引言
當今衡量發動機技術水平高低的關鍵指標之一是發動機的推重比，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手段。國外經過多年的研究和發展，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，已經在發動機的外涵機匣、葉片、包容機匣以及發動機短艙等部件上得到大量應用。國內 625 所研制的復合材料外涵機匣已在航空發動機上投產使用。
為了滿足高性能航空發動機的發展需求，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。考慮到發動機上支架數量較多，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，所以我們決定采用具用良好發展趨勢，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 工藝的重要環節，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的粘度，才能保證纖維束被完全浸漬。
根據樹脂特點，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，完成最終產品。制造完成的復合材料發動機支架如圖 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
根據零件使用工況，并結合零件的特殊形狀，課題組成員經過認真討論，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，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，以保證樹脂順暢流動和模具內氣體的順利排出。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，內外表面光潔，可嵌入各種增強件，產品纖維含量高，因而產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)
當今衡量發動機技術水平高低的關鍵指標之一是發動機的推重比，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手段。國外經過多年的研究和發展，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，已經在發動機的外涵機匣、葉片、包容機匣以及發動機短艙等部件上得到大量應用。國內 625 所研制的復合材料外涵機匣已在航空發動機上投產使用。
為了滿足高性能航空發動機的發展需求，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。考慮到發動機上支架數量較多，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 產品結構圖
2.1 成型工藝方法的確定
由于零件形狀不規整、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，所以我們決定采用具用良好發展趨勢，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 工藝的重要環節，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的粘度，才能保證纖維束被完全浸漬。
根據樹脂特點，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，完成最終產品。制造完成的復合材料發動機支架如圖 4。
圖 4 復合材料發動機支架
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
根據零件使用工況，并結合零件的特殊形狀，課題組成員經過認真討論，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，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，以保證樹脂順暢流動和模具內氣體的順利排出。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，內外表面光潔，可嵌入各種增強件，產品纖維含量高，因而產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動機用復合材料制件的研制提供一定技術支持。(end)
魯ICP備2021047099號