專利名稱：纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空發(fā)動機機匣技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動
機風扇包容環(huán)。
背景技術(shù)：
航空發(fā)動機非包容事故會導(dǎo)致機毀人亡的嚴重空難。如果高速高能的危險碎片穿 透機匣飛出，會擊傷飛機的機艙、油箱、液壓管路和電器控制線路等，導(dǎo)致機艙失壓、油箱泄 漏起火、飛機操控失靈等二次破壞，嚴重危及飛行安全?？梢姾娇瞻l(fā)動機機匣的包容能力對 于飛機的安全性是至關(guān)重要的，因此關(guān)于高強度和高性能機匣的研究一直方興未艾。
航空發(fā)動機包容機匣包括位于發(fā)動機風扇葉片外圍的包容環(huán)，相對于發(fā)動機其它 部位的包容機匣來說包容環(huán)的性能要求更高。早期包容環(huán)普遍采用具有高強度結(jié)構(gòu)的鋼或 者鋁合金/鈦合金為材料，具有強度高、韌性好，防護效果好的優(yōu)點。但是鋼、鋁合金、鈦合 金材料的密度和質(zhì)量都很大，制成的包容環(huán)極為笨重，逐漸被質(zhì)量和結(jié)構(gòu)輕巧、包容能力強 的高強度纖維纏繞增強包容環(huán)和全復(fù)合材料包容環(huán)所取代。 現(xiàn)有纖維纏繞增強包容環(huán)由纖維增強環(huán)氧樹脂制成，一般為在內(nèi)襯金屬層外纏繞 樹脂浸濕的高強度纖維絲或纖維束，將預(yù)浸漬好樹脂的纖維絲或纖維束按設(shè)計好的纏繞方 向分層纏繞后固化成型即可。其纏繞過程可以采用手工或者纖維纏繞機執(zhí)行，但該方法纏 繞過程復(fù)雜，纏繞圈數(shù)多，消耗工時，而且由于是通過纖維絲或纖維束直接纏繞的，纖維層 間強度低，弱化了機匣的包容性能。同時，纏繞時纖維層中纖維和基體界面間比較容易出現(xiàn) 缺陷和氣孔，工藝難以控制。 全復(fù)合材料包容環(huán)通常采用編織布交叉纏繞層合的方式或者三維編織的方式制 備。與層合方式制備的包容環(huán)相比，三維編織全復(fù)合材料包容環(huán)在厚度方向具有較高的剪 切強度和斷裂韌性，減少了分層破壞對包容環(huán)包容能力的削弱，但是需要采用三維立體織 造技術(shù)，其加工方法繁瑣，生產(chǎn)周期長，成本很高。傳統(tǒng)的編織布纏繞增強的復(fù)合材料包容 環(huán)，雖然制造方便，但是由于包容環(huán)兩端的纖維不連續(xù)，在高速沖擊載荷下，包容環(huán)承受拉 應(yīng)力的纖維很容易出現(xiàn)松弛，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松垮，降低包容性能。三維編織全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損 傷模式和破壞準則目前仍然沒有準確的認識和把握，針對承受高速沖擊載荷的包容環(huán)，不 得不采用大裕度的載荷設(shè)計措施，這也妨礙了三維編織全復(fù)合材料包容環(huán)的應(yīng)用。
中國專利200610113400. 9中公開了一種纖維增強的金屬/陶瓷層狀復(fù)合包容機 匣，其具有至少一個金屬層/纖維層/陶瓷層三明治結(jié)構(gòu)，其中三明治結(jié)構(gòu)是在高溫下通過 活性鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝、活性金屬釬焊工藝將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接在一起。 該包容機匣硬度高、韌性好、重量輕，具有較好的防護高速物體沖擊的能力，可廣泛應(yīng)用在 各種類型的渦輪風扇航空發(fā)動機中上。但是該類機匣制備工藝復(fù)雜，成本較高，而且金屬/ 陶瓷層的力學性能缺乏完善的強度準則，設(shè)計機匣時很大程度上需要采用比較大的載荷裕 度和安全系數(shù)，制約了其應(yīng)用。 目前常用的熱固性復(fù)合材料制件的生產(chǎn)方法主要包括手糊成型，手糊袋壓成型，
3噴射成型，纏繞、拉擠成型，樹脂傳遞模塑成型(RTM)，樹脂膠膜浸潤成型(RFI)以及預(yù)浸料 /熱壓罐成型和模壓成型等。其中預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝由于施工簡便，對工人的技能要 求不高，生產(chǎn)效率高，制品具有更高的致密度，性能更穩(wěn)定且強度好，得到了廣泛的應(yīng)用；其 步驟一般包括根據(jù)鋪層設(shè)計、按施工工藝要求在模具上進行纏繞鋪貼，接著進行制袋，以 使其內(nèi)部處于真空狀態(tài)并產(chǎn)生負壓，最終消除成型過程中的孔隙率，制袋完成后，送入熱壓 罐中，在80 180°C的溫度下，2 5個大氣壓的壓力下，整個固化過程持續(xù)6 8h即固化 成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其以連續(xù)纏繞的壓 平的纖維束二維編織管為骨架，輔以樹脂固化制備而成，具有強度高、韌性好、重量輕且抗 撞擊分層能力和包容能力優(yōu)異的特點。 —種纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，該包容環(huán)由纖維增強樹脂基復(fù)合 材料制成，所述的纖維為壓平的纖維束二維編織管，所述的纖維束二維編織管沿長度方向 繞包容環(huán)軸心布置。 所述的纖維束二維編織管是采用現(xiàn)有的二維二向編織或二維三向編織而成，利用 織造領(lǐng)域常規(guī)的二維二向編織裝置將經(jīng)線和緯線交織成現(xiàn)有的編織紋飾組織或者利用織 造領(lǐng)域常規(guī)的二維三向編織裝置將第一方向線、第二方向線和第三向線交織成現(xiàn)有的編織 紋飾組織即可(如圖3所示)，其中，所述的經(jīng)線、緯線、第一方向線、第二方向線或第三向線
均為纖維束。 所述的編織紋飾組織可選用平紋組織、緞紋組織或斜紋組織等。 所述的壓平的纖維束二維編織管的寬度根據(jù)現(xiàn)有的包容環(huán)的寬度來確定。 所述的纖維束優(yōu)選高強度、高韌性的纖維束，該類纖維束抗拉強度一般達到
1300MPa以上，比強度達到6X104111 12X104m，比模量高達5X106111 16Xl()6m，在提高強
度的同時，大大的減輕了重量，如碳纖維束(T300、T700)或芳綸纖維束(Kevlar、聚間苯二
甲酰間苯二胺纖維即芳綸1313、聚對苯二甲酰對苯二胺纖維即芳綸1414)等。 所述的樹脂優(yōu)選具有固化收縮率低(僅1% 3% )、粘結(jié)性好、機械性能優(yōu)良、電
絕緣且耐腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能的環(huán)氧樹脂，可選用多官能團環(huán)氧樹脂(如二氨基二
苯甲烷環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂等)、雙酚A型環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯型環(huán)氧樹脂或脂環(huán)族
環(huán)氧樹脂等，例如航空材料中常用市售產(chǎn)品環(huán)氧樹脂4211、環(huán)氧樹脂5208、環(huán)氧樹脂914C
等中的一種。 所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)的制備方法，包括以下步驟
(1)采用現(xiàn)有二維編織技術(shù)將纖維束編織成纖維束二維編織管，然后將纖維束二 維編織管壓平形成纖維束編織布帶； (2)將上述纖維束編織布帶，預(yù)浸漬好樹脂后，逐層纏繞鋪貼于模具上，經(jīng)熱壓固 化成型，得到包容環(huán)，或者將上述纖維束編織布帶逐層纏繞鋪貼于模具上，在灌注樹脂后經(jīng) 熱壓固化成型，得到包容環(huán)。 采用壓平的纖維管在操作過程中不易出現(xiàn)纖維的滑動和彎曲現(xiàn)象，纖維方向的一 致性和準直度可以得到較好的控制。此外，在熱壓罐壓力的作用下，可以實現(xiàn)較高的纖維含量，得到較高力學性能的包容環(huán)。 所述的熱壓固化成型可采用現(xiàn)有的熱壓罐固化成型，其工藝參數(shù)與現(xiàn)有一般復(fù)合 材料的固化成型參數(shù)相同，即固化溫度(包括升降溫速度、恒溫溫度及固化溫度)、成型壓 力(包括加壓時機、壓力大小)及保溫保壓時間等參數(shù)，根據(jù)所選用的環(huán)氧樹脂和纖維束 材料來確定。 一般在80 18(TC的溫度下，2 5個大氣壓的壓力下，整個固化過程持續(xù) 6 8h進行固化成型。環(huán)氧樹脂的用量根據(jù)熱壓固化的條件和纖維的FAW值(即纖維單位 重量)和RC值(即樹脂含浸比率)具體確定，一般環(huán)氧樹脂的重量為纖維重量的20% 30% ，為了提高包容性能，應(yīng)該盡量提高纖維含量和致密度。 所述的模具包括用于纏繞纖維束編織布帶的芯模，芯模的兩端沿徑向延伸形成阻 擋部件，該阻擋部件將纏繞在芯模上的纖維束編織布帶的邊緣固定，防止纖維束編織布帶 在纏繞的過程中滑出。為了方便操作，可在芯模的兩端安裝法蘭，充當阻擋部件。
所述的芯模根據(jù)需要制備的包容環(huán)的形狀來確定，可以采用截面為圓形或類圓形 (如橢圓等)的筒狀芯模來制備規(guī)則環(huán)形的包容環(huán)，多用于發(fā)動機風扇外圍；也可以采用錐 形、圓臺形的芯模來制備不規(guī)則環(huán)形的包容環(huán)，多用于發(fā)動機包容機匣的外涵機匣(即發(fā) 動機包容機匣中除了風扇包容環(huán)的其他部位包容機匣)等。 本發(fā)明所述的發(fā)動機風扇包容環(huán)還能作為航空發(fā)動機的冷端包容環(huán)，如低壓壓氣
機的機匣、高壓壓氣機的機匣等。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點 與傳統(tǒng)的包容環(huán)相比，本發(fā)明纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)采用比強 度和比模量很高的高強度復(fù)合材料纖維增強，具有重量更輕、包容能力更強的優(yōu)點。輪盤 1/2破裂試驗及數(shù)值仿真計算結(jié)果表明，在相同的包容能力要求下(即包容爆裂后高速離 心飛出的1/2輪盤碎片)，本發(fā)明包容環(huán)比金屬材料包容環(huán)的重量減輕70%以上，比傳統(tǒng)的 纖維纏繞增強包容環(huán)的重量減輕25%以上。 同時，本發(fā)明纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)具有很強的抗撞擊分層能 力。這得益于編織纖維束的連續(xù)性，本發(fā)明的包容環(huán)在高速沖擊載荷作用下，承受周向和軸 向拉應(yīng)力能力大大提高值，特別是軸向抗拉強度可以提高40%以上。而且壓平的薄壁纖維 束二維編織管以雙層為一個層間單元，在層間也具有一定的連續(xù)性，抗分層能力增加。
本發(fā)明包容環(huán)的制備方法操作簡單，采用現(xiàn)有的常規(guī)織造設(shè)備和固化設(shè)備即可， 無需特殊的專用設(shè)備，成本低。制造內(nèi)直徑在1.5米 2.0米的航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其 成本只有鈦合金機匣的十分之一，傳統(tǒng)纖維纏繞增強包容環(huán)的二分之一左右。


圖1為本發(fā)明包容環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明模具的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3 圖9為本發(fā)明包容環(huán)中壓平的纖維管的編織紋飾組織結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2所示，本發(fā)明模具包括用于纏繞纖維束編織布帶4的圓筒狀芯模1，芯模1 的兩端安裝有法蘭2和法蘭3，通過鎖緊螺釘5鎖緊法蘭2和法蘭3，法蘭2和法蘭3上均
5設(shè)有頂絲孔，用于脫模時放置鎖緊螺釘。
實施例1 制做按150座級大飛機使用的航空發(fā)動機風扇包容環(huán)約12倍的比例縮小的試驗測試包容環(huán)。采用二維三向編織機，選用目前市場上性價比最優(yōu)的12k(即一個碳纖維束中含有12000根碳纖維絲)的T300碳纖維束作為第一方向線、第二方向線和第三向線，按照如圖3所示的二維三向編織方式，編織出半周長為72mm的纖維束二維三向編織管。然后將纖維束二維三向編織管壓平成寬度為72mm的雙層編織布帶，有效避免裁剪引入纖維束橫向斷裂。 將上述雙層編織布預(yù)浸高韌性環(huán)氧樹脂5208基體后，在外徑為小150mm的圓筒形模具上纏繞成形。采用熱壓罐固化成型將纏繞制品的模具套上密封膠袋，抽真空至相對真空度為-0. 096MPa，然后推進熱壓釜內(nèi)，通入蒸汽，升溫至85°C ，恒溫30分鐘，繼續(xù)升溫至125 °C ，保溫2小時，排出纏繞制品間隙中的氣泡；然后以每分鐘0. 5 °C的降溫速率進行降溫，降溫至9(TC時加壓0. 4MPa，降溫至6(TC時卸壓，整個固化過程為7個小時。經(jīng)熱壓固化后脫模，即可得到內(nèi)徑小150mm，高度72mm，厚度12mm的包容環(huán)試驗件，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。
將上述包容環(huán)試驗件進行輪盤1/2破裂試驗，實驗數(shù)據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果表明，在相同的包容能力要求下(即包容爆裂后高速離心飛出的1/2輪盤碎片)，上述包容環(huán)試驗件比金屬材料包容環(huán)的重量減輕90%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)的重量減輕40%。
將上述包容環(huán)試驗件在高速沖擊載荷作用下進行力學性能測試，結(jié)果表明，上述包容環(huán)試驗件承受周向和軸向拉應(yīng)力能力明顯高于金屬材料包容環(huán)和傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)，其軸向抗拉強度比金屬材料包容環(huán)提高了 83%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 70% ;其抗分層能力比金屬材料包容環(huán)提高了 85%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 66%。
實施例2 制做按150座級大飛機使用的航空發(fā)動機風扇包容環(huán)約12倍的比例縮小的試驗測試包容環(huán)。采用二維二向編織機，選用目前市場上性價比最優(yōu)的12k高強度碳纖維束T700作為經(jīng)線和緯線，交織成具有如圖5所示的平紋組織的纖維束二維二向編織管，纖維束二維二向編織管的半周長為72mm，將纖維纖維束二維二向編織管壓平形成寬度為72mm的纖維束編織布帶。 將上述雙層編織布預(yù)浸高韌性環(huán)氧樹脂4211基體后，在外徑為小150mm的圓筒形模具上纏繞成形。采用熱壓罐固化成型將纏繞制品的模具套上密封膠袋，抽真空至相對真空度為-0. 09MPa，然后推進熱壓釜內(nèi)，通入蒸汽，升溫至9(TC，恒溫30分鐘，繼續(xù)升溫至130°C ，保溫2小時，排出纏繞制品間隙中的氣泡；然后以每分鐘0. 8°C的降溫速率進行降溫，降溫至95。C時加壓0. 35MPa，降溫至60°C時卸壓，整個固化過程為6個小時。經(jīng)熱壓固化后脫模，即可得到內(nèi)徑小150mm，高度72mm，厚度12mm的包容環(huán)試驗件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 將上述包容環(huán)試驗件進行輪盤1/2破裂試驗，實驗數(shù)據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果表明，在相同的包容能力要求下(即包容爆裂后高速離心飛出的1/2輪盤碎片)，上述包容環(huán)試驗件比金屬材料包容環(huán)的重量減輕85%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)的重量減輕42%。
將上述包容環(huán)試驗件在高速沖擊載荷作用下進行力學性能測試，結(jié)果表明，上述
6包容環(huán)試驗件承受周向和軸向拉應(yīng)力能力明顯高于金屬材料包容環(huán)和傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)，其軸向抗拉強度比金屬材料包容環(huán)提高了 75%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 60% ;其抗分層能力比金屬材料包容環(huán)提高了 78%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 45%。
實施例3 制做150座級大飛機使用的航空發(fā)動機風扇包容環(huán)。采用現(xiàn)有二維三向編織技術(shù)，以Kevlar49作為第一方向線、第二方向線和第三向線，按照如圖3所示的二維三向編織方式，編織出半周長為320mm的纖維束二維三向編織管。然后將纖維束二維三向編織管壓平成寬度為320mm的雙層編織布帶。 將上述雙層編織布預(yù)浸由Ciba公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂914C，在外徑為小1800mm、寬度為320mm的圓筒形芯模1上纏繞成形，纏繞的厚度為30mm。采用熱壓罐固化成型將纏繞制品的模具套上密封膠袋，抽真空至相對真空度為-0. 095MPa，然后推進熱壓釜內(nèi)，通入蒸汽，升溫至IO(TC，恒溫35分鐘，繼續(xù)升溫至14(TC，保溫2小時，排出纏繞制品間隙中的氣泡；然后以每分鐘0. 9°C的降溫速率進行降溫，降溫至80°C時加壓0. 2MPa，降溫至60°C時卸壓，整個固化過程為8個小時。經(jīng)熱壓固化后脫模，即可得到內(nèi)徑(M800mm，高度320mm，厚度30mm的包容環(huán)試驗件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 將上述包容環(huán)試驗件進行輪盤1/2破裂試驗，實驗數(shù)據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果表明，在相同的包容能力要求下(即包容爆裂后高速離心飛出的1/2輪盤碎片)，上述包容環(huán)試驗件比金屬材料包容環(huán)的重量減輕88%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)的重量減輕45%。
將上述包容環(huán)試驗件在高速沖擊載荷作用下進行力學性能測試，結(jié)果表明，上述包容環(huán)試驗件承受周向和軸向拉應(yīng)力能力明顯高于金屬材料包容環(huán)和傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)，其軸向抗拉強度比金屬材料包容環(huán)提高了 79%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 80% ;其抗分層能力比金屬材料包容環(huán)提高了 76%，比傳統(tǒng)的纖維纏繞增強包容環(huán)提高了 75%。
權(quán)利要求
一種纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，該包容環(huán)由纖維增強樹脂基復(fù)合材料制成，其特征在于所述的纖維為壓平的纖維束二維編織管，所述的纖維束二維編織管沿長度方向繞包容環(huán)軸心布置。
2. 如權(quán)利要求1所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其特征在于所述的纖維束二維編織管采用二維二向編織或二維三向編織。
3. 如權(quán)利要求1所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其特征在于所述的纖維束為碳纖維束或芳綸纖維束。
4. 如權(quán)利要求1所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其特征在于所述的樹脂為環(huán)氧樹脂。
5. 如權(quán)利要求4所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其特征在于所述的環(huán)氧樹脂為多官能團環(huán)氧樹脂、雙酚A型環(huán)氧樹脂、縮水甘油酯型環(huán)氧樹脂或脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。
6. 如權(quán)利要求5所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，其特征在于所述的環(huán)氧樹脂為二氨基二苯甲烷環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂4211、環(huán)氧樹脂5208、環(huán)氧樹脂914C中的一種。
7. 如權(quán)利要求1 6任一項所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)的制備方法，包括以下步驟(1) 將纖維束編織成纖維束二維編織管，然后將纖維束二維編織管壓平形成纖維束編織布帶；(2) 將上述纖維束編織布帶，預(yù)浸漬好樹脂后，逐層纏繞鋪貼于模具上，經(jīng)熱壓固化成型，得到包容環(huán)，或者將上述纖維束編織布帶逐層纏繞鋪貼于模具上，在灌注樹脂后經(jīng)熱壓固化成型，得到包容環(huán)。
8. 如權(quán)利要求7所述的纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)的制備方法，其特征在于所述的模具包括用于纏繞纖維束編織布帶的芯模，芯模的兩端沿徑向延伸形成用于固定纖維束編織布帶邊緣的阻擋部件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種纖維增強復(fù)合材料航空發(fā)動機風扇包容環(huán)，該包容環(huán)由纖維增強樹脂基復(fù)合材料制成，所述的纖維為壓平的纖維束二維編織管，所述的纖維束二維編織管沿長度方向繞包容環(huán)軸心布置。本發(fā)明的包容環(huán)具有抗碎片撞擊分層能力高、碎片包容能力優(yōu)異、重量輕、成本低等優(yōu)點，本發(fā)明還公開了該包容環(huán)的制備方法，其操作簡單，采用現(xiàn)有的常規(guī)織造設(shè)備和固化設(shè)備即可，無需特殊的專用設(shè)備。
文檔編號B64C7/02GK101723086SQ20091015383
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者丁志偉, 宣海軍, 陸曉 申請人:浙江大學