航空材料需要同時兼具高模量和輕量化，據(jù)英國羅羅公司報道，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由于同時具備這兩個優(yōu)異性能，已經(jīng)在航空發(fā)動機風扇葉片上獲得越來越廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段，許多CFRP航空部件的生產(chǎn)已部分實現(xiàn)了自動化。通常采用纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成半成品預(yù)浸料，按照設(shè)計要求、沿一定取向鋪成薄薄的片材，隨后在一定的溫度和壓力下，經(jīng)高能耗、高成本的熱壓罐工藝長時間固化成型，生產(chǎn)過程耗時又耗資。
近日，德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（Fraunhofer IPT）的一個研究團隊為航空發(fā)動機CFRP葉片開發(fā)出了更具成本效益的自動化生產(chǎn)技術(shù)。
該團隊沒有選用熱固性的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，轉(zhuǎn)而采用碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）。CFRTP已經(jīng)在航空結(jié)構(gòu)件上使用了幾十年，擁有良好的輕量化結(jié)構(gòu)性能以及出色的抗沖擊性能，自動化成型工藝速度快且靈活。因為是熱塑性材料，無需化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)來強化，只需要加熱融化并控制降溫過程中的固化壓力，還可以加熱重塑。
“熱塑性復(fù)合材料更適合高效的制造工藝，”Fraunhofer IPT纖維復(fù)合材料和激光系統(tǒng)技術(shù)部負責人Henning Janssen博士介紹說。經(jīng)過大量實驗后，研究團隊首次成功將全自動鋪帶和熱成型工藝合二為一，用于航空發(fā)動機葉片的生產(chǎn)。
靈活的工藝鏈：自動鋪帶和熱成型
通過一套已獲得商用許可證的全自動鋪帶系統(tǒng)，熱塑性單向帶（UD）沿結(jié)構(gòu)件所需的受力方向?qū)訉盈B加，從而獲得了高彈性的多層有機板。研究者通過各種傳感器監(jiān)測并記錄每個自動化的工藝環(huán)節(jié)。
有機板將在接下來的工藝環(huán)節(jié)中被加熱，并通過熱成型工藝近凈成型為所需的形狀。前期進行的系列測試，首先在16mm厚的碳纖維織物增強PA12復(fù)合材料上進行，并很快轉(zhuǎn)移在碳纖維單向帶增強PEEK復(fù)合材料上進行。
銑削加工FRP部件的系列測試
熱成型之后，有機板的邊角料被剪裁下來，部件被銑削加工成最終的形狀。由于材料結(jié)構(gòu)的不均勻性，對FRP進行銑削加工極具挑戰(zhàn)性。同時，碳纖維復(fù)合材料會在銑刀邊緣出現(xiàn)很嚴重的粘刀現(xiàn)象，從而導(dǎo)致刀具磨損嚴重及加工質(zhì)量波動。
延長刀具壽命的可行方法是采用帶多晶金剛石（PCD）涂層的銑刀。在探索小型CFRP葉片機械加工法的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)PCD涂層能夠顯著延長刀具的服役壽命。同時，定制設(shè)計的銑削工藝對加工質(zhì)量也會產(chǎn)生積極影響。
在各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
Fraunhofer IPT發(fā)動機力學(xué)業(yè)務(wù)部主管Daniel Heinen表示：“CFRTP的首個應(yīng)用成果表明相互關(guān)聯(lián)的葉片制造和精加工工藝非常有效，葉片的徑向和前后緣間都獲得了很好的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在我們要對各工藝環(huán)節(jié)進行審視和優(yōu)化。”
未來幾個月中，若干個研究計劃將著手對新工藝在不用工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進行研究。研究者對高性能熱塑性PEEK基復(fù)合材料和有機板內(nèi)嵌傳感器技術(shù)很感興趣。在有機板內(nèi)部置入傳感器不僅能夠?qū)Τ尚凸に囘M行監(jiān)測，還可以對發(fā)動機服役過程中的葉片狀態(tài)進行監(jiān)控。該項目還同時對新工藝在航空發(fā)動機定子和機艙部件，以及其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。
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