[发明专利]混合材料风扇叶片及其制备方法

说明书

本发明提供混合材料风扇叶片及其制备方法，其中的混合材料风扇叶片，包括由金属丝构成的基础框架，金属丝之间的间距以及金属丝的直径、形状和材料，根据风扇叶片外载荷实际分布确定，金属丝由非金属纤维材料与树脂基体共同构成的复合材料包裹形成嵌入式结构，或者与非金属纤维通过一体编织共同构成编织预制体后，再热固成型。解决了金属与复合材料界面分离，连接强度不足问题，风扇叶片局部刚度不连续，带来的应力集中问题，强度性能和减重效果不能兼顾的问题。

技术领域

本发明涉及航空发动机风扇叶片及其制备方法。

背景技术

大尺寸、轻质风扇叶片是大涵道比民用航空发动机关键之一。目前国际上成功应用于产品的轻质大涵道比风扇叶片方案包括纯钛合金空心风扇叶片和复合材料-钛合金包边风扇叶片。如果用等效空心率(实际叶片重量/相同尺寸的实心钛合金叶片重量)来衡量轻质风扇叶片的减重效果，全钛合金空心叶片已经达到40％的减重(即实际空心率)，而复合材料-钛合金包边叶片则已实现了60％以上等效空心率的减重。由于有更好的减重效果，复合材料与金属的混合结构，已成为各大发动机公司轻质大涵道比风扇叶片发展的主流。混合结构叶片中的金属部分主要用于增强叶片的抗冲击强度。现有的复合材料叶片采用钛合金包边结构增强叶片抗冲击性能，钛合金包边通过胶接固定于复合材料叶身。由于目前使用的复合材料风扇金属加强边设计受限于传统的加工工艺，只有极少数供应商具备加工金属加强边的能力，其技术门槛和成本始终高居不下。此外，叶片造型复杂，导致编织复合材料加工难度极大，成为研制瓶颈，难以在短时间内突破。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种混合材料风扇叶片，该叶片采用混合材料制造，且无需金属加强边。

本发明的另一个目的是提供一种所述混合材料风扇叶片的制备方法。

根据本发明一方面的混合材料风扇叶片，包括由金属丝构成的基础框架，金属丝由非金属纤维材料与树脂基体共同构成的复合材料包裹形成嵌入式结构，或者与非金属纤维通过一体编织共同构成编织预制体后，再热固成型。

在混合材料风扇叶片的一个或多个实施方式中，所述基础框架包括相交呈网格状的经向金属丝和纬向金属丝。

在混合材料风扇叶片的一个或多个实施方式中，所述基础框架包括两种或两种以上的金属材料，经受较大的冲击载荷的叶片部位采用与叶片其它位置的第一种金属材料不同的第二种金属材料。

在混合材料风扇叶片的一个或多个实施方式中，叶片前缘处相对于叶片叶面位置采用更强的金属丝，并增密金属丝分布；在叶片根部或伸根段，采用比叶面位置更粗的金属丝，以提高叶片根部的强度。

在混合材料风扇叶片的一个或多个实施方式中，所述基础框架包括呈叶脉状分布的金属丝，所述叶脉状包括主脉以及从主脉上分别伸出的侧脉。

在混合材料风扇叶片的一个或多个实施方式中，所述风扇叶片按照在外部冲击载荷下相同或相近应力区域进行分区，在高应力区分布较强、较密的金属丝，在低应力区分布较疏、较细的金属丝。

根据本发明另一方面的所述的混合材料风扇叶片的制备方法，将金属丝与非金属纤维混编，在预制体内直接编入金属材料，完成预制体加工后，按RTM成型工艺成型；

或者采用缝合与RTM一体成型相结合的工艺：

步骤一、将金属丝位于叶片中面上，复合材料由吸力面和压力面两部分拼合组成，缝线材料与复合材料中非金属纤维相同；

步骤二、根据叶片最终外型进行反演展平成平板，以此获取叶片内金属框架展平后的形状，根据该形状，拼接金属框架；

步骤三、将编织好的复合材料预制体通过缝线与金属框架连接；最后，将缝合好的整体叶片采用RTM工艺成型成所需叶片形状。

所述方法的一个或多个实施方式中，在步骤二或步骤三中或之后，分别执行消除金属框架内残余应力的步骤。