一种基于国产高韧预浸料体系及风扇叶片成型方法

技术领域

本发明属于复合材料成型领域，特别涉及一种基于国产高韧预浸料体系及风扇叶片成型方法。

背景技术

风扇转子叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。风扇叶片复合材料化不仅可以进一步提高航空发动机的推重比和燃油效率，减轻风扇及发动机质量，还可以提高比刚度、疲劳性能、损伤和缺陷容限等。轻质复合材料风扇叶片已成为现代民用大涵道比航空涡轮风扇发动机风扇叶片的发展方向之一。

进入2000年以来，航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术的迅速发展。以GE90和GEnx发动机复合材料叶片为例，其采用预浸料技术，通过提高树脂的韧性达到提高复合材料损伤容限的目的。目前，复合材料叶片制造和应用技术在国外商用发动机上已趋于成熟，如应用复合材料的GE90发动机已经成功累计飞行800万小时。受限于国产预浸料技术和净尺寸成型技术发展，和国外相比，我国在复合材料风扇叶片成型技术领域的研究处于起步阶段。

大涵道比涡扇发动机复合材料风扇叶片尺寸超过1m，外形变化复杂，由掠形厚度变化叶身与大厚度榫头结构组成，由几毫米到超过一百毫米厚度过渡。采用预浸料铺层一次固化成型，叶身具有气动外形精度，对复合材料预浸料厚度均一性、铺层精度和成型工艺都提出很高要求。国产大推力、大涵道比涡扇发动机复合材料风扇叶片面临高韧高强国产预浸料制备技术、掠形变厚度复合材料转子叶片近净尺寸成型技术以及复合材料风扇叶片工程化生产与应用等技术挑战，现有的国产研制的预浸料体系固化后单层厚度均一性波动较大，无法满足产品近净尺寸成型要求，与国外发展水平差距较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种国产高韧预浸料体系风扇叶片成型方法，国产预浸料采用优选浸渍温度和压力控制，实现在满足韧性使用要求的同时固化后单层厚度可控，且多层厚度稳定精确，满足风扇叶片近净尺寸成型的工艺要求，该国产预浸料铺层和固化的风扇叶片叶身区域无需二次加工，具有良好的净尺寸气动外形精度，内部质量良好无分层缺陷，适用于航空航天领域工程化生产和应用，满足国产高韧复合材料风扇叶片的应用需求。

具体的，采用满足韧性和固化工艺要求的国产碳纤维增强树脂预浸料体系，带挡边刚性阴模和半柔性玻璃钢复合材料随形辅助工装的组合模具形式，通过逐层铺覆预浸料获得变厚度变曲率叶身，分次预压实以排出微气孔改善铺层型面精度，一次固化出近净尺寸的复合材料风扇叶片。使用该预浸料体系成型的复合材料风扇叶片，内部质量良好，气动外形精度通过预浸料铺层工艺保证，除叶片周向与榫头区域留有加工余量外，叶身区域不进行二次加工，克服了常规大尺寸复杂外形结构近净尺寸成型内部质量与外形精度兼容的问题，是一种国产可控、性能稳定的复合材料风扇叶片制造方法，从而完成本发明。

本发明的技术解决方案是：

第一方面，提供了一种基于国产高韧预浸料体系，预浸料包含增强纤维和树脂基体，其制备工艺包括：

S1:采用干法预浸料方法制备，包括将碳纤维保持平直展纱，在碳纤维上下两侧同时覆合树脂胶膜，树脂胶膜由树脂基体构成；

S2:碳纤维和树脂胶膜通过多级压辊渐进式覆合含浸的方式，使树脂胶膜的树脂基体充分浸润碳纤维表面，获得预浸料。

控制多级压辊渐进式覆合含浸过程中多级压辊的含浸温度及含浸压力的参数、对碳纤维和树脂胶膜的选择、和树脂基体的含量，使预浸料中树脂含量及单层厚度均一性。

在第一方面的一个可实现方式中，所述增强纤维为国产T800级碳纤维单向带和二维织物，树脂基体为高韧环氧树脂。

在第一方面的一个可实现方式中，所述预浸料的纤维面密度194±5g/m

在第一方面的一个可实现方式中，所述预浸料固化形成的复合材料的CAI≥320MPa。

在第一方面的一个可实现方式中，所述预浸料的玻璃化转变温度Tg≥180℃。

在第一方面的一个可实现方式中，所述步骤S2中，含浸压力为40psi-70psi；优选的，含浸压力为50psi-60psi。

在第一方面的一个可实现方式中，所述步骤S2中，预浸料的含浸温度为110-125℃；含浸温度优选为114-120℃。

在第一方面的一个可实现方式中，所述步骤S2中，多级压辊渐进式覆合含浸过程中，在含浸温度和含浸压力范围内采用小跨度阶梯渐进式加热，通常为2-3级阶梯。比如：在含浸温度为110-125℃、含浸压力为40psi-70psi的范围内，采用3级阶梯渐进式加热，那么压辊有3级，3级压辊的温度依次为110℃、117.5℃、125℃，四级压辊的含浸压力依次为40psi、55psi、70psi。

第二方面，提供了一种基于国产高韧预浸料体系的风扇叶片成型方法，包括：

步骤1:将上述任一所述的预浸料沿铺层方向分切成多块，每块不超过风扇叶片幅宽的限制；

步骤2:对风扇叶片进行分切，并采用激光投影将分切的风扇叶片投影至模具工作面；

步骤3:在激光投影辅助下，在模具工作面按照分切铺覆步骤1获得的预浸料；

步骤4:每完成100～150层预浸料铺层，在预浸料表面依次铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜、放置玻璃钢复合材料随形盖板，最后包覆透气毡和真空袋，放入热压罐实施预压实处理；

步骤5:重复步骤3和4，在预压实后的预浸料表面继续预浸料铺层、预压实处理，直至达到预定的铺层数量，得到预压实叶片；

步骤6:在预压实叶片表面依次铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜，放置玻璃钢复合材料随形盖板，最后包覆透气毡和真空袋，放入热压罐按照固化制度完成固化后，出罐、脱模。

在第二方面的一个可实现方式中，所述步骤4中，预压实温度为80±5℃、压力为0.3～0.4MPa；步骤5中，固化温度165-185℃、压力0.6-0.8MPa。

在第二方面的一个可实现方式中，所述玻璃钢复合材料随形盖板的厚度为1.5mm～3mm。通过对厚度的限定，实现玻璃钢复合材料随形盖板型面精度和半柔性压实效果的兼顾，厚度过小玻璃钢复合材料盖板容易变形，失去维持型面精度的功能，厚度过大则刚度太大而无法达到随形压实的效果，容易出现局部架空无法压实的内部缺陷。

在第二方面的一个可实现方式中，步骤2中，对风扇叶片预浸料进行分切的的原则为：预浸料铺覆模拟软件中所有出现铺覆性报警的位置，代表曲率变化过大导致整张预浸料无法满足铺覆性要求，会出现变形、褶皱等缺陷的位置，通过对预浸料的分切，改善这些部位的铺覆性，达到铺覆模拟软件收敛要求。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)本发明提供的一种基于国产高韧预浸料体系的风扇叶片成型方法，使用满足风扇叶片近净尺寸成型的国产高韧预浸料体系，该国产高韧预浸料体系通过采用优选的含浸压力和含浸温度，实现质量一致性如预浸料厚度、浸渍度等良好的高韧预浸料。该原材料自主可控，满足手工铺覆和热压罐固化的工艺使用要求，成型后具有较高尺寸精度，叶身区域无需二次加工，工艺实现方法可靠，满足航空航天工程化生产应用需求；

(2)本发明提供的一种基于国产高韧预浸料体系的风扇叶片成型方法，通过预浸料分切拼接改善大曲率区域的预浸料铺贴性，铺层过程中不产生褶皱等影响后续型面精度，通过预浸料填充计算逐层铺覆出叶身不同厚度区域，分次预压实以排出微气孔改善铺层型面精度，在热压罐固化时通过玻璃钢复合材料盖板作为半柔性辅助工装，加强固化过程压力传递和保证外形型面精度，一体近净尺寸成型复合材料风扇，有效提升产品内部和表面质量。

附图说明

图1为本发明一种国产高韧预浸料体系风扇叶片成型示意图。

附图标号说明：

1-玻璃钢复合材料随形盖板；2-风扇叶片；3-模具挡边；4-模具工作面；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种基于国产高韧预浸料体系及风扇叶片成型方法，如图1所示，其中：

一种国产高韧预浸料体系，用于铺层风扇叶片2的主体部分。

预浸料包含增强纤维和树脂基体，增强纤维为国产T800级碳纤维单向带和二维织物，树脂基体为高韧环氧树脂。

预浸料的制备工艺包括：

S1:采用干法预浸料方法制备，将碳纤维展纱在一定张力下保持平直，在碳纤维上下两侧同时覆合含浸树脂胶膜，树脂胶膜由树脂基体构成；

S2:通过碳纤维和树脂胶膜通过多级压辊渐进式覆合方式，使树脂胶膜的树脂基体充分浸润碳纤维表面，获得树脂对碳纤维表面充分浸润的预浸料材料。对多级压辊渐进式覆合含浸过程中多级压辊的含浸温度及含浸压力的参数控制，控制预浸料中树脂含量及单层厚度均一性。

通过上述预浸料的制备工艺对预浸料进行加工，得到的预浸料的厚度均一性更好、工艺稳定性更好。用该预浸料进行风扇叶片的成型，其能够满足风扇叶片近净尺寸成型要求。预浸料制备的含浸压力和温度对于保证预浸料质量均一性和固化后单层厚度一致性具有关键作用，含浸压力过小不利于树脂对碳纤维的充分浸渍，容易导致预浸料厚度不可控；含浸压力过大则树脂流动过度，容易在两端挤出，导致实际厚度过低和不稳定，均会导致预浸料在幅宽厚度方向上树脂分布不均匀。预浸料含浸通过多对热辊，采用温度梯度渐进式加温的方式促进树脂对碳纤维的充分浸润，含浸温度过度不利于树脂浸润碳纤维，而含浸温度过高同样会导致树脂过度流动或树脂预聚改变预浸料的黏性等工艺性能。

单向带预浸料单层固化厚度为0.185±0.005mm，预浸料中树脂含量34±2％，单层固化厚度为0.185±0.005mm。预浸料具有较高的耐温等级，玻璃化转变温度Tg≥180℃。预浸料具有高韧性性能，固化后的复合材料CAI≥320MPa。

一种基于国产高韧预浸料体系的风扇叶片成型方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1，将上述国产预浸料沿铺层方向分切成多块，改善大曲率表面预浸料的铺覆性能，每块不超过幅宽1000mm的限制；

步骤2，对风扇叶片预浸料进行分切，并采用激光投影将分切的风扇叶片投影至阴模铺层模具表面，阴模铺层模具表面为模具工作面4；

具体的，预浸料进行分切的的原则为：预浸料铺覆模拟软件中所有出现铺覆性报警的位置，代表曲率变化过大导致整张预浸料无法满足铺覆性要求，会出现变形、褶皱等缺陷的位置，通过对预浸料的分切，改善这些部位的铺覆性，达到铺覆模拟软件收敛要求。

步骤3，在激光投影辅助下，在模具工作面4按照分切进行预浸料手工铺覆，不同分块之间拼接采用对接方式，要求无闪缝；

步骤4，每完成100～150层预浸料铺层，在预浸料表面依次铺覆铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜、放置玻璃钢复合材料随形盖板1，最后包覆透气毡和真空袋，放入热压罐实施预压实处理，预压实温度为80±5℃，压力为0.3～0.4MPa，预压实后去除预浸料表面辅助材料；

步骤5，在预压实后的预浸料表面继续进行预浸料铺层，重复步骤3和4，直至达到预定的铺层数量，得到预压实叶片；

步骤6，所有铺层完成后，在预压实叶片表面依次铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜，放置随形玻璃钢复合材料盖板1，盖板由模具挡边3定位，玻璃钢复合材料随形盖板的厚度为1.5mm～3mm。最后包覆透气毡和真空袋，放入热压罐按照固化制度完成固化，固化温度165-185℃，压力0.6-0.8MPa，出罐、脱模，得到风扇叶片，风扇叶片的叶身部分为净尺寸成型，不进行二次加工。

通过预浸料分切以及拼接铺层，改善了大曲率区域的预浸料铺贴性，铺层过程中不产生褶皱等影响后续型面精度。分次预压实以排出微气孔改善铺层型面精度，在热压罐固化时通过玻璃钢复合材料盖板作为半柔性辅助工装，加强固化过程压力传递和保证外形型面精度，有效提升产品内部和表面质量。

实施例

实施例1

一种国产高韧预浸料体系，预浸料为国产TG800-12k/603B碳纤维单向预浸料，603B为高韧环氧树脂，树脂含量34％。

该预浸料的制备工艺为：

采用干法预浸料方法制备，将碳纤维展纱在一定张力下保持平直，通过在碳纤维上下两侧同时覆合含浸树脂胶膜的方式制得预浸料；通过碳纤维和树脂胶膜通过多级压辊渐进式覆合方式，调节多级压辊的含浸温度为114-120℃及含浸压力为50psi-60psi，在含浸温度和含浸压力范围内采用小跨度阶梯渐进式加热，本实施例中，压辊为3级，获得树脂对碳纤维表面充分浸润的预浸料材料。

对获得的预浸料铺覆100层固化后进行厚度检测，检测结果如表1。

实施例2

一种国产高韧预浸料体系，预浸料为国产TG800-12k/603B碳纤维单向预浸料，603B为高韧环氧树脂，树脂含量34％。

该预浸料的制备工艺为：

采用干法预浸料方法制备，将碳纤维展纱在一定张力下保持平直，通过在碳纤维上下两侧同时覆合含浸树脂胶膜的方式制得预浸料；通过碳纤维和树脂胶膜通过多级压辊渐进式覆合方式，调节多级压辊的含浸温度为110-125℃及含浸压力为35psi-50psi，在含浸温度和含浸压力范围内采用小跨度阶梯渐进式加热，本实施例中，压辊为3级，获得树脂对碳纤维表面充分浸润的预浸料材料。

对获得的预浸料铺覆100层固化后进行厚度检测，检测结果如表1。

实施例3

一种国产高韧预浸料体系，预浸料为国产TG800-12k/603B碳纤维单向预浸料，603B为高韧环氧树脂，树脂含量34％。

该预浸料的制备工艺为：

采用干法预浸料方法制备，将碳纤维展纱在一定张力下保持平直，通过在碳纤维上下两侧同时覆合含浸树脂胶膜的方式制得预浸料；通过碳纤维和树脂胶膜通过多级压辊渐进式覆合方式，调节多级压辊的含浸温度为105℃-120℃及含浸压力为35psi-60psi，在含浸温度和含浸压力范围内采用小跨度阶梯渐进式加热，本实施例中，压辊为3级，获得树脂对碳纤维表面充分浸润的预浸料材料。

对获得的预浸料铺覆100层固化后进行厚度检测，检测结果如表1。

表1预浸料的性能检测表

根据上述实施例，实施例1-3的含浸温度和压力不同，制得的预浸料单层固化厚度不同，通过筛选出适合的含浸温度和压力获得满足风扇叶片净尺寸成型要求的国产高韧预浸料体系。通过上述技术方案，可以看出，100层预浸料固化后是单层预浸料固化后厚度的精确的100倍，所以本申请多层累加后，预浸料的厚度稳定性和均一性较好。

实施例4

一种基于国产高韧预浸料体系的风扇叶片成型方法，预浸料为国产TG800-12k/603B碳纤维单向预浸料，603B为高韧环氧树脂，树脂含量34％，预浸料单层固化厚度为0.19mm。预浸料玻璃化转变温度Tg＝180℃，固化后复合材料的冲击后压缩CAI值为330MPa。该预浸料为实施例1获得的预浸料。

该国产高韧预浸料用于成型掠形宽弦复合材料风扇叶片，叶片长度＞1m，宽度＞0.5m，为变厚度变曲率异型结构，厚度由叶身的几毫米榫头部位厚度最大120mm过渡。

其制备步骤为：(1)将上述国产预浸料沿铺层方向分切成多块，每块不超过幅宽1000mm的限制；(2)在激光投影辅助下，在阴模成型模具表面进行预浸料手工铺覆，不同分块之间拼接采用对接方式，要求无闪缝；(3)每完成150层预浸料铺层，在预浸料表面依次铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜、透气毡和真空袋包覆，放入热压罐实施预压实处理，预压实温度为80℃，保温2h，压力为0.3MPa；(4)预压实后去除预浸料表面辅助材料，继续在表面进行预浸料铺层，重复步骤(2)(3)，直至达到预定的铺层数量；(5)将在预浸料表面依次铺覆聚四氟乙烯玻璃布、无孔聚乙烯膜，放置玻璃钢复合材料随形盖板，盖板由铺层模具表面的挡边定位。最后包覆透气毡和真空袋，放入热压罐固化，固化温度180℃，压力0.8MPa；(6)出罐后脱模，风扇叶片叶身部分为净尺寸成型，不进行二次加工。

制得的复合材料风扇叶片成型质量良好，无分层、疏松等内部质量缺陷，叶身净尺寸成型区域产品的型面精度≤±0.6mm。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。