航空發(fā)動機(jī)用高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件的連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非金屬復(fù)合材料與金屬材料的連接方法，尤其涉及一種航空發(fā)動機(jī)用陶瓷基高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件的連接。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天飛行器的不斷發(fā)展，強(qiáng)度高、比重小的復(fù)合材料在飛行器上的應(yīng)用比重日益提高，金屬材料與非金屬復(fù)合材料的綜合應(yīng)用得到很大發(fā)展，相應(yīng)的金屬材料與非金屬復(fù)合材料間的連接成為發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在很多工程領(lǐng)域已經(jīng)對金屬材料與非金屬復(fù)合材料的連接提出了迫切的要求。因此設(shè)計(jì)出可靠，合理的復(fù)合材料與金屬的連接方法非常重要，直接關(guān)系到工程材料結(jié)構(gòu)的可靠性。傳統(tǒng)的復(fù)合材料與金屬的連接一般采用機(jī)械連接，該連接方法工藝簡單，但重量增加大，可靠性較低，鉚接部位長期使用容易震動，且僅針對一定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件適用。復(fù)合材料與金屬的物理化學(xué)性質(zhì)相差較大，尤其是熱膨脹系數(shù)差異很大，采用粘接的方法具備較高的連接效率和抗震動穩(wěn)定性，但傳統(tǒng)的粘接連接處界面結(jié)合差，耐高溫性能不好，很難滿足高溫下長壽命安全使用。
[0003]因此迫切需要尋找一種既可以減少機(jī)械連接的使用，減少連接增重，又可以發(fā)揮出機(jī)械連接在高溫下應(yīng)有的優(yōu)勢，使復(fù)合材料與金屬連接后既具備足夠的強(qiáng)度又具有優(yōu)異抗震動穩(wěn)定性和耐高溫性質(zhì)，并最大限度的利用復(fù)合材料部件與金屬部件之間的有限連接空間和連接面發(fā)揮其優(yōu)越連接性能的連接方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種航空發(fā)動機(jī)用高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件的連接方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中非金屬復(fù)合材料與金屬材料間的連接強(qiáng)度和耐高溫性能的問題，尤其適用于多種陶瓷基復(fù)合材料及以陶瓷纖維為增強(qiáng)體的陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種航空發(fā)動機(jī)用高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件的連接方法，是將高溫復(fù)合材料構(gòu)件上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、金屬構(gòu)件上設(shè)計(jì)U型金屬卡槽，所述U型金屬卡槽扣在所述加強(qiáng)筋上形成三面包圍，其中在加強(qiáng)筋上表面與U型金屬卡槽內(nèi)頂面相接觸處用粘接劑粘接，在兩個(gè)側(cè)面相接觸處用鉚釘連接。
[0006]粘接采用的工藝步驟為:
[0007]a:粘接表面預(yù)處理
[0008]將所述加強(qiáng)筋粘接面用粒度200—400目的金剛砂輪打磨平整，磨削加工量為0.2—0.4mm;將所述U型金屬卡槽粘接面用600目砂紙打磨平整;打磨加工完成后，將粘接表面粗化;粗化后對高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件均進(jìn)行超聲波清洗，清洗時(shí)間30—60分鐘，清洗溶劑用乙醇或丙酮;清洗完成后放入烘箱烘干，烘干溫度為80—90°C，烘干時(shí)間為60—240分鐘；
[0009]b:粘接
[0010]在所述加強(qiáng)筋粘接面上均勻涂抹高溫粘接劑，涂層厚度為0.2—0.4mm;然后將所述U型卡槽粘接面與加強(qiáng)筋粘接面相粘接，在空氣中靜置30—60分鐘，然后在粘接處施加0.5—IMPa的壓力下放入烘箱烘干，烘干溫度為100 V，烘干時(shí)間為2—4小時(shí)；
[0011]c:熱處理
[0012]將高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件整體放入真空爐熱處理，對粘接面處施加0.3—0.5MPa的壓力，熱處理環(huán)境為:真空度50—150Pa，溫度900—1150°C，熱處理時(shí)間4一8小時(shí)；
然后爐冷至室溫出爐。
[0013]所述步驟b中所采用的高溫粘接劑配方為，有機(jī)硅樹脂:氧化鋅:碳纖維:硅粉:鋁粉:鈦粉:鋯粉= 30-28: 12-10: 1-1.2:11-13:30-32: 8-10: 8-9。
[0014]鉚接采用的工藝步驟為:在所述U型金屬卡槽和所述加強(qiáng)筋相接觸的兩個(gè)側(cè)面上分別打孔，然后用鉚釘相連接。
[0015]進(jìn)一步講，所用鉚釘?shù)拈L徑比為2:1—4:1;鉚接壓力為5—10KN。
[0016]進(jìn)一步講，采用一根鉚釘貫穿所述U型卡槽兩個(gè)側(cè)面。
[0017]進(jìn)一步講，所述U型金屬卡槽與鉚釘為相同材質(zhì)的高溫合金。
[0018]進(jìn)一步講，所述高溫復(fù)合材料是以碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁等陶瓷纖維為增強(qiáng)體，以碳、碳化硅和氧化鋁等陶瓷為基體的耐高溫復(fù)合材料。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明既對高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬材料構(gòu)件的連接面采用粘接，又對兩個(gè)連接構(gòu)件進(jìn)行鉚接。通過同時(shí)使用高溫粘接與鉚接的混合連接技術(shù)，提高了高溫復(fù)合材料與金屬的整體連接強(qiáng)度。本發(fā)明適用于多種陶瓷復(fù)合材料如C/C，C/SiC等非金屬纖維及顆粒增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料與金屬的連接。
[0020]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0021]附圖僅用于示出具體實(shí)施例的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制，在整個(gè)附圖中，相同的參考符號表不相同的部件。
[0022]圖1為高溫非金屬復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件連接方式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明技術(shù)方案。
[0024]本發(fā)明的目的是為了解決金屬材料和非金屬復(fù)合材料的連接性差的問題，在采用該連接方法后能實(shí)現(xiàn)高溫復(fù)合材料與金屬材料的連接強(qiáng)度及整體的耐高溫性能，特別適用于以碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁等陶瓷纖維為增強(qiáng)體，以碳、碳化硅和氧化鋁等陶瓷為基體的耐高溫復(fù)合材料。這類工藝尤其適用于航空發(fā)動機(jī)熱端的金屬構(gòu)件與非金屬構(gòu)件的連接加工。
[0025]航空發(fā)動機(jī)熱端的高溫復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件的連接工藝主要包括以下幾方面措施:
[0026](I)高溫非金屬復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件連接方式的設(shè)計(jì):一般來講，高溫復(fù)合材料與金屬材料難以用普通連接方法保證其連接強(qiáng)度(單純的粘接或機(jī)械連接)，所以本發(fā)明考慮采用輔助結(jié)構(gòu)的方式，在金屬構(gòu)件上設(shè)計(jì)一U型金屬卡槽I，在高溫非金屬復(fù)合材料構(gòu)件上設(shè)計(jì)一加強(qiáng)筋2，U型金屬卡槽I顧名思義為一凹形體，加強(qiáng)筋2為一凸形體。進(jìn)一步講，U型金屬卡槽I和加強(qiáng)筋2都分別一體成型于所屬母體上。將U型金屬卡槽I包圍在加強(qiáng)筋2外面，實(shí)現(xiàn)三面包圍接觸連接，如圖1所示。
[0027]本發(fā)明采用粘接與鉚接的混合連接方式，U型金屬卡槽I與加強(qiáng)筋2形成三個(gè)的接觸面中，加強(qiáng)筋上表面與U型金屬卡槽的內(nèi)頂面作為粘接面，采用粘接劑連接，加強(qiáng)筋的兩個(gè)側(cè)面與U型金屬卡槽的兩個(gè)內(nèi)側(cè)面形成鉚接面，采用鉚釘3連接;或者，將加強(qiáng)筋上表面與U型金屬卡槽的內(nèi)頂面作為鉚接面，采用鉚接方式連接，加強(qiáng)筋的兩個(gè)側(cè)面與U型金屬卡槽的兩個(gè)內(nèi)側(cè)面形成粘接面，采用粘接劑連接。但是考慮復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)，鉚接需要打孔，打孔越多，纖維切斷嚴(yán)重，材料力學(xué)性能下降嚴(yán)重，所以盡量選擇少打孔。
[0028]針對現(xiàn)有方法金屬與復(fù)合材料連接后接頭處強(qiáng)度低，易松動，不耐高溫的缺點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)U型金屬卡槽與高溫復(fù)合材料構(gòu)件的加強(qiáng)筋相連接的方式，可以增加連接接觸面，而圓弧面或三角形面都只有一個(gè)面或兩個(gè)面接觸，且這種情形下只能采用粘接的方式，不易采取機(jī)械連接的方式，所以不好。
[0029]本發(fā)明中U型金屬卡槽與加強(qiáng)筋形成三個(gè)接觸面，且:加強(qiáng)筋的上表面與U型金屬卡槽的上表面形成粘接面，加強(qiáng)筋的兩個(gè)側(cè)面與U型金屬卡槽的兩個(gè)側(cè)面形成鉚接面。不僅接觸面增多，且三個(gè)面都為平面，使用粘接和機(jī)械連接的方式都可以，為連接方式的多選性帶來了便利。針對三個(gè)不同的連接部位本發(fā)明采用高溫粘接劑粘接和鉚釘鉚接混合連接的方式。
[0030](2)粘接工藝的實(shí)施，主要包括如下步驟:
[0031]a:粘接區(qū)域表面預(yù)處理
[0032]將高溫復(fù)合材料與金屬材料的待粘接表面預(yù)處理，包括打磨，清洗，烘干等:用粒度200—400目的金剛砂輪將高溫復(fù)合材料構(gòu)件加強(qiáng)筋粘接面打磨平整，磨削加工量為0.2—0.4_;將U型卡槽粘接面用600目左右(含)砂紙打磨平整；
[0033]打磨加工完成后，用物理粗化處理，使連接面凹凸不平，具備一定粗糙度，從而使連接面粗化；
[0034]然后對復(fù)合材料構(gòu)件與金屬構(gòu)件均進(jìn)行超聲波清洗，清洗時(shí)間30—60分鐘，清洗溶劑用乙醇或丙酮；
[0035]清洗完成后放入烘箱烘干，烘干溫度為80—90°C，烘干時(shí)間為60—240分鐘。
[0036]b:在粘接區(qū)域表面涂敷高溫粘接劑粘接
[0037]在高溫復(fù)合材料構(gòu)件加強(qiáng)筋粘接面上均勻涂抹高溫粘接劑，涂層厚度為0.2 —0.4mm；
[0038]然后將U型卡槽粘接面與加強(qiáng)筋粘接面相粘接，在空氣中靜置30—60分鐘，然后在粘接面上施加0.5—IMPa的壓力并放入烘箱烘干，烘干溫度為100°C，烘干時(shí)間為2—4小時(shí)。
[0039]所采用的高溫粘