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某型航空发动机外涵机匣复合材料胶接修复后热振综合性能研究

2022-04-15彭中亚何大智姚改成黄璇璇司艳

航空维修与工程 2022年2期
关键词:航空发动机复合材料

彭中亚 何大智 姚改成 黄璇璇 司艳

摘要:研究了损伤深度为0.5mm的胶接修复典型试验件在不同温度下的热振综合性能,综合考核了温度、振动、受力方向等参数对复合材料胶接修补件的影响。研究结果表明,修复件在230℃和280℃的共振条件下,试验后修复区域胶粘剂与复合材料保持良好胶接状态,能够满足外涵机匣的振动试验要求,经该胶粘剂胶接修复的复合材料试验件具有较高的安全裕度。热振综合试验可有效考核胶接修复后的胶接强度,验证胶接修补的可靠性,为外涵机匣等复合材料构件的修复提供了试验考核理论依据。

关键词:复合材料;胶接修复;航空发动机;外涵机匣;热振综合性能

Keywords:composites;bonding repair;aero-engine;outer casing;thermal vibration performance

0 引言

聚酰亚胺树脂基复合材料是目前耐温最高、使用较为广泛的结构用树脂基复合材料之一。它具有许多优良性能,如机械性能和电性能良好,比强度和比刚度高,热稳定性和化学稳定性较高,热膨胀系数小,耐溶剂性、尺寸稳定性好,易于成型形状复杂的制件等[1-7]。国外已用其大量制造发动机、飞机、导弹、火箭等航空航天飞行器的耐高温结构部件[8,9],对构件减重有良好的效果。

BMP316聚酰亚胺树脂复合材料[10]能在280℃~316℃温度范围长期工作,短期可以达到350℃以上,具有良好的力学性能和成形工艺性,能够满足工程应用的需要,达到美国PMR15型聚酰亚胺树脂基复合材料的技术水平。T300/ BMP316复合材料已用于某航空发动机外涵机匣。

目前,复合材料外涵机匣表面损伤的主要修理工艺采用胶接修复,但缺少对修复后的复合材料基于发动机服役环境的性能考核方法。本文依据某型航空发动机复合材料外涵机匣的工作温度、工作特点以及发动机的振动特性,综合考虑温度、振动、受力方向等影响因素,设计开发了一套适用于复合材料外涵机匣胶接修复件的热振综合性能考核方法,以验证胶接修复的可靠性。

1 试验部分

1.1 原材料

试验件:T300/BMP316复合材料,中航复合材料有限责任公司生产。

修复材料:改性环氧树脂胶粘剂,胶粘剂由甲乙两组分构成,甲组分为深棕色黏稠液体,乙组分为白色粉末,甲乙组分的质量配比为(100±20):(60±10)。

1.2 试验设备及连接

热振综合试验台,由北京航天希尔测试技术有限公司生产,包括振动台、高温试验箱以及配套仪器设备,主要设备如表1所示。

为满足本次振动试验230℃和280℃高温环境的需求[11],在振动台上安装了温度环境箱,设备的连接和系统安装如图1所示。

1.3 试验件制备

制备120mm×100mm×2.6mm的试验件,并在试验件中心位置加工Ф30mm×0.5mm的盲孔,如图2所示。按要求制备改性环氧树脂胶粘剂,将其涂覆于试验件盲孔处,并将涂覆后的试验板在130±5℃条件下固化5h±2h,得到修复试验件2件。

1.4 试验件测量

1)固有频率测量

在试验件中心位置布置1个加速度传感器作为监测点,记录常温正弦扫频试验过程中监测点的振动响应值,并通过与控制点振动值进行比较,计算得到传递函数,从而确定一阶固有频率f。

2)应变测量

在試验件上胶接区域均布粘贴8个单向应变片,在胶接区域中心粘贴1个应变花,其中应变花包括3个应变片,所有应变片分别按1#~11#进行编号,以此获得振动试验过程中的应变情况。

1.5 振动试验

振动试验在3T振动试验台上进行,试验件在Z方向进行振动,试验温度为230℃和280℃。试验过程参照GJB150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法第16部分:振动试验》标准实施。为加严考核试验件中心的胶接修复区域,本次振动试验在试验件共振频率下进行,以此保证修复区域在服役后不会因为发动机振动而脱落。

2 试验过程与结果分析

2.1 230℃振动试验

将1#试验件安装于振动台,在常温环境下利用3T振动试验台对试验件进行正弦扫频试验,试验控制曲线及监控点传递函数曲线如图3所示。试验件一阶固有频率为610Hz。

在常温环境下,利用3T振动试验台在610Hz频率处对试验件进行定频振动试验,如图4所示,并在振动过程中采集试验件上的应变数据(见表2)。确定了在610Hz处以8.2g加速度激振时,试验件上9#应变片在610Hz频率处应变有效值率先达到100με。

将1#试验件放置于振动试验台,然后加热高温试验箱至230℃,随后振动台在610Hz以8.2g加速度进行5h定频振动,控制曲线如图5所示。

振动试验后1#试验件修复区域未产生开裂、剥离和脱落,用超声波检测未发现异常,同时发现修复区域和试验件其他区域均变为褐色。上述振动试验表明,在整个230℃振动过程中,胶粘剂与复合材料基体间的结合状态未随着振动试验的进行而发生改变,一直保持着最初的良好胶接状态。表明该改性环氧胶粘剂具有良好的胶粘强度,能够满足外涵机匣在230℃下振动环境的要求。

2.2 280℃振动试验

将2#试验件安装于振动台,在常温环境下利用3T振动试验台对试验件进行正弦扫频试验,试验控制曲线及监控点传递函数曲线如图6所示。试验件一阶固有频率为666Hz。

在常温环境下,利用3T振动试验台在666Hz频率处对试验件进行定频振动试验,如图7所示,并在振动过程中采集试验件上的应变数据(见表3)。确定了在666Hz处以10.6g加速度激振时试验件上6#应变片在666Hz频率处的应变有效值率先达到100με。

将2#试验件放置于振动试验台,然后加热高温试验箱至280℃,随后振动台在666Hz以10.6g加速度进行5h定频振动,控制曲线如图8所示。

振动试验后2#试验件修复区域未产生开裂、剥离或脱落,用超声波检测未发现异常,同时发现修复区域和试验件其他区域均变为暗黑色。上述振动试验表明,在整个280℃振动过程中,胶粘剂与复合材料基体间的结合状态未随着振动试验的进行而发生改变,一直保持着最初的良好胶接状态。表明该改性环氧胶粘剂具有良好的胶粘强度,能够满足外涵机匣在280℃下振动环境要求。

3 結论

本文设计的热振综合试验考核了胶接修复的复合材料典型件在模拟发动机工况条件下的胶接可靠性,得出以下结论:

1)某改性环氧树脂胶粘剂修复的试验件,能够承受230℃和280℃的高温环境,试验后无烧蚀、无脱落、无分层,此胶粘剂能满足某航空发动机外涵机匣的耐温要求;

2)修复件在230℃和280℃的共振条件下,试验后修复区域胶粘剂与复合材料保持良好的胶接状态,能够满足外涵机匣的振动试验要求,采用该胶粘剂胶接修复的复合材料试验件具有较高的安全裕度;

3)热振综合试验可有效考核胶接修复后的胶接强度,为外涵机匣构件的修复提供试验考核理论依据。

参考文献

[1]高龙飞,李松,肖沅谕,张雪梅.纤维增强PMR型聚酰亚胺复合材料研究概况[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018(9): 106-110.

[2]陈建升,左红军.耐高温聚酰亚胺材料研究进展[J].宇航材料工艺,2006,36(2):7-12.

[3]谭必恩,益小苏.航空发动机用 PMR聚酰亚胺树脂基复合材料[J].航空材料学报, 2001,21(1): 55-62.

[4]杨士勇,高升强,胡爱军.耐高温聚酰亚胺树脂及其复合材料的研究进展[J].宇航材料工艺, 2000,30(1):1-6.

[5]包建文,陈祥宝.发动机用耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料的研究进展[J].航空材料学报, 2012, 32(6): 1-13.

[6] PARK S J, LEE H Y, HAN M, et al. Thermal and mechanical interfacial properties of the DGEBA/PMR-15 blend system [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 270: 288-294.

[7]MCCLUNG A J W, RUGGLESWRENNM B. The rate (time)-dependent mechanical behavior of the PMR-15 thermoset polymer at elevated temperature[J]. Polymer Testing,2008,27:908-914.

[8]高禹,李洋洋.先进树脂基复合材料在航空发动机上的应用及研究进展[J].航空制造技术, 2016(21): 16-21.

[9]梁春华.纤维增强树脂基复合材料部件在航空涡扇发动机上的应用[J].航空制造技术, 2008(4): 32-37.

[10]刘强,王晓亮,蒋蔚,周洪飞. BMP系列热固性聚酰亚胺树脂基复合材料的应用进展[J].航空制造技术,2009(S1): 22-24.

[11] 游彦宇,吴茂庆,赵红旗,李占山.××环氧胶黏剂用于某航空发动机外涵机匣内表面修复的可行性研究[J].玻璃钢/复合材料, 2019(4): 37-42.

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