航空發動機用復合材料支架成型工藝探索

邢 月，胡德艷

(天津波音復合材料有限責任公司，天津 300451)

1 航空發動機用復合材料支架的原材料選擇

1.1 碳纖維材料

碳纖維已經成為當前航空發動機用復合材料支架中最常見的原材料，其具有良好的延展性，可大幅提高復合材料的強度。碳纖維材料配置過程中，要把碳纖維材料按照一定的規律和作用形式編織，通過碳纖維材料、膠液和底物的融合，使該系統可以成型[1]。采用的編織方法是三維五向編織工藝，逐步加紗和分段編織，將原有的方形結構轉變成圓形結構，讓這一區域形成支架中的圓管體系，在該部分中加入預埋件，成型之后將預埋件取出即可。

1.2 膠液材料

選用的成型技術方案是RTM工藝。其優勢是經過對預制件的擠壓和處理，可以去除該系統中的空隙，從而大幅提高該系統的質量。膠液材料主要為樹脂材料，材料的黏度、經過處理之后的性能參數、抗震能力都要能夠承受發動機大推重比狀態下的力學指標。之后通過對參數的詳細分析，合理搭配碳纖維材料、系統的底物、復合材料中的膠液，以提高整個系統的水平。

1.3 底物材料

航空發動機用的復合材料支架就運行參數來看，能夠承受的力為2 000 N/個，同時生產過程不可損壞零件，以最大限度確保該系統的精度。選擇的底物材料要詳細分析各個層級中加入的材料、各類材料的承力參數等，要求所有參數都要處于安全的承力范圍內。要分析成型加工過程中底物材料的質量是否下降，以生產出符合承力指標的支架。

2 航空發動機用復合材料支架的成型工藝

2.1 工藝方法的確定

工藝方法的確定要從支架參數、作用難點、支架的處理等多個角度切入。選擇不合適的加工工藝會使支架結構存在安全隱患，難以提高支架的制作水平。考慮到航空發動機用復合材料支架上有孔洞，同時該支架對于承力性能的要求較高，一些特性的成型工藝無法使用到支架的生產制作過程中，需要采用符合材料生產要求的加工方法。其中，原材料的鋪層熱壓技術由于難以控制支架的表層完整度，或生成的支架材料對于膠液的處理水平無法滿足強度要求，故而該方法不可用。本研究選用的方法是RTM加工工藝，工藝流程是預制件的制作-裝模-膠液配置-注膠-升溫固化-脫模-檢驗。其中在支架的圓孔區域制作過程中，采用的方法是在該處加入預埋件，完成后續所有加工工藝之后去除即可。

2.2 工藝設備的確定

選用的工藝設備必須能夠滿足所有零件的制作，并按照各個零件的制作難點選擇最佳的設備，確保制作出的支架各項參數符合要求。航空發動機用復合材料支架生產中的一個難點是碳纖維層的制作，該層零件的制作工藝是三維五向編織法，所以在后續的生產過程中要選擇專業的材料編織設備[2]。本研究選擇的是三菱公司的TR305設備，其在使用過程可以根據設定的程序和專業工作人員的控制管理，完成所有碳纖維材料的編織工作，使該技術得以發揮應有的作用。零件制作完成后，要按照RTM工藝在設備中固定復合材料底物，并在適當溫度環境下加入膠液，經過升溫處理后讓膠液凝固，從而制作出符合承力條件要求的復合材料支架。

2.3 相關材料的制作

材料制作的最核心技術是各類零件的生產，尤其是復合材料中的炭纖維束。要完全按照專業的技術手段完成生產。制作方法是首先把纖維束伸直，并且要按照一定的角度將其多次重復交叉編織，目的是提高碳纖維層的緊密度，防止存在的空隙過多降低支架的生產質量。其次要關注RTM技術體系下的裝模過程。該項工作要分析模具的定位精度、鎖緊參數等，確保工作系統和作業形式可以提高整個預制件的作用水平，進一步降低支架零件制作中產生的空隙量。最后是復合材料制作中的膠液黏度控制。要嚴格確保膠液的使用水平符合要求，讓纖維層處于被完全浸漬的情況，才可提高支架結構的成型質量。

2.4 支架設備的制作

支架設備的制作是指在經過了脫模及預制件鉆孔之后，要進一步調整該支架的相關參數，要求完全按照支架的設計指標和生產標準通過尺寸測量、承力性能測試等多項工作，分析最終生產出的支架是否可以應用于航空發動機領域。另外，要分析零件設備的運行狀態，如支架結構中的小尺寸凹陷、外圍區域的毛邊等都會導致支架的使用壽命下降。要按照這類缺陷對支架的實際影響分析其是否可用，通過驗收后才是完成了支架結構的整個制作任務[3]。

3 航空發動機用復合材料支架成型工藝的質量測試

3.1 試驗材料的確定

試驗材料有兩個，一個是復合材料生產中所需要使用的各類零件，另一個是復合材料最終的生產成品。在使用過程中，要詳細分析該系統的作業水平和作用效率，才可確保該系統能夠發揮應有的作用。

3.2 實驗方法的制定

實驗方法的確定要按照當前拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度以及彈性模量的試驗手段完成，同時研究不同環境參數作用下的零件測試結果。與GB/T1447-2005和T1449-2005中的各項指標比較，分析該生產零件是否可用。檢測結果表明，常溫狀態下，T300材料的拉伸強度平均值為559.0 MPa，彎曲強度平均值為630.4 MPa，TR305材料的檢測數值分別為706.4 MPa和704.6 MPa。150℃環境下，TR300材料的拉伸強度平均值為363.8 MPa，彎曲強度為70.4 MPa，TR305材料的參數分別為600.4 MPa和113.2 MPa。兩類材料的沖擊強度分別為122 MPa和147.2 MPa，彈性模量分別為70.3 GPa和76.3 GPa。理論上兩種材料都可以應用于支架的制作，考慮到航空發動機用復合材料支架要具備極高的強度，且運行環境通常較為惡劣，所以TR305材料成為更好的選擇。

3.3 支架性能分析

支架的參數分析要按照相應的技術手段和設備手段完成測試工作。在抗壓試驗中，要按照支架的實際工作狀態找準承壓點和運行角度，將支架的下部固定，在上端面試壓，獲得測試結果之后讀取響應的工作參數，以提高該系統的運行質量。對于零件的剪切實驗，要在支架正常運行中需要擰入螺栓的位置上加入適配的螺栓，在這一端上施加壓力，同時向支架施壓，通過支架的本身結構和外形特征，計算支架薄弱點位置的剪切應力，分析該支架可否穩定安全運行。

3.4 試驗結果的獲取

試驗過程包括外觀觀察試驗和設備模擬試驗兩種。前者通過觀察的方式分析零件的外觀是否飽滿光潔，并分析是否存在貧膠、無富膠等問題，分析支架上是否存在裂紋等缺陷，確定無該問題時，才可把測試結果和鈦合金零件參數對比。測試結果說明，在150℃時，零件的各項力學參數可以保證零件的安全穩定運行。通過和鈦合金的比較，發現在同等承力條件下，復合材料支架的重量更低。

4 結語

通過對于零件的制作、膠液的加入等，在適當環境下成型加工，可以制作出符合精度需求的零件。實驗結果表明，該支架的力學參數符合發動機正常運行狀態下的各項力學要求，且自身重量更低，在航空工業中可大規模應用。