风扇叶片及其制备方法与流程

本发明涉及风扇叶片及其制备方法，尤其涉及适合于航空发动机的风扇叶片及其制备方法。

背景技术：

树脂基复合材料风扇叶片是实现航空发动机减重增效的重要技术手段，但目前的树脂基复合材料风扇叶片多为直榫头结构，叶身与榫头均为树脂基复合材料。若将直榫头改为圆弧榫头结构，就可以有效增加榫头与榫槽的实际接触面积，改善叶片榫头受载状况，提升叶片性能。但由于树脂基复合材料的抗压能力较弱，导致树脂基复合材料风扇叶片的榫头承载能力较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风扇叶片，其榫头承载能力得到提高。

本发明的另一目的在于提供一种风扇叶片的制备方法。

一种风扇叶片，包括叶片本体和榫头，其中，所述榫头包括榫头芯部和包覆层，所述榫头芯部的外部由所述包覆层包覆，所述榫头芯部为金属材料，所述包覆层和所述叶片本体由连续的纤维增强树脂基复合材料构成。

优选地，在所述的风扇叶片中，所述榫头芯部的横截面的角部为圆弧结构。

优选地，在所述的风扇叶片中，所述榫头的芯部外侧具有与便于所述包覆层的纤维纱线缠绕的凹槽。

优选地，在所述的风扇叶片中，所述榫头的芯部外侧具有适合于所述包覆层的纤维纱线缠绕的粗糙度。

一种风扇叶片的制备方法包括：

步骤一，提供榫头芯部，所述榫头芯部为金属材料；

步骤二，在织机上织造所述叶片本体的纤维预制体，在织造过程中在织机的纱 架上预留足够长度的纤维纱线，以保证有足够长度的纤维纱线用于对所述榫头芯部缠绕包覆；

步骤三，暂停织造，将所述榫头芯部固定在所述织机的工作台上的支撑架上，然后在榫头区域织造出包覆所述榫头芯部外侧的包覆层的预制体；以及

步骤四，获得织造成型的整个风扇叶片的预制体，通过复合树脂材料的成型工艺获得纤维增强树脂基复合材料叶片。

优选地，在所述步骤三中，在所述工作台上启用一个开口装置、引纬装置，在所述支撑架左右两侧各启用一个打纬装置，通过控制所述开口装置将经纱上下拉起，同时控制引纬装置开始运动，在所述榫头芯部的两侧引入纬纱，随后控制打纬装置开始动作，将所述纬纱与所述榫头芯部打紧，从而在榫头区域形成所述包覆层的预制体。

优选地，在所述步骤一中，所述榫头的芯部外侧具有与便于所述包覆层的纤维纱线缠绕的凹槽。

优选地，在所述步骤一中，所述榫头的芯部外侧具有适合于所述包覆层的纤维纱线缠绕的粗糙度。

优选地，在所述步骤三中，所述榫头芯部的横截面的角部为圆弧结构。

优选地，在所述步骤四中，将风扇叶片的预制体采用预加应力的方式进行预扭转，以保证其结构形状与RTM成型模具有效贴合，并满足RTM成型工艺的要求，将经过预扭转的风扇叶片的预制体放入RTM成型模具，通过RTM成型工艺得到所述纤维增强树脂基复合材料叶片。

根据本发明的风扇叶片，其叶片本体为高性能的纤维增强树脂基复合材料，榫头芯部为金属材料，包覆层为包括与叶片本体的一样的纤维增强材料对榫头芯部进行编织的纤维增强树脂基复合材料，因此风扇叶片充分利用金属材料与复合材料的各自优点，该风扇叶片在大幅降低风扇叶片重量的同时，还可以有效保证叶片榫头部位的承载能力。

根据本发明的方法充分利用金属材料与复合材料的各自优点，解决了金属材料与树脂基复合材料连接问题，保证叶片本体与榫头的结构连续性，克服了传统胶接工艺和焊接工艺异种材料界面强度不足的问题。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为根据本发明的一实施例中风扇叶片的示意图；

图2为显示出图1中风扇叶片的榫头芯部的示意图；

图3为图1中榫头芯部的示意图；

图4为织造风扇叶片的包覆层的示意图；

图5为风扇叶片的预制体的示意图；

图6为图4中对应榫头部分的装置的放大示意图；

图7为榫头芯部织造结构的横截面的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1从整体显示了风扇叶片的构造，图2显示了榫头从叶片本体分离的分解示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1、图2所示，风扇叶片10包括叶片本体15和榫头20，叶片本体15可以是宽弦结构，榫头20包括榫头芯部25和包覆层30，榫头20可以是截面角部呈圆弧形的结构，榫头芯部25为金属材料，包覆层30、叶片本体15为一样的纤维增强树脂基复合材料，榫头芯部25的外部由包覆层30包覆，前述纤维增强树脂基复合材料是由织造成型的纤维预制体构成的增强材料与树脂材料复合而成，包覆层30的纤维预制体与叶片本体15的碳纤维预制体之间的纤维经纱连续。所述增强材料可以是碳纤维织物或玻璃纤维织物。所述树脂材料可以是不饱和聚酯树脂。纤维增强树脂基复合材料的成型方法可以是RTM成型工艺(树脂传递模塑成型工艺)。榫头芯部25可以是钛合金。如后所述，叶片本体15与包覆层30可以在一次性织造过程完成，二者的增强材料的纤维经纱连续。榫头20的横截面的角 部为圆弧结构，以增加榫头20在安装时榫槽的实际接触面积。

由于风扇叶片10的叶片本体15为高性能的纤维增强树脂基复合材料，榫头芯部25为截面角部呈圆弧形结构的金属材料，包覆层30为包括与叶片本体15的一样的纤维增强材料对榫头芯部25进行编织的纤维增强树脂基复合材料，因此风扇叶片充分利用金属材料与复合材料的各自优点。具有前述混合结构的风扇叶片10，在大幅降低风扇叶片重量的同时，还可以有效保证叶片榫头部位的承载能力，对航空发动机减重增效具有非常重要的工程应用价值。

如图3所示，榫头芯部25的外侧具有与便于包覆层30的纤维纱线缠绕的凹槽35，凹槽35大致与纤维纱线的缠绕方向一致，凹槽35可以增强榫头芯部25与包覆层30之间的连接可靠性。在优选的实施例中，在榫头芯部25的金属外表面40提供适合于包覆层30的纤维纱线缠绕的粗糙度，例如采用不低于120目的氧化铝球进行喷砂处理，以保证金属外表面40清洁，同时初步具备一定的粗糙度。在优选的实施例中，金属外表面40的表面粗糙度控制在6.3微米以上，以保证榫头芯部与外层包覆层30之间有足够的摩擦力，榫头芯部25的凹槽35深度控制在0.5～1mm之间，宽度控制在1～2mm之间，凹槽35的表面粗糙度也控制在至少6.3以上。

同时结合图4至图7，根据本发明的一实施例中，风扇叶片的制备方法包括：

步骤一，提供榫头芯部25，榫头芯部25为金属材料，优选为钛合金材料，榫头芯部25的加工方法可以先锻造出坯体，再对坯体机械加工，随后采用相应的热处理来提高榫头芯部25的硬度同时消除可能产生的加工变形，然后还可以对榫头芯部25进行表面处理，表面处理包括喷砂处理，以获得合适的粗糙度。

该方法还包括步骤二，如图4所示，在织机上织造叶片本体15的纤维预制体，在织造过程中在织机的纱架45上预留足够长度的纤维纱线，以保证有足够长度的纤维纱线用于对榫头芯部25缠绕包覆，织机可以选择三维织机进行三维编织，或者二维织机进行三维编织，图4仅示意性地示出了织机的基本构造，其包括开口、引纬、打纬、送经、卷取等装置，图4中仅显示了将要描述到的装置，织机可以在已有的织机的基础上稍加改造而成，因此对于织机的具体构成与工作原理在此不赘述。

该方法还包括步骤三，在叶片本体15的纤维预制体完成以前或接近完成时， 暂停织造，将榫头芯部25固定在织机的工作台55上的支撑架70上，然后在榫头区域形成榫头芯部25外侧的纤维织物包覆层30的预制体，形成包覆层30的预制体的方法包括但不限于二维编织方法。形成包覆层30的预制体的步骤可与形成叶片本体15的步骤同时进行。结合图4和图6，在工作台上启用一个开口装置80、引纬装置85，在支架70左右两侧各启用一个打纬装置90，通过控制开口装置80将经纱96上下拉起，同时控制引纬装置85开始运动，在榫头芯部25的两侧引入纬纱95(如图7所示)，随后控制打纬装置90开始动作，将纬纱95与榫头芯部25打紧，从而在榫头区域形成包覆榫头芯部25外侧的包覆层20的预制体。在一个实施例中，在形成包覆层30的预制体时，织机通过控制引维装置60，交替控制棕框65，控制原有纱线的正常运动。开口装置80、引纬装置85、打纬装置90可以在已有的织机的基础上新增设置，对于不同的织机新增的开口装置80、引纬装置85、打纬装置90的种类可以相应地的不同。

该方法还包括步骤四，最后，获得织造成型的风扇叶片的整个预制体，通过复合树脂材料的成型工艺获得纤维增强树脂基复合材料叶片，该成型工艺包括但不限于RTM成型工艺。对于RTM成型工艺，将风扇叶片的预制体采用预加应力的方式进行预扭转，以保证其结构形状与RTM成型模具有效贴合，并满足RTM成型工艺的要求，将经过预扭转的风扇叶片的预制体放入RTM成型模具，通过RTM成型工艺得到碳纤维增强树脂基复合材料叶片。RTM成型工艺包括灌注树脂至模具，然后加温、加压固化成型，具体的工艺参数可以结合选用的树脂体系参照已有的RTM成型工艺选用，随后将成型件自然冷却至室温后开模，可得到纤维增强树脂基复合材料叶片10。

前述实施例中，采用金属材料制备风扇叶片的榫头芯部，然后再将其与复合材料的叶片本体连接为一体，形成一种叶片本体为树脂基复合材料，叶根为金属榫头的混合结构风扇叶片。这种叶片在满足榫头部位承载性能的同时，还具有非常明显的减重优势。现有的连接工艺还不能满足复合材料叶身与金属材料榫头的连接强度问题。传统的焊接工艺主要用于金属材料直接的连接，并不适用与金属材料与树脂基复合材料的连接；胶结工艺虽然可以解决金属材料与树脂基复合材料的连接，但由于风扇叶片的叶身与榫头连接区域在工作状态下承受巨大的离心力、气动力载荷，同时还承受振动应力、压应力等综合载荷，受载情况复杂，目前的胶结工艺还 不能满足前述混合结构风扇叶片的连接强度需求。前述实施例充分利用金属材料与复合材料的各自优点，解决了金属材料与树脂基复合材料连接问题，保证叶片本体与榫头的结构连续性，克服了传统胶接工艺和焊接工艺异种材料界面强度不足的问题。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。