[发明专利]一种纤维金属超混杂复合管的成形方法

说明书

本发明公开了一种纤维金属超混杂复合管的成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。首先加工数块同尺寸的板材坯料，对其进行表面处理，将第一块圆形坯料固定到主轴上，在板坯尾端安装尾顶；然后选择合适的旋压成形工艺，对板材坯料进行多道次的旋压成形，第一次旋压加工得到圆管；在圆管外铺贴预浸料，将铺贴预浸料后的圆管装夹到芯模上，另取圆形板材通过铺贴预浸料后的圆管固定在主轴上，再进行旋压加工，根据所需复合管的结构可以重复进行铺贴预浸料和外层金属管壁的旋压过程，配合合理的固化工艺，实现了一种纤维金属超混杂复合管的成形方法。本发明生产效率高、模具简单，生产成本低，为层状复合管的塑性成形提供了较好的思路。

技术领域

本发明涉及一种金属构件的制备成形方法，特别涉及一种纤维金属超混杂复合管的制备成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。

背景技术

20世纪50年代以来，随着在航空航天和汽车等结构领域轻量化的需求和越来越多板材复杂结构的出现，同时随着新产品的不断提出，零件整体性能的要求越来越高，因而对零件的强度性能、抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力要求越来越高，这就需要一种新型材料的产生来取代传统材料。纤维金属层板（Fiber Metal Laminates，FMLs）是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板（Super Hybrid Laminates）。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有较高的比强度和比刚度、优良的疲劳性能以及损伤容限性能，这些优势使得FMLs在航空航天工业中获得了广泛的应用。

纤维金属层板成形的方式主要分为以下两种：第一种主要利用热固性树脂先分别成形加工金属及纤维，经表面处理后将金属和纤维分层铺设，再利用连接方式将其粘接为纤维金属层板，而后利用热压罐成形工艺，在一次工艺中成形出目标结构件；由于纤维金属层板一般为 0.25～0.3 mm，刚度较小，在一些大曲率的结构件中可以顺利铺贴成形，单曲率的纤维金属层板常采用滚弯成形的方式，而对于双曲率成形则一般采用拉伸成形。另一种方法则主要利用热塑性树脂先将金属层板与纤维层粘接成纤维金属层板，再利用传统塑性成形工艺如冲压成形、充液成形等方式完成结构件的成形。 采用热塑性树脂作为增强体可以成形结构复杂的纤维金属层板，由于金属薄板在整个纤维金属层板中占有较大的比例，因此可以采用传统的金属塑性成形工艺如冲压成形、充液成形加工形状复杂的飞机汽车结构件。

现阶段，具有层状结构的纤维-金属超混杂复合层板的成形方法已经得到了大量的研究并且广泛应用在航空航天领域，而复合管的研究成果却很少。纤维-金属超混杂复合管是在遭受碰撞的时候，可以通过金属的塑形变形以及其中纤维、基体的断裂、脱层，纤维的拨出等共同作用来吸收大量的能量，缓冲冲击载荷。除此之外，它继承纤维增强复合材料高强度、耐疲劳的特性，具有迫切的应用需求。陶杰（CN 103832041 A）曾提出一种玻璃纤维-铝合金复合管气压胀形制备方法，采用气压胀形方法制备出玻璃纤维-铝合金复合管，有效地解决了玻璃纤维-铝合金复合管制备的难题，但是其存在以下几个方面的问题：（1）在制备结构方面，气压胀形方法仅限于制备2/1结构的复合管（两层金属层+一层纤维层），复合管的结构具有局限性，导致了其力学性能的不足，限制了其使用范围；（2）从技术层面，在气压胀形过程中，因金属层较薄，密封难度大，高压液态极易进入预浸料层，影响材料的粘接性能；此外，复合管胀形时，内管需同纤维层同步变形，为了使纤维层不发生断裂，胀形过程的变形量受到很大限制。（3）从材料体系方面，该发明仅能实现玻璃纤维-铝合金复合管的气压成形，无法解决其它常用纤维-金属复合管的成形，如碳纤维-钛合金复合管等。（4）从成本方面，不同规格复合管的胀形，都需要对冲头、密封结构及胀形模具进行设计和加工，成本较高，效率低。

发明内容

现有的制备技术普遍无法制备结构复杂的纤维金属超混杂复合管，本发明针对现有技术的不足，提出了新的制备方法。针对航空航天以及交通运输行业对复合材料结构多样性以及性能方面的要求，采用多次快速旋压+固化法制备出纤维金属超混杂复合管，可实现3/2、4/3等复杂结构复合管的高效成形，有效地解决了纤维-金属超混杂复合管制备的难题。