、非工作面以及两侧碳梁准备好，再到碳梁模具中将碳梁铺层、金属衬套以及碳梁泡沫组合好后固化成型；

（5）蒙皮的准备：按照设计铺层分别将工作面、非工作面的蒙皮准备好，待用；

（6）叶片的组合：将蒙皮、碳梁、前缘泡沫和后缘泡沫在叶片模具中组合后，合模固化为叶片本体；

（7）叶根处的填块成型：按照设计的铺层要求将填块的预浸料布层与填块泡沫铺放结束后，固化成型；

（8）叶根处的缠绕成型：将填块与叶片本体使用耐低温胶粘剂固定后，对叶根处进行缠绕成型；

（9）叶根外形的精加工：按照叶片的最终数模，对步骤（8）中的缠绕部位使用数控机床进行机加成型，低温叶片制备结束。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（4）中，制备碳梁的具体步骤为：

（401）分别在碳梁模具的上模、下模上铺放工作面和非工作面的制备碳梁的预浸料，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将制备碳梁的预浸料布层铺放完；

（402）工作面和非工作面的两侧碳梁的铺放：按照设定的铺层顺序，在干净平板上，每8层为一组，叠加在一起，进行抽真空预压实，重复上述操作，直至将两侧碳梁的预浸料布层铺放完；

（403）碳梁泡沫准备：在碳梁泡沫表面包裹一层耐低温胶膜，贴实；

（404）对金属衬套的待胶接表面进行吹砂处理，待用；

（405）碳梁组合固化：将处理好的金属衬套、碳梁泡沫安放到碳梁模具的下模中，固定；将组合好的两侧碳梁安放到碳梁泡沫两侧，将下模中碳梁包布向上翻转，包裹住两侧碳梁；将模具上模中的碳梁移植到下模中，并将工作面对应的碳梁包布向下翻转，与非工作面的碳梁包布贴实；将模具挡板安装到相应位置，合模，送入热压机中进行加压成型。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（6）中，叶片组合的具体步骤为：

（601）叶片成型模具准备，使用医用纱布蘸取丙酮将碳梁模具型腔进行清洁，直至砂布无异色，再用一块干净砂布蘸适量的770nc脱模剂对模具型腔进行擦拭4～6遍,每遍间隔时间10min～15min；

（602）将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片分别铺放在叶片模具的上模具和下模具中，进行抽真空预固化；

（603）预固化结束待蒙皮裁片冷却至室温，将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片取出，放置到干净的操作台上；

（604）将第三层～第n1层的工作面蒙皮裁片和第三层～第n2层的非工作面蒙皮裁片分别铺放在叶片成型模具的上模具和下模具中，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将布层铺放完；

（605）将上模具、下模具中的蒙皮取出，放置干净的操作台上；

（604）将第一层和第二层蒙皮裁片铺放在下模具中，再依次将非工作面蒙皮、碳梁、前缘泡沫、后缘泡沫和工作面蒙皮安装到下模中，最后将第一层和第二层蒙皮裁片从前缘泡沫包裹到叶片的工作面；

（605）合模：将上模具和下模具闭合，合模压力为8mpa～10mpa；

（606）固化：将模具放入热压机中进行固化；

其中，n1为工作面蒙皮裁片的总层数，n2为非工作面蒙皮裁片的总层数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（7）中，填块成型的具体步骤为，

（701）填充块成型：

（701a）使用医用纱布蘸取丙酮将填充块模具型腔进行清洁，直至纱布无异色，再用一块干净纱布蘸取脱模剂对填充块模具型腔擦拭4～6遍，每遍间隔时间10min～15min；

（701b）在填充块模具一和填充块模具二的下模中分别铺放对应的填充块预浸料裁片，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将布层铺放完；

（701c）将上模具安装到下模具上，合模压力为8mpa～10mpa；

（701d）将合模后的模具放入热压机中进行固化，固化结束，待填充块模具一的工作面填充块和填充块模具二中的非工作面填充块冷却至室温，将工作面填充块和非工作面填充块取出至干净的工作台上；

（702）锥形块成型：

（702a）使用医用纱布蘸丙酮将锥形块模具型腔进行清洁，直至纱布无异色，再用一块干净纱布蘸脱模剂对锥形块模具型腔进行擦拭4～6遍，每遍间隔时间10min～15min；

（702b）在锥形块模具一和锥形块模具二的上模和下模中分别铺放对应的锥形块预浸料裁片；

（702c）锥形块泡沫（包括工作面锥形块泡沫和非工作面锥形块泡沫）准备，使用耐低温粘胶膜分别贴实在锥形块泡沫表面，再放置到铺放好预浸料的下模中；

（702d）将上模具安装到下模具上，合模压力为8mpa～10mpa；

（702e）将合模后的模具放入热压机中进行固化，固化结束，待锥形块模具一的工作面锥形块和锥形孔模具二中的非工作面锥形块冷却至室温，将工作面锥形块和非工作面锥形块取出至干净的工作台上；

（703）填块胶接：

（703a）使用耐低温胶粘剂将工作面填充块和工作面锥形块分别胶接在叶片工作面的根部，将非工作面填充块和非工作面锥形块分别胶接在叶片非工作面的根部；

（703b）将胶接后的叶片送入烘箱中，在（70±5）℃下保温2h～3h实现固化；

（704）固化结束，待叶片冷却至室温取出至干净的工作台上。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（8）中缠绕成型的具体步骤为：

（801）将连续碳纤维按照设定的缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口和浸胶辊，在18℃～30℃下浸润在耐低温环氧树脂中，浸润时间为2秒；

（802）使用浸润过的连续碳纤维对胶接后的叶片的根部进行缠绕；

（803）缠绕结束后，对缠绕后的叶片进行固化，当叶片冷却到室温时完成固化。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（405）中对碳梁进行固化的参数为，模具温度以不高于2℃/min的升温速率升至（125±5）℃，在此条件下保温1.5h～2h，再以不高于2℃/min的降温速率降至50℃以下。

作为本发明的进一步改进，所述步骤（602）中的预固化参数为，真空度≤-0.095mpa，温度（125±5）℃，在此条件下保温保压1h～1.5h。

为了进一步提高叶片组合的固化效果，所述步骤（606）中的固化参数为，模具温度以不高于2℃/min的升温速率升至（150±5）℃，在此条件下保温1h～1.5h，以相同的升温速率将模具温度升至（180±5）℃，在此条件下保温3h～3.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至50℃以下。

为了进一步提高填块的固化效果，所述步骤（701d）和（702d）中的固化参数相同，具体的为，模具温度以不高于2℃/min的升温速率升至（150±5）℃，在此条件下保温1h～1.5h，以相同的升温速率将模具温度升至（180±5）℃，在此条件下保温3h～3.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至50℃以下。

为了进一步提高缠绕后叶片的固化效果，所述步骤（803）中对缠绕后的叶片进行固化的参数，具体的为，固化温度以1～2℃/min的升温速度升至95℃保温8小时，最后以不大于2℃/min的降温速度进行降温。

与现有技术相比，本发明中先使用泡沫作为叶片制造时的内部支撑，利用泡沫的弹性施加反压，使叶片的各处碳纤维预浸料层铺放时被压实；将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片进行预固化，改善叶片的表面质量；碳梁制成盒子状，碳梁的刚度大，叶片不容易变形；填块设置在叶片的根部，填充块为实心结构，位于叶根处承受气动弯矩的部位，同时传递叶根弯矩支反力给碳梁；锥形块位于叶根次受力部位，主要作用为形成叶根缠绕外形，受力较小，最大限度降低叶片重量；缠绕层包覆叶根，让叶片本体和填块形成一个整体，并利用缠绕层对叶片进行角向约束和安装角调整；可应用于制备低温风洞压缩机的转子叶片的工作中。

附图说明

图1为本发明中泡沫的立体结构示意图。

图2为本发明中填充块模具一的下模结构示意图。

图3为本发明中填充块模具二的下模结构示意图。

图4为本发明中锥形块模具一的下模具结构示意图。

图5为本发明中锥形块模具二的下模具结构示意图。

图6为本发明中制成的低温叶片的主视图。

图7为图6中的a-a向视图。

图8为本发明中制成的低温叶片的内部结构示意图。

其中，1后缘泡沫，2碳梁泡沫，3前缘泡沫，4缠绕层，5金属衬套，6工作面锥形块，7非工作面锥形块，8盒子碳梁，9非工作面填充块，10工作面填充块，11叶身。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种低温叶片的制备方法，包括以下步骤，

（1）预浸料下料：使用三维软件绘制每一层预浸料的外形，并导入到自动下料机的操作系统中，预浸料放到自动下料机托架上，按照程序裁剪每块料片，裁出碳梁、蒙皮、填块的预浸料布层，并用标签纸标识编号；

（2）泡沫的准备：使用数控机床按照泡沫芯数模加工碳梁泡沫2、前缘泡沫3、后缘泡沫1和填块泡沫；

（3）叶根处金属衬套5的准备：使用机床加工出金属衬套5；

（4）盒子形碳梁的制备：按照设计铺层分别将工作面、非工作面以及两侧碳梁准备好，再到碳梁模具中将碳梁铺层、金属衬套5以及碳梁泡沫2组合好后固化成型；

（5）蒙皮的准备：按照设计铺层分别将工作面、非工作面的蒙皮准备好，待用；

（6）叶片的组合：将蒙皮、碳梁、前缘泡沫3和后缘泡沫1在叶片模具中组合后，合模固化为叶片本体；

（7）叶根处的填块成型：按照设计的铺层要求将填块的预浸料布层与填块泡沫铺放结束后，固化成型；

（8）叶根处的缠绕成型：将填块与叶片本体使用耐低温胶粘剂固定后，对叶根处进行缠绕成型；

（9）叶根外形的精加工：按照叶片的最终数模，对步骤（8）中的缠绕部位使用数控机床进行机加成型，机加厚的缠绕部位形成缠绕层4，低温叶片制备结束。

步骤（4）中，制备碳梁8的具体步骤为：

（401）分别在碳梁模具的上模、下模上铺放工作面和非工作面的制备碳梁的预浸料，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将制备碳梁的预浸料布层铺放完；

（402）工作面和非工作面两侧碳梁的铺放：按照设定的铺层顺序，在干净平板上，每8层为一组，叠加在一起，进行抽真空预压实，重复上述操作，直至将两侧碳梁的预浸料布层铺放完；

（403）碳梁泡沫2准备：在碳梁泡沫2表面包裹一层耐低温胶膜，贴实；

（404）对金属衬套5的待胶接表面进行吹砂处理，待用；

（405）碳梁组合固化：将处理好的金属衬套5、碳梁泡沫2安放到碳梁模具的下模中，固定；将组合好的两侧碳梁安放到碳梁泡沫2两侧，将下模中碳梁包布向上翻转，包裹住两侧碳梁；将模具上模中的碳梁移植到下模中，并将工作面对应的碳梁包布向下翻转，与非工作面的碳梁包布贴实；将模具挡板安装到相应位置，合模，送入热压机中进行加压成型，固化参数为，模具温度以不高于2℃/min的升温速率升至（125±5）℃，在此条件下保温1.5h～2h，再以不高于2℃/min的降温速率降至50℃以下。

步骤（6）中，叶片组合的具体步骤为：

（601）叶片成型模具准备，使用医用纱布蘸适量丙酮将碳梁模具型腔进行清洁，直至砂布无异色，再用一块干净砂布蘸适量的770nc脱模剂对模具型腔进行擦拭4～6遍,每遍间隔时间10min～15min；

（602）将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片分别铺放在叶片模具的上模具和下模具中，进行抽真空预固化，预固化参数具体的为，真空度≤-0.095mpa，温度（125±5）℃，在此条件下保温保压1h～1.5h；

（603）预固化结束待蒙皮裁片冷却至室温，将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片取出，放置到干净的操作台上；

（604）将第三层～第n1层的工作面蒙皮裁片和第三层～第n2层的非工作面蒙皮裁片分别铺放在叶片成型模具的上模具和下模具中，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将布层铺放完；

（605）将上模具、下模具中的蒙皮取出，放置干净的操作台上；

（604）将第一层和第二层蒙皮裁片铺放在下模具中，再依次将非工作面蒙皮、碳梁、前缘泡沫3、后缘泡沫1和工作面蒙皮安装到下模中，最后将第一层和第二层蒙皮裁片从前缘泡沫3包裹到叶片的工作面；

（605）合模：将上模具和下模具闭合，合模压力为8mpa～10mpa；

（606）固化：将模具放入热压机中进行固化，固化参数具体的为，模具温度以不高于2℃/min的升温速率升至（150±5）℃，在此条件下保温1h～1.5h，以相同的升温速率将模具温度升至（180±5）℃，在此条件下保温3h～3.5h，再以不高于2℃/min的降温速率降至50℃以下；

其中，n1为工作面蒙皮裁片的总层数，n2为非工作面蒙皮裁片的总层数。

步骤（7）中，填块成型的具体步骤为，

（701）填充块成型：

（701a）使用医用纱布蘸取丙酮将填充块模具型腔进行清洁，直至纱布无异色，再用一块干净纱布蘸取脱模剂对填充块模具型腔擦拭4～6遍，每遍间隔时间10min～15min；

（701b）在填充块模具一和填充块模具二的下模中分别铺放对应的填充块预浸料裁片，每铺放6层进行一次抽真空预压实，重复上述操作，直至将布层铺放完；

（701c）将上模具安装到下模具上，合模压力为8mpa～10mpa；

（701d）将合模后的模具放入热压机中进行固化，固化结束，待填充块模具一的工作面填充块10和填充块模具二中的非工作面填充块109冷却至室温，将工作面填充块10和非工作面填充块109取出至干净的工作台上；

（702）锥形块成型：

（702a）使用医用纱布蘸丙酮将锥形块模具型腔进行清洁，直至纱布无异色，再用一块干净纱布蘸脱模剂对锥形块模具型腔进行擦拭4～6遍，每遍间隔时间10min～15min；

（702b）在锥形块模具一和锥形块模具二的上模和下模中分别铺放对应的锥形块预浸料裁片；

（702c）锥形块泡沫（包括工作面锥形块6泡沫和非工作面锥形块76泡沫）准备，使用耐低温粘胶膜分别贴实在锥形块泡沫表面，再放置到铺放好预浸料的下模中；

（702d）将上模具安装到下模具上，合模压力为8mpa～10mpa；

（702e）将合模后的模具放入热压机中进行固化，固化结束，待锥形块模具一的工作面锥形块6和锥形孔模具二中的非工作面锥形块76冷却至室温，将工作面锥形块6和非工作面锥形块76取出至干净的工作台上；

（703）填块胶接：

（703a）使用耐低温胶粘剂将工作面填充块10和工作面锥形块6分别胶接在叶片工作面的根部，将非工作面填充块109和非工作面锥形块76分别胶接在叶片非工作面的根部；

（703b）将胶接后的叶片送入烘箱中，在（70±5）℃下保温2h～3h实现固化；

（704）固化结束，待叶片冷却至室温取出至干净的工作台上；

其中，填充块的位置为从叶身11根部引出向叶根首端所在方向延伸的叶根上的一段，锥形块的位置为从填充块引出向叶根首端所在方向延伸的叶根上的一段，填充块和锥形块分别铺贴在叶片的工作面和非工作面，从侧面看，叶片向外凸的为非工作面，向里凹的为工作面（如图7所示），制备填块时使用到的下模具如图2～5所示。

步骤（8）中缠绕成型的具体步骤为：

（801）将连续碳纤维按照设定的缠绕机穿纱顺序，依次通过出纱口和浸胶辊，在18℃～30℃下浸润在耐低温环氧树脂中，浸润时间为2秒；

（802）使用浸润过的连续碳纤维（本实施例中使用的是日本东丽t700碳纤维）对胶接后的叶根处进行缠绕，缠绕时控制缠绕角度在85°～89°之间，缠绕时控制缠绕张力，具体的缠绕过程为，采用5根纱团，每根纱团展开宽度5mm，保证纱团的转速比和张力；缠绕初始张力为40n/股，每两层递减2n，缠绕到需要的厚度时，张力不再减少；

（803）缠绕结束后（缠绕结束后的缠绕层4为圆锥形），缠绕后的叶片送入固化炉内，固化炉内设有旋转装置，将叶片安装到旋转装置上固定后开始固化，旋转装置带动叶片以2～4r/min的速度转动，固化温度以1～2℃/min的升温速度升至95℃保温8小时，最后以不大于2℃/min的降温速度进行降温，当叶片冷却到室温时完成固化。

耐低温胶粘剂能在-196℃～+80℃温度下长期使用，由环氧树脂和潜伏性固化剂制成；耐低温胶膜能在-196℃～+80℃温度下长期使用，耐低温胶粘剂和耐低温胶膜均为现有技术；本发明中使用的预浸料为高温固化树脂基碳纤维复合材料，分别为dw196/m40j单向预浸料,dw196/t300缎纹预浸料，非工作面填充块109和工作面填充块10中使用的预浸料为缎纹预浸料，其它步骤中铺贴的预浸料为单向预浸料和缎纹预浸料交替使用；叶根处的内部结构参考图8。

与现有技术相比，本发明中先使用泡沫作为叶片制造时的内部支撑，利用泡沫的弹性施加反压，使叶片的各处碳纤维预浸料层铺放时被压实；将第四层工作面蒙皮裁片和第四层非工作面蒙皮裁片进行预固化，改善叶片的表面质量，不易有积胶；碳梁制成盒子状，碳梁的刚度大，叶片不容易变形；填块设置在叶片的根部，填充块为实心结构，位于叶根处承受气动弯矩的部位，同时传递叶根弯矩支反力给碳梁；锥形块位于叶根次受力部位，主要作用为形成叶根缠绕外形，受力较小，锥形块的中间为泡沫芯，泡沫芯的外周包裹有预浸料，最大限度降低叶片重量；缠绕层4包覆叶根，让叶片本体和填块形成一个整体，并利用缠绕层4对叶片进行角向约束和安装角调整，方便叶片与轮毂的连接；可应用于制备低温风洞压缩机的转子叶片的工作中。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。