航空发动机用复合材料支架成型工艺探索

邢 月，胡德艳

(天津波音复合材料有限责任公司，天津 300451)

1 航空发动机用复合材料支架的原材料选择

1.1 碳纤维材料

碳纤维已经成为当前航空发动机用复合材料支架中最常见的原材料，其具有良好的延展性，可大幅提高复合材料的强度。碳纤维材料配置过程中，要把碳纤维材料按照一定的规律和作用形式编织，通过碳纤维材料、胶液和底物的融合，使该系统可以成型[1]。采用的编织方法是三维五向编织工艺，逐步加纱和分段编织，将原有的方形结构转变成圆形结构，让这一区域形成支架中的圆管体系，在该部分中加入预埋件，成型之后将预埋件取出即可。

1.2 胶液材料

选用的成型技术方案是RTM工艺。其优势是经过对预制件的挤压和处理，可以去除该系统中的空隙，从而大幅提高该系统的质量。胶液材料主要为树脂材料，材料的黏度、经过处理之后的性能参数、抗震能力都要能够承受发动机大推重比状态下的力学指标。之后通过对参数的详细分析，合理搭配碳纤维材料、系统的底物、复合材料中的胶液，以提高整个系统的水平。

1.3 底物材料

航空发动机用的复合材料支架就运行参数来看，能够承受的力为2 000 N/个，同时生产过程不可损坏零件，以最大限度确保该系统的精度。选择的底物材料要详细分析各个层级中加入的材料、各类材料的承力参数等，要求所有参数都要处于安全的承力范围内。要分析成型加工过程中底物材料的质量是否下降，以生产出符合承力指标的支架。

2 航空发动机用复合材料支架的成型工艺

2.1 工艺方法的确定

工艺方法的确定要从支架参数、作用难点、支架的处理等多个角度切入。选择不合适的加工工艺会使支架结构存在安全隐患，难以提高支架的制作水平。考虑到航空发动机用复合材料支架上有孔洞，同时该支架对于承力性能的要求较高，一些特性的成型工艺无法使用到支架的生产制作过程中，需要采用符合材料生产要求的加工方法。其中，原材料的铺层热压技术由于难以控制支架的表层完整度，或生成的支架材料对于胶液的处理水平无法满足强度要求，故而该方法不可用。本研究选用的方法是RTM加工工艺，工艺流程是预制件的制作-装模-胶液配置-注胶-升温固化-脱模-检验。其中在支架的圆孔区域制作过程中，采用的方法是在该处加入预埋件，完成后续所有加工工艺之后去除即可。

2.2 工艺设备的确定

选用的工艺设备必须能够满足所有零件的制作，并按照各个零件的制作难点选择最佳的设备，确保制作出的支架各项参数符合要求。航空发动机用复合材料支架生产中的一个难点是碳纤维层的制作，该层零件的制作工艺是三维五向编织法，所以在后续的生产过程中要选择专业的材料编织设备[2]。本研究选择的是三菱公司的TR305设备，其在使用过程可以根据设定的程序和专业工作人员的控制管理，完成所有碳纤维材料的编织工作，使该技术得以发挥应有的作用。零件制作完成后，要按照RTM工艺在设备中固定复合材料底物，并在适当温度环境下加入胶液，经过升温处理后让胶液凝固，从而制作出符合承力条件要求的复合材料支架。

2.3 相关材料的制作

材料制作的最核心技术是各类零件的生产，尤其是复合材料中的炭纤维束。要完全按照专业的技术手段完成生产。制作方法是首先把纤维束伸直，并且要按照一定的角度将其多次重复交叉编织，目的是提高碳纤维层的紧密度，防止存在的空隙过多降低支架的生产质量。其次要关注RTM技术体系下的装模过程。该项工作要分析模具的定位精度、锁紧参数等，确保工作系统和作业形式可以提高整个预制件的作用水平，进一步降低支架零件制作中产生的空隙量。最后是复合材料制作中的胶液黏度控制。要严格确保胶液的使用水平符合要求，让纤维层处于被完全浸渍的情况，才可提高支架结构的成型质量。

2.4 支架设备的制作

支架设备的制作是指在经过了脱模及预制件钻孔之后，要进一步调整该支架的相关参数，要求完全按照支架的设计指标和生产标准通过尺寸测量、承力性能测试等多项工作，分析最终生产出的支架是否可以应用于航空发动机领域。另外，要分析零件设备的运行状态，如支架结构中的小尺寸凹陷、外围区域的毛边等都会导致支架的使用寿命下降。要按照这类缺陷对支架的实际影响分析其是否可用，通过验收后才是完成了支架结构的整个制作任务[3]。

3 航空发动机用复合材料支架成型工艺的质量测试

3.1 试验材料的确定

试验材料有两个，一个是复合材料生产中所需要使用的各类零件，另一个是复合材料最终的生产成品。在使用过程中，要详细分析该系统的作业水平和作用效率，才可确保该系统能够发挥应有的作用。

3.2 实验方法的制定

实验方法的确定要按照当前拉伸强度、弯曲强度、冲击强度以及弹性模量的试验手段完成，同时研究不同环境参数作用下的零件测试结果。与GB/T1447-2005和T1449-2005中的各项指标比较，分析该生产零件是否可用。检测结果表明，常温状态下，T300材料的拉伸强度平均值为559.0 MPa，弯曲强度平均值为630.4 MPa，TR305材料的检测数值分别为706.4 MPa和704.6 MPa。150℃环境下，TR300材料的拉伸强度平均值为363.8 MPa，弯曲强度为70.4 MPa，TR305材料的参数分别为600.4 MPa和113.2 MPa。两类材料的冲击强度分别为122 MPa和147.2 MPa，弹性模量分别为70.3 GPa和76.3 GPa。理论上两种材料都可以应用于支架的制作，考虑到航空发动机用复合材料支架要具备极高的强度，且运行环境通常较为恶劣，所以TR305材料成为更好的选择。

3.3 支架性能分析

支架的参数分析要按照相应的技术手段和设备手段完成测试工作。在抗压试验中，要按照支架的实际工作状态找准承压点和运行角度，将支架的下部固定，在上端面试压，获得测试结果之后读取响应的工作参数，以提高该系统的运行质量。对于零件的剪切实验，要在支架正常运行中需要拧入螺栓的位置上加入适配的螺栓，在这一端上施加压力，同时向支架施压，通过支架的本身结构和外形特征，计算支架薄弱点位置的剪切应力，分析该支架可否稳定安全运行。

3.4 试验结果的获取

试验过程包括外观观察试验和设备模拟试验两种。前者通过观察的方式分析零件的外观是否饱满光洁，并分析是否存在贫胶、无富胶等问题，分析支架上是否存在裂纹等缺陷，确定无该问题时，才可把测试结果和钛合金零件参数对比。测试结果说明，在150℃时，零件的各项力学参数可以保证零件的安全稳定运行。通过和钛合金的比较，发现在同等承力条件下，复合材料支架的重量更低。

4 结语

通过对于零件的制作、胶液的加入等，在适当环境下成型加工，可以制作出符合精度需求的零件。实验结果表明，该支架的力学参数符合发动机正常运行状态下的各项力学要求，且自身重量更低，在航空工业中可大规模应用。