一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片，由碳纤维、界面层、碳化硅基体和铝合金基体组成，其特征在于碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体，界面层包裹在碳纤维表面，碳化硅基体原位填充在航空发动机风扇叶片预制体内，形成碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体，最后铝合金基体填充在碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体中。本发明专利技术将碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体可以显著提高叶片的冲击韧性、结构稳定性和性能可靠性，将碳化硅基体原位填充到航空发动机风扇叶片预制体中，可以有效提高叶片的强度、刚度、硬度、耐温能力和抗撞击能力，最后填充铝合金，显著减少了叶片内部的孔隙缺陷，有效提高叶片的综合性能。

【技术实现步骤摘要】
一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片及其制备方法
本专利技术涉及一种航空发动机风扇叶片及其制备方法，特别涉及一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片及其制备方法。
技术介绍
大涵道比涡扇发动机是大型飞机的核心部分，是决定大型飞机研制能否成功的关键。复合材料具有金属材料无法比拟的低密度、高比强度和高比刚度，为了达到发动机的高推重比、低耗油率、低噪声、低维修成本的需要，世界各主要发动机厂商都在大力推广复合材料在大涵道比涡扇发动机上的使用。风扇叶片是现代商用飞机发动机最重要的部件之一，据统计，风扇段质量约占发动机总质量的30%~35%，降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段，采用更大、更轻的风扇叶片已成为发动机的发展趋势。风扇叶片每减重1kg，风扇机匣和传动系统也相应减少1kg，同时发动机结构和飞机的机翼/机身结构也分别减重0.5kg，这种由于风扇结构减重带来的叠代效应对飞机的减重非常重要。此外，大涵道比涡扇发动机的主要推力来自流经外涵道的冷空气，要满足较大的涵道比，必须采用较大尺寸的风扇。因此，采用复合材料风扇叶片是实现发动机更高涵道比和减重的唯一途径。目前，复合材料风扇叶片主要采用树脂基复合材料，或者采用树脂基复合材料加钛合金包边结构。虽然这充分发挥了树脂基复合材料拉伸强度高、重量轻、损伤容限高等优点，但是树脂基复合材料刚度较低、硬度低，导致风扇叶片在旋转时可能会发生轻微形变以及抗冲撞能力下降。采用钛合金包边虽然可以提高树脂基复合材料叶片的抗冲击能力，但是增加了风扇叶片制备工艺的难度，同时钛合金和树脂基复合材料的连接可靠性易存在问题。陶铝复合材料主要由碳纤维、碳化硅和铝合金组成，具有密度低，强度高，模量高，刚度好，断裂韧性好、抗冲击能力优异、热膨胀系数低等优异特点，可以很好地应用于航空发动机风扇叶片领域。授权公告号为CN104385619B的中国专利技术专利公开了一种航空发动机复合材料风扇叶片的制造方法，首先在模压机模腔上、下表面均匀涂覆一层脱模剂和高光胶衣；其次将风扇叶片模具放置在下模腔内，并在其表面铺放凯夫拉29纤维预成型体，通过压力作用将环氧树脂注入模腔内；然后将模压机整体放置于固化炉中进行固化，之后出炉脱模；最后对脱模后的风扇叶片进行简单的铣削加工。申请公布号为CN108930664A的中国专利技术专利公开了一种混合结构航空发动机风扇叶片，其包括金属前缘面板和复合材料部分，所述金属前缘面板和所述复合材料部分以界面联接的方式组合为一体。申请公布号为CN108661945A的中国专利技术专利公开了一种风扇叶片，所述风扇叶片的前缘部分由金属材料制成，叶面部分沿着所述风扇叶片的厚度方向，由前后的复合材料夹持中间的金属型芯制成，其中前缘部分的金属材料与所述金属型芯一体制成。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片及其制备方法，既充分发挥了复合材料在航空发动机风扇叶片领域应用的优势，又提高了航空发动机风扇叶片整体结构的稳定性和抗冲撞性能。一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片，由碳纤维、界面层、碳化硅基体和铝合金基体组成，其特征在于碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体，界面层包裹在碳纤维表面，碳化硅基体原位填充在航空发动机风扇叶片预制体内，形成碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体，最后铝合金基体填充在碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体中；所述的航空发动机风扇叶片预制体碳纤维体积分数为35~55%，碳纤维编织方式为2.5D、3D、针刺缝合结构中的一种；所述的界面层为热解碳、BN中的一种；所述的碳化硅基体体积分数为20~45%；所述的铝合金基体体积分数为15~40%。一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：（1）制备航空发动机风扇叶片石墨模具，将碳纤维在石墨模具上编织成航空发动机风扇叶片预制体；（2）采用化学气相渗透法在航空发动机风扇叶片预制体内制备一层界面层，沉积温度为600~1000℃；（3）采用先驱体浸渍裂解法，以聚碳硅烷为先驱体，在制备好界面层的航空发动机风扇叶片预制体中原位填充碳化硅基体，裂解温度为900~1200℃，或者采用化学气相渗透法，以三氯甲基硅烷为源气，在制备好界面层的航空发动机风扇叶片预制体中原位填充碳化硅基体，沉积温度为800~1200℃，得到碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体；（4）将制备好的碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体进行表面数控精加工，并用无水乙醇超声清洗，然后在真空烘箱中烘干；（5）将步骤（4）中烘干的碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，抽真空至0.01~10Pa，预热至400~700℃并保温0.5~2h，将熔融铝合金浇注到工装模具中，加注气压至0.5~3.0MPa，并保压0.5~2h，降温后拆除工装模具得到陶铝复合材料航空发动机风扇叶片。本专利技术有益效果：（1）将碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体可以显著提高叶片的冲击韧性、结构稳定性和性能可靠性；（2）将碳化硅基体原位填充到航空发动机风扇叶片预制体中，可以有效提高叶片的强度、刚度、硬度、耐温能力和抗撞击能力；（3）采用真空气压浸渗铝合金，可以有效排除碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体内的气体，避免在叶片内部形成孔隙缺陷，有效提高叶片的综合性能。具体实施方式一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片，由碳纤维、界面层、碳化硅基体和铝合金基体组成，其特征在于碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体，界面层包裹在碳纤维表面，碳化硅基体原位填充在航空发动机风扇叶片预制体内，形成碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体，最后铝合金基体填充在碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体中；所述的航空发动机风扇叶片预制体碳纤维体积分数为40%，碳纤维编织方式为3D结构；所述的界面层为热解碳；所述的碳化硅基体体积分数为35%；所述的铝合金基体体积分数为22%。一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：（1）制备航空发动机风扇叶片石墨模具，将碳纤维在石墨模具上编织成航空发动机风扇叶片预制体；（2）采用化学气相渗透法在航空发动机风扇叶片预制体内制备一层界面层，沉积温度为900℃；（3）采用先驱体浸渍裂解法，以聚碳硅烷为先驱体，在制备好界面层的航空发动机风扇叶片预制体中原位填充碳化硅基体，裂解温度为1100℃，得到碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体；（4）将制备好的碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体进行表面数控精加工，并用无水乙醇超声清洗，然后在真空烘箱中烘干；（5）将步骤（4）中烘干的碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体装入工装模具中，然后放入真空气压浸渗炉中，抽真空至1.0Pa，预热至600℃并保温1h，将熔融铝合金浇注到工装模具中，加注气压至1.5MPa，并保压1h，降温后拆除工装模具得到陶铝复合材料航空发动机风扇叶片。上述仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本专利技术进行非实质性的改动，均应属于侵犯本专利技术保护的范围的行为。但凡是未脱离本专利技术技术方案的内容，依据本专利技术的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片，由碳纤维、界面层、碳化硅基体和铝合金基体组成，其特征在于碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体，界面层包裹在碳纤维表面，碳化硅基体原位填充在航空发动机风扇叶片预制体内，形成碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体，最后铝合金基体填充在碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体中；所述的航空发动机风扇叶片预制体碳纤维体积分数为35~55%，碳纤维编织方式为2.5D、3D、针刺缝合结构中的一种；所述的界面层为热解碳、BN中的一种；所述的碳化硅基体体积分数为20~45%；所述的铝合金基体体积分数为15~40%。

【技术特征摘要】
1.一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片，由碳纤维、界面层、碳化硅基体和铝合金基体组成，其特征在于碳纤维编织成航空发动机风扇叶片预制体，界面层包裹在碳纤维表面，碳化硅基体原位填充在航空发动机风扇叶片预制体内，形成碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体，最后铝合金基体填充在碳纤维增强碳化硅航空发动机风扇叶片多孔体中；所述的航空发动机风扇叶片预制体碳纤维体积分数为35~55%，碳纤维编织方式为2.5D、3D、针刺缝合结构中的一种；所述的界面层为热解碳、BN中的一种；所述的碳化硅基体体积分数为20~45%；所述的铝合金基体体积分数为15~40%。2.一种陶铝复合材料航空发动机风扇叶片的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：（1）制备航空发动机风扇叶片石墨模具，将碳纤维在石墨模具上编织成航空发动机风扇叶片预制体；（2）采用化学气相渗透法在航空发动机风扇叶片预制体内制备一层界面层，沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖家豪，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：苏州宏久航空防热材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32