引言
當今衡量發(fā)動機技術水平高低的關鍵指標之一是發(fā)動機的推重比，為了提高推重比，選擇輕質、高強的高性能復合材料成為一種最有效的實現(xiàn)手段。國外經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，樹脂基復合材料因其比強度和比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好等特點，已經(jīng)在發(fā)動機的外涵機匣、葉片、包容機匣以及發(fā)動機短艙等部件上得到大量應用。國內(nèi) 625 所研制的復合材料外涵機匣已在航空發(fā)動機上投產(chǎn)使用。
為了滿足高性能航空發(fā)動機的發(fā)展需求，復合材料的用量必將大大提高。因而我公司盡早啟動復合材料零件制造技術的研制工作非常有必要?？紤]到發(fā)動機上支架數(shù)量較多，若采用復合材料，在減重上必然能夠取得顯著的效果，同時 RTM 成型所需設備與熱壓罐成型所需設備相比，費用低得多；而且該工藝也是 21 世紀復合材料生產(chǎn)領域的主導工藝之一。因此我們決定以支架為研究目標，開展 RTM 方法成型航空發(fā)動機用復合材料支架的預研工作。
1 典型支架零件確定
我們選定了某機上具有代表性的支架零件作為預研目標，結構圖見圖 1。要求試制出的復合材料支架產(chǎn)品表面光潔，纖維飽滿，無富膠和貧膠，無裂紋，目視檢查均勻平整。 4 個支架可承載8000N 壓力。
2.1 成型工藝方法的確定
由于零件形狀不規(guī)整、有孔、尺寸較小，又有一定的強度要求，如果采用航空復合材料制件常用的預浸料鋪層熱壓的方法很難實現(xiàn)，所以我們決定采用具用良好發(fā)展趨勢，工藝整體性好、構件兩面光滑、尺寸精度高的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，各向性能設計性強的三維編織增強體技術，和在打孔處預埋金屬件的方法，試制支架零件。樹脂傳遞模塑工藝(RTM)工藝流程如圖 2 所示。
結合零件的結構和可能的使用情況，增強材料選擇了日本三菱公司的 TR305 和東麗公司的 T300碳纖維，樹脂體系選擇 TDE-86#環(huán)氧樹脂和酸酐固化劑。
2.3 零件制造用主要設備
三維編織機 自制
RTM 配套成型設備 自制
2.4 三維整體編織的工藝要點
復合材料發(fā)動機支架預制件的編織結構采用三維五向結構，采用逐步加紗和分段編織的方法保證外形彎折和第 2 個圓孔的成型，采用方型編織轉換成圓形編織的方法編織最后圓管部分，并放入預埋件。整體織物尺寸較小，成型方向有改變，在方木板上摳出和產(chǎn)品外形相同的凹槽，保證制件沿凹槽成型。
2.5 RTM 成型
2.5.1 模具設計
模具設計是 RTM 工藝的重要環(huán)節(jié)，由于制件形狀比較復雜，采用組合式模具結構，便于脫模。實際模具如圖 3 所示，模具采用四塊組合式構成
三維整體編織件中纖維束紗線在空間呈四向甚至是多向分布，纖維束伸直呈一定的角度多次重復交織，就編織預制件來講是一種多孔的并具有一定空隙結構的材料。RTM 工藝裝模過程中，由于定位、模具鎖緊等，進一步對編織預制件進行壓密，使孔隙度減小，影響基體通過預制件的傳導性，所以 RTM 工藝要求樹脂具有適當?shù)恼扯?，才能保證纖維束被完全浸漬。
根據(jù)樹脂特點，設置一定的注入溫度為，將預制件按順序裝入模具中，密封后，在一定條件下，將樹脂注入模具中并保持一定時間，完全充滿后，封閉模具并放入烘箱固化，自然冷卻后脫模，最后在實心金屬預埋件中鉆孔，完成最終產(chǎn)品。制造完成的復合材料發(fā)動機支架如圖 4。
3.1 主要設備
500℃電熱鼓風干燥箱 沈陽長城設備廠
AG-20kNE 電子拉力機 日本島津
TG328B 光學讀數(shù)分析天平湘儀天平儀器廠
3.2 材料性能試驗
3.2.1 材料
材料性能試驗用試樣有兩種，一種為日本東麗公司 T300 增強的復合材料試樣，一種為日本三菱公司 TR305 增強的材料復合材料試樣，試樣尺寸為 180mm×15mm×4mm。
3.2.2 試驗方法
拉伸性能試驗參照 GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行，彎曲性能試驗參照 GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行。
3.2.3 試驗結果見表 1。
3.3 零件性能試驗
3.3.1 零件制造用材料
由材料性能試驗可看出，TR305 比 T300 碳纖維增強復合材料性能高，150℃下的性能保持率相對較高，因而零件研制時，選用了 TR305 碳纖維增強的復合材料。
3.3.2 試驗方法
根據(jù)零件使用工況，并結合零件的特殊形狀，課題組成員經(jīng)過認真討論，確定了 2 種零件破壞性能測試方法。
a 零件模擬承載試驗（抗壓試驗）
根據(jù)零件實際使用工況，將復合材料支架放在電子拉力機工作臺上，下部固定，上端面施壓，以考核其能承受的最大壓力，示意圖見圖 5。
b 零件嵌入件與復合材料結合力試驗（剪切試驗）
根據(jù)零件在使用中的受力情況，我們選取了合適的螺栓，將其擰入零件嵌入的金屬螺紋內(nèi)，把支架下部固定，給螺栓端面施壓，考核其承受的最大壓力。同時考核了鑲嵌金屬螺紋套與復合材料零件的接合情況。示意圖見圖 6。
零件外觀表面光潔，纖維飽滿，無富膠和貧膠，無裂紋，均勻平整，達到了預計的要求。零件破壞性能試驗結果見表 2。復合材料零件與原金屬零件質量對比試驗結果見表 3。
4 結果討論與分析
從研究結果可看出，用 RTM 成型研制的復合材料支架零件外觀質量優(yōu)良，達到了設計使用要求；同時，零件力學性能也可以滿足設計提出的 4 個支架需承載 8000N 壓力的要求。4 個支架可承載約2.3×4=9.2kN；另外，從復合材料支架與鈦合金支架零件的質量對比結果可看出，復合材料支架與原金屬支架相比可以減重（18.45-11.12）/18.45×100%=39.7%，這很好的滿足了高性能發(fā)動機急需減重的需求。
RTM（ Resin Transfer Molding）成型工藝也叫樹脂傳遞模塑工藝。它是一種是閉模液體成型工藝。其主要原理是采用注射設備將專用注射樹脂體系注入閉合模具。模具內(nèi)預先鋪放好增強材料預成型體。然后，模具被緊固和密封，樹脂被注入摸具。模具上事先設計有注射及排氣孔系統(tǒng)，以保證樹脂順暢流動和模具內(nèi)氣體的順利排出。為了使樹脂能充分的浸潤纖維，模具還具有加熱系統(tǒng)進行加熱固化。這種成型工藝決定了，所制件尺寸精度高，可設計性強，內(nèi)外表面光潔，可嵌入各種增強件，產(chǎn)品纖維含量高，因而產(chǎn)品的機械強度相對較高。但這種工藝不論對基體材料還是增強材料的要求都比較特殊。由于我們選擇了合理的 TDE-86#環(huán)氧樹脂體系、高質量的碳纖維、增強體的編織工藝和成型工藝參數(shù)等，因而使研制出的復合材料支架零件獲得了輕質，高強的效果。
5 結論
1）TR305 碳纖維增強 TDE-86#環(huán)氧樹脂制造的復合材料支架零件，力學性能可以滿足設計要求；同時與鈦合金零件相比，減重效果明顯，約為 40%，達到了課題研制的預期目標；
2）摸索出的 RTM 成型復合材料支架零件的制造方法基本可行，可為我國高性能航空發(fā)動機用復合材料制件的研制提供一定技術支持。(end)
當今衡量發(fā)動機技術水平高低的關鍵指標之一是發(fā)動機的推重比，為了提高推重比，選擇輕質、高強的高性能復合材料成為一種最有效的實現(xiàn)手段。國外經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，樹脂基復合材料因其比強度和比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好等特點，已經(jīng)在發(fā)動機的外涵機匣、葉片、包容機匣以及發(fā)動機短艙等部件上得到大量應用。國內(nèi) 625 所研制的復合材料外涵機匣已在航空發(fā)動機上投產(chǎn)使用。
為了滿足高性能航空發(fā)動機的發(fā)展需求，復合材料的用量必將大大提高。因而我公司盡早啟動復合材料零件制造技術的研制工作非常有必要?？紤]到發(fā)動機上支架數(shù)量較多，若采用復合材料，在減重上必然能夠取得顯著的效果，同時 RTM 成型所需設備與熱壓罐成型所需設備相比，費用低得多；而且該工藝也是 21 世紀復合材料生產(chǎn)領域的主導工藝之一。因此我們決定以支架為研究目標，開展 RTM 方法成型航空發(fā)動機用復合材料支架的預研工作。
1 典型支架零件確定
我們選定了某機上具有代表性的支架零件作為預研目標，結構圖見圖 1。要求試制出的復合材料支架產(chǎn)品表面光潔，纖維飽滿，無富膠和貧膠，無裂紋，目視檢查均勻平整。 4 個支架可承載8000N 壓力。
未注圓角 R5
銳邊側圓 R0.5
按自由公差處理
圖 1 產(chǎn)品結構圖
2.1 成型工藝方法的確定
由于零件形狀不規(guī)整、有孔、尺寸較小，又有一定的強度要求，如果采用航空復合材料制件常用的預浸料鋪層熱壓的方法很難實現(xiàn)，所以我們決定采用具用良好發(fā)展趨勢，工藝整體性好、構件兩面光滑、尺寸精度高的樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，各向性能設計性強的三維編織增強體技術，和在打孔處預埋金屬件的方法，試制支架零件。樹脂傳遞模塑工藝(RTM)工藝流程如圖 2 所示。
圖 2 RTM 工藝流程
結合零件的結構和可能的使用情況，增強材料選擇了日本三菱公司的 TR305 和東麗公司的 T300碳纖維，樹脂體系選擇 TDE-86#環(huán)氧樹脂和酸酐固化劑。
2.3 零件制造用主要設備
三維編織機 自制
RTM 配套成型設備 自制
2.4 三維整體編織的工藝要點
復合材料發(fā)動機支架預制件的編織結構采用三維五向結構，采用逐步加紗和分段編織的方法保證外形彎折和第 2 個圓孔的成型，采用方型編織轉換成圓形編織的方法編織最后圓管部分，并放入預埋件。整體織物尺寸較小，成型方向有改變，在方木板上摳出和產(chǎn)品外形相同的凹槽，保證制件沿凹槽成型。
2.5 RTM 成型
2.5.1 模具設計
模具設計是 RTM 工藝的重要環(huán)節(jié)，由于制件形狀比較復雜，采用組合式模具結構，便于脫模。實際模具如圖 3 所示，模具采用四塊組合式構成
三維整體編織件中纖維束紗線在空間呈四向甚至是多向分布，纖維束伸直呈一定的角度多次重復交織，就編織預制件來講是一種多孔的并具有一定空隙結構的材料。RTM 工藝裝模過程中，由于定位、模具鎖緊等，進一步對編織預制件進行壓密，使孔隙度減小，影響基體通過預制件的傳導性，所以 RTM 工藝要求樹脂具有適當?shù)恼扯?，才能保證纖維束被完全浸漬。
根據(jù)樹脂特點，設置一定的注入溫度為，將預制件按順序裝入模具中，密封后，在一定條件下，將樹脂注入模具中并保持一定時間，完全充滿后，封閉模具并放入烘箱固化，自然冷卻后脫模，最后在實心金屬預埋件中鉆孔，完成最終產(chǎn)品。制造完成的復合材料發(fā)動機支架如圖 4。
圖 4 復合材料發(fā)動機支架
3.1 主要設備
500℃電熱鼓風干燥箱 沈陽長城設備廠
AG-20kNE 電子拉力機 日本島津
TG328B 光學讀數(shù)分析天平湘儀天平儀器廠
3.2 材料性能試驗
3.2.1 材料
材料性能試驗用試樣有兩種，一種為日本東麗公司 T300 增強的復合材料試樣，一種為日本三菱公司 TR305 增強的材料復合材料試樣，試樣尺寸為 180mm×15mm×4mm。
3.2.2 試驗方法
拉伸性能試驗參照 GB/T1447-2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行，彎曲性能試驗參照 GB/T1449-2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行。
3.2.3 試驗結果見表 1。
3.3 零件性能試驗
3.3.1 零件制造用材料
由材料性能試驗可看出，TR305 比 T300 碳纖維增強復合材料性能高，150℃下的性能保持率相對較高，因而零件研制時，選用了 TR305 碳纖維增強的復合材料。
3.3.2 試驗方法
根據(jù)零件使用工況，并結合零件的特殊形狀，課題組成員經(jīng)過認真討論，確定了 2 種零件破壞性能測試方法。
a 零件模擬承載試驗（抗壓試驗）
根據(jù)零件實際使用工況，將復合材料支架放在電子拉力機工作臺上，下部固定，上端面施壓，以考核其能承受的最大壓力，示意圖見圖 5。
b 零件嵌入件與復合材料結合力試驗（剪切試驗）
根據(jù)零件在使用中的受力情況，我們選取了合適的螺栓，將其擰入零件嵌入的金屬螺紋內(nèi)，把支架下部固定，給螺栓端面施壓，考核其承受的最大壓力。同時考核了鑲嵌金屬螺紋套與復合材料零件的接合情況。示意圖見圖 6。
零件外觀表面光潔，纖維飽滿，無富膠和貧膠，無裂紋，均勻平整，達到了預計的要求。零件破壞性能試驗結果見表 2。復合材料零件與原金屬零件質量對比試驗結果見表 3。
4 結果討論與分析
從研究結果可看出，用 RTM 成型研制的復合材料支架零件外觀質量優(yōu)良，達到了設計使用要求；同時，零件力學性能也可以滿足設計提出的 4 個支架需承載 8000N 壓力的要求。4 個支架可承載約2.3×4=9.2kN；另外，從復合材料支架與鈦合金支架零件的質量對比結果可看出，復合材料支架與原金屬支架相比可以減重（18.45-11.12）/18.45×100%=39.7%，這很好的滿足了高性能發(fā)動機急需減重的需求。
RTM（ Resin Transfer Molding）成型工藝也叫樹脂傳遞模塑工藝。它是一種是閉模液體成型工藝。其主要原理是采用注射設備將專用注射樹脂體系注入閉合模具。模具內(nèi)預先鋪放好增強材料預成型體。然后，模具被緊固和密封，樹脂被注入摸具。模具上事先設計有注射及排氣孔系統(tǒng)，以保證樹脂順暢流動和模具內(nèi)氣體的順利排出。為了使樹脂能充分的浸潤纖維，模具還具有加熱系統(tǒng)進行加熱固化。這種成型工藝決定了，所制件尺寸精度高，可設計性強，內(nèi)外表面光潔，可嵌入各種增強件，產(chǎn)品纖維含量高，因而產(chǎn)品的機械強度相對較高。但這種工藝不論對基體材料還是增強材料的要求都比較特殊。由于我們選擇了合理的 TDE-86#環(huán)氧樹脂體系、高質量的碳纖維、增強體的編織工藝和成型工藝參數(shù)等，因而使研制出的復合材料支架零件獲得了輕質，高強的效果。
5 結論
1）TR305 碳纖維增強 TDE-86#環(huán)氧樹脂制造的復合材料支架零件，力學性能可以滿足設計要求；同時與鈦合金零件相比，減重效果明顯，約為 40%，達到了課題研制的預期目標；
2）摸索出的 RTM 成型復合材料支架零件的制造方法基本可行，可為我國高性能航空發(fā)動機用復合材料制件的研制提供一定技術支持。(end)
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