金属包覆层、复合材料叶片以及金属包覆层和叶片制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种通过使用网状包覆层对复合材料风扇叶片进行包覆增强的制备技术。本发明可以使复合材料叶片在遭受外物损伤时的能量得到快速消散，最大限度地保护叶片的完整性，提升树脂基复合材料风扇叶片的抗冲击、抗分层能力，有效保证复合材料风扇叶片工作的可靠性和安全性。本发明还公开了一种航空发动机的风扇叶片，其包括：由树脂基复合材料形成的叶片本体，以及形成在叶片本体的至少一部分的表面上以包覆叶片本体的至少一部分的金属包覆层。其中，金属包覆层与复合材料风扇叶片可以采用模压工艺复合成型。对于局部增强结构，可以采用模压工艺一次复合成型，对于整体增强结构，可以采用模压工艺二次复合成型。
【专利说明】金属包覆层、复合材料叶片以及金属包覆层和叶片制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空发动机复合材料风扇叶片的制备与增强技术。
【背景技术】
[0002]风扇叶片是航空涡扇发动机的重要部件，涡扇发动机的整体性能与风扇叶片的性能密切相关。随着航空发动机性能的不断提高，其涵道比也在不断增加，采用更大尺寸的风扇叶片已经成为大涵道比发动机的发展趋势。随着风扇叶片尺寸的不断增大，风扇重量在发动机总重量中的比重也不断提高，因此，降低风扇重量是发动机减重和提高效率的一个重要手段。树脂基复合材料风扇叶片可以有效降低叶片重量，但风扇叶片边缘处的厚度薄、强度低，在外物撞击下，树脂基复合材料风扇叶片边缘更加容易产生损伤，甚至断裂，危害发动机安全。如果在树脂基复合材料风扇叶片上采用合适的网状包覆层对其进行局部包边或者对叶片进行全覆盖包覆，则可以在保证不增加复合材料风扇叶片重量的前提下，有效地提高复合材料风扇叶片的可靠性和安全性。
【发明内容】
[0003]为此，本发明使用网状包覆层对树脂基复合材料风扇叶片进行包覆增强。
[0004]航空涡扇发动机树脂基复合材料风扇叶片在工作时，受离心载荷和气动载荷的共同作用，会发生弯曲和扭转变形，叶尖处复合材料易产生剥离和脱层；当风扇叶片受到外物撞击时，会导致叶片损伤甚至断裂失效。通过使用网状包覆层对复合材料风扇叶片进行局部包覆增强(对风扇叶片的前缘、叶尖和后缘等部位局部包边)或整体包覆增强(对风扇叶片整体包覆)，可以有效提高复合材料风扇叶片叶尖、叶缘等处的强度，可以使复合材料叶片在遭受外物损伤时的能量得到快速消散，最大限度地保护叶片的完整性，提升树脂基复合材料风扇叶片的抗冲击、抗分层能力，起到叶片增强的效果，有效保证复合材料风扇叶片工作的可靠性和安全性。同时，采用本发明涉及的复合材料风扇叶片成型工艺具有明显的低成本效益。
[0005]本发明提供了一种用于包覆叶片的金属包覆层的制造方法，包括:
[0006]多根柔性的经向金属丝沿经线方向送丝；
[0007]多根柔性的纬向金属丝沿纬线方向送丝；
[0008]编织所述多根经向金属丝和所述多根纬向金属丝，以形成金属丝网；
[0009]焊接所述金属丝网以形成金属包覆层。
[0010]本发明还提供了一种局部包覆有金属包覆层的叶片的制造方法，包括:
[0011]根据叶片外形，确定主预浸料铺层、内增强预浸料铺层、金属包覆层、外增强预浸料铺层的外形；
[0012]将主预浸料铺层铺放到模具内以得到叶片的基体；
[0013]在主预浸料铺层的外表面铺覆内增强预浸料铺层；[0014]在内增强预浸料铺层的外表面的预定部位铺覆金属包覆层；
[0015]在金属包覆层的外表面铺覆外增强预浸料铺层，以形成铺层组合体；
[0016]加热并加压所述铺层组合体，以固化成型并形成叶片。
[0017]本发明还提供了一种整体包覆有金属包覆层的叶片的制造方法，包括:
[0018]根据叶片外形，确定主预浸料铺层、内增强预浸料铺层、金属包覆层、外增强预浸料铺层的外形；
[0019]将主预浸料铺层铺放到模具内以得到叶片的基体；
[0020]在主预浸料铺层的外表面铺覆内增强预浸料铺层，以形成第一铺层组合体；
[0021]加热并加压第一铺层组合体以使其固化成型；
[0022]在内增强预浸料铺层的外表面整体地铺覆金属包覆层；
[0023]在金属包覆层的外表面铺覆外增强预浸料铺层，以形成第二铺层组合体；
[0024]加热并加压所述第二铺层组合体，以形成叶片。
[0025]本发明还提供了一种航空发动机的风扇叶片，其包括:
[0026]叶片本体，其由树脂基复合材料形成；
[0027]金属包覆层，其形成在所述叶片本体的至少一部分的表面上以包覆所述叶片本体的至少一部分。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中:
[0029]图1示意性地示出了金属丝网的制备工艺；
[0030]图2示意性地示出了金属丝网的编织结构的示意图；
[0031]图3示意性地示出了局部包覆增强复合材料风扇叶片的铺层的横截面结构示意图；
[0032]图4示意性地示出了局部包覆增强复合材料风扇叶片的结构示意图；
[0033]图5a示意性地示出了整体包覆增强复合材料风扇叶片在铺覆金属包覆层前铺层的横截面结构示意图；
[0034]图5b示意性地示出了根据图5所示的整体包覆增强复合材料风扇叶片在铺覆金属包覆层后铺层的横截面结构示意图；
[0035]图6示意性地示出了整体包覆增强复合材料风扇叶片的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]树脂基复合材料风扇叶片外形为掠形宽弦结构，其外形经气动和强度设计满足大涵道比涡扇发动机对风扇叶片的性能要求。
[0037]根据风扇叶片主体复合材料的强度、刚度设计要求，通过精确控制起包覆增强作用的金属丝网的形状与刚度，提升叶片前缘、后缘、叶尖等关键部位抗变形和冲击能力。
[0038]如图1和图2所示，图1示出了金属丝网的制备工艺，图2示出起包覆作用的金属丝网的编织结构的示意图。
[0039]为更好控制金属丝网的整体刚度与焊接质量，金属丝网设计为被编织并被激光焊接的混合结构，选用导热快、韧性好的金属丝交错焊接而成。例如，可以采用不锈钢或者钛合金材料的金属丝。金属丝直径控制在0.5?1.2mm范围内，金属丝网基本结构如图2所
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[0040]参照图1，每个卷轴I上沿其圆周绕有经向金属丝2，多个卷轴I设置在卷轴模块上，每个卷轴I上的金属丝2沿经线方向运动，它相当于纺织领域的经纱运动。经向金属丝2经过一系列的杆或者辊子10以使金属丝2之间的相对距离保持稳定，并维持一定的张紧力，随后径向金属丝2进入纬向金属丝送入机构3，纬向金属丝送入机构3可以有选择地控制纬向金属丝4，这样纬向金属丝4就可以以一定的角度穿过经向金属丝2，通过控制纬向金属丝送入机构3的动作次序控制经向金属丝2和纬向金属丝4的交叉方式，从而决定金属丝网的交织结构与角度，形成具有编织结构的金属丝网5。具体地，上述编织可以为平纹编织，其中，该径向金属丝与纬向金属丝的角度Θ可以为45° ±5°，形成金属丝网5的网络结构的边长I可以为l-8mm。可选择地，上述编织也可以为缎纹编织，其中，该径向金属丝与纬向金属丝的角度Θ可以为60° ±5°，形成金属丝网5的网格结构的边长I可以为I?8mm。图2示意性地示出了金属丝网5的基本结构形式，这类似于纺织工业的织布工艺。
[0041]接下来，已经形成编织结构的金属丝网5继续沿着经线方向进入焊接模块6，该焊接模块6包括一个支撑平台7和YAG脉冲激光焊接装置8，通过卷轴9的拖拽作用，具备编织结构的金属丝网5被拖拽着通过YAG激光焊接装置8。由于金属丝的直径较细，且比较致密，为保证金属丝网5的焊接质量和整体柔韧度，采用激光交替焊接的方法排布焊点，如图2所示，单位面积内焊点的数目和分布通过对YAG脉冲激光焊接装置8的动作顺序进行控制得以实现。金属丝网比较细且焊壁薄，为了保证焊接质量，脉冲激光焊接的脉冲宽度不宜超过IOms,功率不大于20J,焦点位于金属网表面以下0.2mm。如果卷轴9的拖拽速度足够慢，就能够实现图2所示的编织和焊接混合的金属丝网结构。
[0042]最后，经过焊接处理的金属丝网通过卷轴9的拖拽，在一定张紧力的作用下缓慢地缠绕在卷轴9上，至此，就完成了用于局部地或整体地包覆叶片的金属包覆层的制备。
[0043]复合材料风扇叶片包覆增强工艺通过以下方式实现:
[0044]1.复合材料风扇叶片局部包覆增强工艺
[0045]局部包覆增强复合材料风扇叶片(RSGL-FB)的制备可以采用一次模压成型工艺。
[0046]如上所述，起包覆增强作用金属丝网的金属丝一般选择不锈钢材料，为保持金属丝网的整体刚度并使其具备一定的柔性，金属丝的直径控制在0.5?1.2mm范围内。
[0047]首先，将碳纤维/环氧树脂预浸料用冲模法按照风扇叶片几何外形截取各个铺层，利用计算机放样确定各个铺层的尺寸与外形，采用手工铺放方式按照设计的铺层顺序铺放，得到复合材料叶片基体的碳纤维预浸料铺层11，并将其定置于模具内。
[0048]然后在其外另外铺覆3?5层玻璃纤维预浸料12，玻璃纤维预浸料12采用与碳纤维预浸料11 一样的环氧树脂，接下来在玻璃纤维预浸料12的外面包覆金属丝网13，最后再在金属丝网13外铺放2?4层玻璃纤维预浸料14，风扇叶片铺层的横截面结构如图3所示。
[0049]关于起增强作用金属丝网13的几何外形，应根据叶尖、叶缘等不同包覆部位的几何外形，裁剪与其几何外形相对应的包覆层15，局部包覆增强风扇叶片结构示意图如图4所示。
[0050]金属丝网的经线和纬线交错成平纹结构，金属丝网Θ角的范围设定在45° ±5° ,每个金属网格边长I的范围控制在I?8mm。
[0051]通过控制Θ角、调整焊接点18的数目与分布来调节金属丝网的刚度与柔性，使其达到与复合材料风扇叶片刚度较为接近，有利于包覆层与复合材料叶片的结合，保证成型性能，且重量较轻。
[0052]根据风扇叶片不同包覆部位的受载情况，对起增强作用金属丝网的网格密度要求也不同，对叶尖部位19，金属网格结构的网格边长I控制在I?3_，对叶片前缘20和后缘21，金属网格结构的网格边长I控制在3?6mm。
[0053]最后，在温度160?180°C范围，1.2Mpa压力下对其进行加热、加压固化成型。
[0054]固化成型后再对叶片表面进行吹砂处理，打底漆，并涂上耐冲刷涂层。
[0055]2.复合材料风扇叶片整体包覆增强工艺
[0056]整体包覆增强复合材料风扇叶片(RSGL-FB)的制备可以采用二次模压成型工艺。
[0057]如上所述，起包覆增强作用金属网的金属丝选用不锈钢材料，为保持金属丝网的整体刚度并使其具备一定的柔性，金属丝的直径范围可控制在0.5?1.2_之间。
[0058]首先，将碳纤维/环氧树脂预浸料用模板法截取各个铺层，利用计算机放样，根据风扇叶片的几何外形，确定各个铺层的尺寸与外形，采用手工方法铺覆得到复合材料叶片基体的碳纤维预浸料铺层11’，并将其定置于模具内，然后在其外表面再铺覆4?5层玻璃纤维预浸料12’，玻璃纤维预浸料采用与碳纤维预浸料一样的环氧树脂，其截面图如图5a所示。
[0059]然后在160?180°C范围，1.2Mpa下对其加热、加压固化成型得到不带增强结构的
复合材料风扇叶片，开模后冷却至室温，并检查其表面质量。
[0060]根据风扇叶片外形，裁剪得到可将风扇叶片整体包覆的金属丝网包覆层22，将不带增强结构的复合材料风扇叶片整体包裹，并用凯夫拉纤维将包覆层在叶尖23、叶片前缘24和叶片后缘25等部位缝合，实现对风扇叶片的整体包覆增强。
[0061]然后再在金属丝网22外表面铺放3?6层玻璃纤维预浸料14’，复合材料风扇叶片铺层的横截面结构如图5b所示。
[0062]金属丝网的经线和纬线交错成平纹结构，Θ角的范围设定在45° ±5°之间，每个金属网格边长I的范围控制在I?8mm。
[0063]如图6所示，根据风扇叶片不同部位的受载情况不同，对起增强作用金属丝网的网格密度要求也不相同，对于叶尖部位23，金属网格边长I的范围控制在I?3mm，前缘24和后缘25，金属网格边长I的范围控制在3?6_，其他部位金属网格边长I的范围控制在5 ?8mm ο
[0064]最后，在160?180°C温度范围、I?1.2Mpa条件下对已经整体包覆好的复合材料风扇叶片进行加热、加压固化成型。
[0065]固化结束后再对叶片表面进行吹砂处理，打底漆，并涂上耐冲刷涂层。
[0066]为了更好达到风扇叶片二次增强，还可以通过更改金属丝网选材与结构的方式实现
[0067]包覆层金属网的金属丝材料还可以采用钛合金，为保持包覆层网的整体刚度并使其具备一定的柔性，钛合金金属丝的直径范围控制在0.5?1.2mm之间。
[0068]金属丝网的经线和纬线交错成缎纹结构，Θ角范围取60° ±5°，每个金属网格边长I范围为I?8mm。
[0069]通过控制Θ角、调整焊接点的数目与焊点分布调节金属丝网的刚度与柔性，使其达到与复合材料风扇叶片刚度较为接近，有利于包覆层与复合材料叶片的结合，保证成型性能，且重量较轻。
[0070]根据风扇叶片不同包覆部位的受载情况，对于叶尖部位金属网，金属网格边长I范围控制在I?3mm,叶缘等部位,金属网格边长I范围控制在3?6mm,其他部位的金属网格边长I范围控制在5?8mm。
[0071]根据上述工艺可以得到的一种航空发动机的风扇叶片。该风扇叶片包括叶片本体和金属包覆层，其中，该叶片本体由树脂基复合材料形成，该金属包覆层形成在叶片本体的至少一部分的表面上以包覆叶片本体的至少一部分。
[0072]如上文所述，该金属包覆层可以为金属丝网。
[0073]具体地，该金属包覆网的材料可以为不锈钢或钛合金。
[0074]优选地，形成金属丝网的金属丝的直径在0.5-1.2mm之间。
[0075]可选择地，该金属丝网为经向金属丝和纬向金属丝形成的平纹网格结构。进一步地，该经向金属丝和所述纬向金属丝的夹角为45° ±5°，所述平纹网格结构的网格边长可以为1-8_。选择性地，该平纹网格结构的网格边长可以为1-3_。选择性地，平纹网格结构的网格边长可以为3-6_。选择性地，该平纹网格结构的网格边长可以为5-8_。
[0076]可选择地，该金属丝网为经向金属丝和纬向金属丝形成的缎纹网格结构。进一步地，该经向金属丝和该纬向金属丝的夹角为60° ±5°，该缎纹网格结构的网格边长为l-8mm。选择性地，该缎纹网格结构的网格边长为l_3mm。选择性地，该缎纹网格结构的网格边长为3-6_。选择性地，该缎纹网格结构的网格边长为5-8_。
[0077]本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于包覆叶片的金属包覆层的制造方法，包括: 多根柔性的经向金属丝沿经线方向送丝； 多根柔性的纬向金属丝沿纬线方向送丝； 编织所述多根经向金属丝和所述多根纬向金属丝，以形成金属丝网； 焊接所述金属丝网以形成金属包覆层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接步骤中，采用脉冲激光焊接。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在脉冲激光焊接中，脉冲宽度不大于IOms,功率不大于20J,焦点位于所述金属丝网表面以下0.2mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝和/或所述纬向金属丝的材料为不锈钢或钛合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝和/或所述纬向金属丝的直径为 0.5-1.2mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述编织步骤中，所述编织为平纹编织。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝与所述纬向金属丝的角度为45° ±5°，所述网格结构的网格边长为l-8mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述编织步骤中，所述编织为缎纹编织。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝与所述纬向金属丝的角度为60° ±5°，所述网格结构的网格边长为l-8mm。
10.一种航空发动机的风扇叶片，其包括: 叶片本体，其由树脂基复合材料形成； 金属包覆层，其形成在所述叶片本体的至少一部分的表面上以包覆所述叶片本体的至少一部分。
11.根据权利要求10所述的风扇叶片，其特征在于，所述金属包覆层为金属丝网。
12.根据权利要求11所述的风扇叶片，其特征在于，所述金属包覆网的材料为不锈钢或钛合金。
13.根据权利要求11所述的风扇叶片，其特征在于，形成所述金属丝网的金属丝的直径在0.5-1.2mm之间。
14.根据权利要求11所述的风扇叶片，其特征在于，所述金属丝网为经向金属丝和纬向金属丝形成的平纹网格结构。
15.根据权利要求14所述的风扇叶片，其特征在于，所述经向金属丝和所述纬向金属丝的夹角为45° ±5°，所述平纹网格结构的网格边长为l_8mm。
16.根据权利要求15所述的风扇叶片，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为l-3mm。
17.根据权利要求15所述的风扇叶片，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为3-6mm。
18.根据权利要求15所述的风扇叶片，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为5-8mm。
19.根据权利要求11所述的风扇叶片，其特征在于，所述金属丝网为经向金属丝和纬向金属丝形成的缎纹网格结构。
20.根据权利要求19所述的风扇叶片，其特征在于，所述经向金属丝和所述纬向金属丝的夹角为60° ±5°，所述缎纹网格结构的网格边长为l-8mm。
21.根据权利要求20所述的风扇叶片，其特征在于，所述缎纹网格结构的网格边长为l-3mm。
22.根据权利要求20所述的风扇叶片，其特征在于，所述缎纹网格结构的网格边长为3-6mm。
23.根据权利要求20所述的风扇叶片，其特征在于，所述缎纹网格结构的网格边长为5-8mm。
24.一种局部包覆有金属包覆层的叶片的制造方法，包括: 根据叶片外形，确定主预浸料铺层、内增强预浸料铺层、金属包覆层、外增强预浸料铺层的外形； 将主预浸料铺层铺放到模具内以得到叶片的基体； 在主预浸料铺层的外表面铺覆内增强预浸料铺层； 在内增强预浸料铺层的外表面的预定部位铺覆金属包覆层； 在金属包覆层的外表面铺覆外增强预浸料铺层，以形成铺层组合体； 加热并加压所述铺层组合体，以固化成型并形成叶片。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述主预浸料铺层的材料为碳纤维/环氧树脂。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述内增强预浸料铺层和/或所述外增强预浸料铺层的材料为玻璃纤维或玻璃纤维/环氧树脂。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在加热加压步骤中，温度为160-180°C，压强为1-1.2MPa。
28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述金属包覆层为金属丝网。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述金属丝网的材料为不锈钢或钛合金。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述金属丝网由经向金属丝和纬向金属丝形成的平纹网格结构，其中，所述经向金属丝和纬向金属丝之间的角度为45° ±5°，所述平纹网格结构的网格边长为1_8_。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝和纬向金属丝的直径为 0.5-1.2mm。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为l-3mm。
33.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为3-6mm。
34.一种整体包覆有金属包覆层的叶片的制造方法，包括: 根据叶片外形，确定主预浸料铺层、内增强预浸料铺层、金属包覆层、外增强预浸料铺层的外形；将主预浸料铺层铺放到模具内以得到叶片的基体； 在主预浸料铺层的外表面铺覆内增强预浸料铺层，以形成第一铺层组合体； 加热并加压所述第一铺层组合体以使其固化成型； 在内增强预浸料铺层的外表面整体地铺覆金属包覆层； 在金属包覆层的外表面铺覆外增强预浸料铺层，以形成第二铺层组合体； 加热并加压所述第二铺层组合体，以形成叶片。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述主预浸料铺层的材料为碳纤维/环氧树脂。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述内增强预浸料铺层和/或所述外增强预浸料铺层的材料为玻璃纤维或玻璃纤维/环氧树脂。
37.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，在加热加压第一铺层组合体的步骤中，温度为 160-180°C，压强为 1-1.2MPa。
38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，在加热加压第二铺层组合体的步骤中，温度为 160-180°C，压强为 1-1.2MPa。
39.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述金属包覆层为金属丝网。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述金属丝网的材料为不锈钢或钛合金。
41.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述金属丝网由经向金属丝和纬向金属丝形成的平纹网格结构，其中，所述经向金属丝和纬向金属丝之间的角度为45° ±5°，所述网格结构的网格边长为1_8_。
42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述经向金属丝和纬向金属丝的直径为 0.5-1.2mm。
43.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为I_3mmο
44.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为3_6mm0
45.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为5_8mm0
46.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述金属丝网由经向金属丝和纬向金属丝形成的缎纹网格结构，其中，所述经向金属丝和纬向金属丝之间的角度为60° ±5°，所述网格结构的网格边长为1_8_。
47.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述缎纹网格结构的网格边长为l-3mm。
48.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述缎纹网格结构的网格边长为3-6mm。
49.根据权利要求46所述的方法，其特征在于，所述平纹网格结构的网格边长为5-8mm。
【文档编号】F01D5/12GK103628923SQ201210306227
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】石随林, 陈巍, 赵宪涛 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司