一种复合材料叶片rtm成型方法
阅读说明：本技术 一种复合材料叶片rtm成型方法 (RTM (resin transfer molding) method for composite material blade ) 是由 刘强 黄峰 赵龙 马金瑞 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种复合材料叶片的RTM成型方法,本发明采用复合材料真空辅助渗透技术的原理(即复合材料VARI技术),即通过真空吸取的形式,将定型剂均匀地吸附入干态风扇叶片预制体毛坯内部,然后在真空作用和适当温度条件下,将定型剂内部的稀释溶剂挥发,得到预定型后的叶片预制体毛坯,使风扇叶片预制体毛坯内部只留下均匀分布的低含量的树脂,既起到定型效果又不残留溶剂异物；然后将预定型后的叶片预制体毛坯扭转裁切得到精确预制体,再放置进模具RTM成型的方法,避免了干态纤维预制体在扭转和裁切过程中的起毛变形现象,显著提高了机织复合材料叶片的RTM成型质量。(The invention relates to a RTM (resin transfer molding) method of a composite blade, which adopts the principle of a composite vacuum assisted infiltration technology (namely a composite VARI technology), namely, a shaping agent is uniformly absorbed into a dry fan blade preform blank in a vacuum absorption mode, and then a diluent solvent in the shaping agent is volatilized under the conditions of vacuum action and proper temperature to obtain a pre-shaped blade preform blank, so that only uniformly distributed low-content resin is left in the fan blade preform blank, and the shaping effect is achieved without solvent foreign matters; and then twisting and cutting the preformed blade preform blank to obtain an accurate preform, and then placing the precise preform into a mold RTM (resin transfer molding) for molding, so that the fluffing and deformation phenomena of the dry fiber preform in the twisting and cutting processes are avoided, and the RTM molding quality of the woven composite material blade is obviously improved.)
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料液态成型技术领域，特别是涉及一种复合材料叶片RTM成型方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等独特的优点，已广泛应用于航空飞行器和发动机结构，成为航空装备的关键材料，其用量也已成为航空装备先进性的标志之一。复合材料叶片是广泛应用于航空发动机的一种具有高精度要求的复合材料制件，复合材料叶片直接影响发动机的气动性能和噪音指标，同时还需要承受高速旋转产生的巨大的离心力、高速气流产生的气动力、叶片振动产生的疲劳载荷以及砂石、飞鸟等外来物的冲击等，对材料性能、成型质量和成型精度具有极高的要求。
树脂转移模塑成型技术，简称RTM成型技术(Resin Transfer Molding)是近年来在航空、航天等领域广泛应用的一种液态成型复合材料制造技术。其原理是在刚性模具型腔内铺放按性能和结构要求设计好的干态纤维预成型体，在特定的耐压容器即树脂贮存罐内将树脂加热到设定的注射温度，然后采用注射设备将低粘度树脂注入到模具型腔内，使树脂与纤维充分浸润，按照树脂的工艺规范进行升温固化，最后得到与模具型腔形状一致的复合材料零件。由于RTM成型技术的高精度成型优势，目前已在异形复杂结构的复合材料零件，特别是发动机复合材料叶片上得到广泛应用。
预制体是复合材料零件采用RTM技术成型前的中间体，其精度决定了成型复合材料构件的最终成型质量，由于发动机复合材料叶片具有较高的抗冲击要求，因此需采用2.5D/3D机织结构成型预制体。然而采用碳纤维整体织造成型的2.5D/3D机织预制体，其预制体采用数千根碳纤维纱线相互交织而成，内部结构无法完全致密，使预制体的厚度较理论厚度偏厚，尤其针对大变厚度的发动机复合材料叶片，其厚度变化可从1.5mm变化至60mm，形状复杂。
机织复合材料风扇叶片的成型工序流程为机织叶片预制体展平态织造-预制体扭转及裁边-预制体模具定位-成型合模-RTM工艺注射-固化-脱模。其中，预制体在模具中的定位方法已公开。其中，预制体的扭转及裁边工序是在预制体织造完成后，RTM固化成型前完成。由于机织叶片预制体是由干态纤维织造完成，在成型前为柔性状态，极易在搬运、扭转、裁边、合模过程中发生变形现象，导致成型后的零件结构变形；此外，由于干态纤维极易摩擦起毛断裂，在预制体裁边过程中该现象更为明显，不但容易产生边缘纤维起毛，严重的时候会导致局部表层纤维断裂；或是裁切下的短切纤维进入预制体内部，产生异物污染预制体的现象。以上缺陷，如不克服，会导致RTM成型后的机织复合材料叶片质量不稳定，无法满足发动机零件高质量和高一致性的要求。
因此，发明人提供了一种提高RTM成型复合材料叶片成品率的方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种复合材料叶片RTM成型方法，解决了现有技术的RTM成型后的机织复合材料叶片质量不稳定，无法满足发动机零件高质量和高一致性的要求的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种复合材料叶片RTM成型方法，复合材料叶片包括榫头和叶身，该RTM成型方法至少包括以下步骤S110～步骤S170：
步骤S110，将展平状态的干态叶片预制体毛坯安装在毛坯定型模板上，在榫头的位置放置进胶管，在叶身的位置放置出胶管，然后封装真空袋，形成封闭系统。
步骤S120，将封闭系统放在烘箱中抽真空处理，采用真空辅助树脂渗透的方法将定型剂通过真空由所述进胶管吸入所述叶片预制体毛坯，多余的定型剂通过所述出胶管排出封闭系统后，关闭真空。
步骤S130，将封闭系统升温并保持30min～1h，继续抽真空5min～10min。
步骤S140，将封闭系统降温，去除真空袋，从毛坯定型模板上取下预定型后的叶片预制体毛坯。
步骤S150，将预定型后的叶片预制体毛坯放置在扭转变形平台上，通过在扭转变形平台上内置的加热装置对叶片预制体毛坯加热软化，然后缓慢压紧，得到扭转后的叶片预制体毛坯；
步骤S160，将扭转变形平台降温，对扭转后的叶片预制体毛坯进行裁边处理，得到近净尺寸的扭转后的叶片预制体。
步骤S170，将步骤S160得到的叶片预制体放入成型模具中，采用树脂和RTM工艺对叶片预制体注射成型后得到复合材料叶片。
进一步地，所述叶片预制体毛坯为复合材料叶片在RTM成型前的毛坯预制体，采用机织方式织造成型。
进一步地，所述模具本体和侧模之间设有第一密封槽。
进一步地，在所述步骤S110中，所述毛坯定型模板的型面采用叶片预制体毛坯展平状态的下表面型面加工。
进一步地，所述步骤S120中，所述定型剂采用与树脂[50]与溶剂稀释后得到，稀释的比例为1:20～1:50，所述溶剂为低沸点的丙酮或乙醇溶剂，所述定型剂采用的树脂与所述步骤S170中注射时采用的树脂体系一致。
进一步地，所述步骤S120中，所述采用真空辅助树脂渗透的方法将定型剂通过真空由所述进胶管吸入所述叶片预制体毛坯时的真空度为-0.02MPa～-0.05MPa。
进一步地，所述步骤S150中，所述扭转变形平台包括上半模和下半模，所述上半模和下半模的型面分别与成型后的复合材料叶片的吸力面和压力面一致。
进一步地，所述上半模为分块设计，在所述步骤S150中，所述上半模的分块和所述下半模配合，对步骤S140预定型后的叶片预制体毛坯进行分区域扭转变形控制。
(3)有益效果
1、本发明通过对干态叶片预制体进行预定型处理，使其具有一定的硬挺度，保证了内部结构稳定，解决了叶片预制体在搬运、扭转、裁边、合模过程中发生变形现象，也可以防止干态纤维在预制体裁边过程中的摩擦起毛断裂现象。
2、本发明采用的定型剂含量低(2％～5％)，且与注射时采用的树脂体系一致，既不会阻碍树脂对预制体的渗透，也不会在树脂注射和固化时产生树脂与定型剂体系不一致的相容性问题；
3、本发明采用的预制体专用的毛坯定型模板可以维持叶片预制体毛坯的阶梯状厚度形态，不会发生预制体在预定型过程中型面变化的现象，有利于保持叶片预制体毛坯形态的一致性；
4、本发明采用的扭转变形平台可以是分体形式，使预制体的扭转变形过程可控性高，一致性好；
5、本发明实施简单，不需对现有的RTM工艺设备和模具进行大规模改造，具有良好的RTM工艺普适性；
综上所述，本发明提出了一种复合材料叶片RTM成型方法，通过对复合材料叶片干态机织预制体进行树脂浸渍预定型，然后扭转裁切得到精确预制体，再放置进模具RTM成型的方法，避免了干态纤维预制体在扭转和裁切过程中的起毛变形现象，显著提高了机织复合材料叶片的RTM成型质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中复合材料的叶片预制体毛坯的示意图；
图2是本发明实施例中叶片预制体毛坯的预定封闭系统的示意图；
图3是本发明实施例中叶片预制体毛坯的扭转变形场景示意图；
图4是本发明实施例中扭转变形裁边后的近净尺寸叶片预制体示意图；
图5是本发明实施例中RTM成型后的复合材料叶片示意图。
图中：
1-叶片预制体毛坯；1a-预定型后的叶片预制体毛坯；1b-扭转后的叶片预制体毛坯；1c-近净尺寸的扭转后的叶片预制体；2-榫头；3-叶身；3-外成型模；4-进胶管；5-出胶管；6-毛坯定型模板；7-定型剂；8-封闭系统；30-扭转变形平台；31-上模板；32-下模板；10-复合材料叶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和操作方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参照图1至图5，本发明提供了一种复合材料叶片的RTM成型方法，涉及到成型模具、叶片预制体毛坯1、成型后的复合材料叶片10，其中复合材料叶片10包括榫头2和叶身3，该成型方法包括以下步骤S110～步骤S170：
步骤S110，将展平状态的干态叶片预制体毛坯1安装在毛坯定型模板6上，在榫头2的位置放置进胶管4，在叶身3的位置放置出胶管5，然后封装真空袋，形成封闭系统8。
在该步骤中，所述叶片预制体毛坯1为复合材料叶片在RTM成型前的毛坯预制体，采用机织方式织造成型。毛坯定型模板6的型面采用叶片预制体毛坯1展平状态的下表面型面加工。
步骤S120，将封闭系统放在烘箱中抽真空处理，真空度为-0.02MPa～-0.05MPa，采用真空辅助树脂渗透的方法将定型剂7通过真空由所述进胶管4吸入所述叶片预制体毛坯1，多余的定型剂7通过所述出胶管5排出封闭系统8后，关闭真空。
在该步骤中，定型剂7采用树脂与溶剂稀释后得到，稀释的比例为1:20～1:50，所述溶剂为低沸点的丙酮或乙醇溶剂，所述定型剂7采用的树脂与所述步骤S170中注射时采用的树脂体系一致。
步骤S130，将封闭系统8升温并保持30min～1h，继续抽真空5min～10min。
步骤S140，将封闭系统8降温，去除真空袋，从毛坯定型模板6上取下预定型后的叶片预制体毛坯1a。
步骤S150，将预定型后的叶片预制体毛坯1a放置在扭转变形平台30上，通过在扭转变形平台30上内置的加热装置对叶片预制体毛坯1a加热软化，然后缓慢压紧，得到扭转后的叶片预制体毛坯1b。
在该步骤中，扭转变形平台30包括上半模31和下半模32，所述上半模31和下半模32的型面分别与成型后的复合材料叶片10的吸力面和压力面一致。
作为一种可选实施方式，上半模31为分块设计，在步骤S150中，上半模31的分块和下半模32配合，对步骤S140预定型后的叶片预制体毛坯1a进行分区域扭转变形控制。
步骤S160，将扭转变形平台30降温，使扭转后的叶片预制体毛坯1b硬化，然后对扭转后的叶片预制体毛坯1b进行裁边处理，得到近净尺寸的扭转后的叶片预制体1c。
步骤S170，将步骤S160得到的叶片预制体放入成型模具中，采用树脂和RTM工艺对叶片预制体注射成型后得到复合材料叶片10。
本发明的工作原理为：
1、本发明采用复合材料真空辅助渗透技术的原理(即复合材料VARI技术)，即通过真空吸取的形式，将定型剂均匀地吸附入干态风扇叶片预制体毛坯内部，然后在真空作用和适当温度条件下，将定型剂内部的稀释溶剂挥发，使风扇叶片预制体毛坯内部只留下均匀分布的低含量的树脂，既起到定型效果又不残留溶剂异物；
2、本发明采用叶片预制体毛坯展平状态的下表面型面加工毛坯定型模板的型面，其原理是要保证叶片预制体预定型过程中型面与设计状态保持一致，防止预制体在真空压力和接触模板的共同作用下导致预制体型面变形；
3、本发明采用在较低真空度(-0.02MPa～-0.05MPa)的条件下进行定型剂的吸附，是为了防止干态风扇叶片预制体在较高的真空压力下发生压缩变形现象，而较低的真空度既能实现定型剂对叶片预制体的吸附，又不会出现预制体的压缩变形；
4、本发明采用加热分体式扭转变形平台对预定型后的叶片预制体进行扭转变形的原理是通过加热使预制体软化并可以通过上下模具型面的挤压变形，而上半模采用分体压块的形式是为了满足不同厚度叶片区域压缩行程不一致的差异性；当扭转变形完成后，通过降温使软化的叶片预制体再次硬化，达到装模前和装模过程中维持形状的目的。
以下以具体实施例1说明：
叶片预制体毛坯1为变厚度2.5D机织结构风扇叶片预制体，材料为CCF800，材料的纤维体积含量为58％±3％；其中CCF800为山东威海拓展出品的规格为12K的T800级碳纤维织物，注射用树脂采用中航复合材料有限责任公司的ACTECH1304高韧性液体成型树脂，叶片预制体10的外形尺寸为780mm×320mm(长×宽)，具体的成型方法的步骤如下：
步骤S110，加工专用的出胶管6，毛坯定型模板6的型面采用叶片预制体毛坯1展平状态的下表面型面加工，模板的材质为Q235钢。然后将展平状态的叶片预制体毛坯1放置在专用的毛坯定型模板6上，在榫头2的位置放置进胶管4，在叶身3的位置放置出胶管5，进胶管4与装有定型剂7的储液罐连接，出胶管5与真空系统连接，然后封装真空袋，形成封闭系统8；
步骤S120，按照树脂与溶剂＝1:30的比例配置定型剂7，溶剂为丙酮，将配置好的定型剂7倒入储液罐中。将封闭系统8在烘箱中抽真空，系统的真空度维持在-0.04MPa～-0.05MPa之间，打开进胶管4，使定型剂7在真空的作用下由进胶管4吸入叶片预制体毛坯1，待定型7对叶片预制体毛坯1充分浸润后，多余的定型剂7通过出胶管5排出封闭系统8，然后关闭系统真空。
步骤S130，将封闭系统8升温至100℃，保温45min，然后抽真空5min排除溶剂；
步骤S140，将封闭系统8降温至室温，去除真空袋，从毛坯定型模板60上取下预定型后的叶片预制体毛坯1a；
步骤S150，将预定型后的叶片预制体毛坯1a放置在扭转变形平台30上，通过在扭转变形平台30上内置的加热装置对叶片预制体毛坯1a加热至90℃，使之软化，然后分区域对预定型后的叶片预制体毛坯1a缓慢压紧，得到扭转后的叶片预制体毛坯1b；
步骤S160，将扭转变形平台30降温至室温，使扭转后的叶片预制体毛坯1b硬化，然后对扭转后的叶片预制体毛坯1b进行裁边处理，得到近净尺寸的扭转后的叶片预制体1c；
步骤S170，将叶片预制体1c放入成型模具中，采用树脂ACTECH1304和RTM工艺对叶片预制体1c注射成型后得到复合材料叶片10。
对成型后的复合材料叶片10进行外观质量、内部质量检测，均满足设计要求。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。