航空發動機用高溫復合材料構件與金屬構件的連接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種非金屬復合材料與金屬材料的連接方法，尤其涉及一種航空發動機用陶瓷基高溫復合材料構件與金屬材料構件的連接。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天飛行器的不斷發展，強度高、比重小的復合材料在飛行器上的應用比重日益提高，金屬材料與非金屬復合材料的綜合應用得到很大發展，相應的金屬材料與非金屬復合材料間的連接成為發展中的一個關鍵環節。在很多工程領域已經對金屬材料與非金屬復合材料的連接提出了迫切的要求。因此設計出可靠，合理的復合材料與金屬的連接方法非常重要，直接關系到工程材料結構的可靠性。傳統的復合材料與金屬的連接一般采用機械連接，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，且僅針對一定結構的構件適用。復合材料與金屬的物理化學性質相差較大，尤其是熱膨脹系數差異很大，采用粘接的方法具備較高的連接效率和抗震動穩定性，但傳統的粘接連接處界面結合差，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械連接的使用，減少連接增重，又可以發揮出機械連接在高溫下應有的優勢，使復合材料與金屬連接后既具備足夠的強度又具有優異抗震動穩定性和耐高溫性質，并最大限度的利用復合材料部件與金屬部件之間的有限連接空間和連接面發揮其優越連接性能的連接方法。
【發明內容】
[0004]鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種航空發動機用高溫復合材料構件與金屬構件的連接方法，用以解決現有技術中非金屬復合材料與金屬材料間的連接強度和耐高溫性能的問題，尤其適用于多種陶瓷基復合材料及以陶瓷纖維為增強體的陶瓷基復合材料與金屬的連接。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:一種航空發動機用高溫復合材料構件與金屬構件的連接方法，是將高溫復合材料構件上設計加強筋、金屬構件上設計U型金屬卡槽，所述U型金屬卡槽扣在所述加強筋上形成三面包圍，其中在加強筋上表面與U型金屬卡槽內頂面相接觸處用粘接劑粘接，在兩個側面相接觸處用鉚釘連接。
[0006]粘接采用的工藝步驟為:
[0007]a:粘接表面預處理
[0008]將所述加強筋粘接面用粒度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;粗化后對高溫復合材料構件與金屬構件均進行超聲波清洗，清洗時間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，烘干時間為60—240分鐘；
[0009]b:粘接
[0010]在所述加強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，烘干時間為2—4小時；
[0011]c:熱處理
[0012]將高溫復合材料構件與金屬構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，熱處理環境為:真空度50—150Pa，溫度900—1150°C，熱處理時間4一8小時；
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筋相接觸的兩個側面上分別打孔，然后用鉚釘相連接。
[0015]進一步講，所用鉚釘的長徑比為2:1—4:1;鉚接壓力為5—10KN。
[0016]進一步講，采用一根鉚釘貫穿所述U型卡槽兩個側面。
[0017]進一步講，所述U型金屬卡槽與鉚釘為相同材質的高溫合金。
[0018]進一步講，所述高溫復合材料是以碳纖維、碳化硅纖維和氧化鋁等陶瓷纖維為增強體，以碳、碳化硅和氧化鋁等陶瓷為基體的耐高溫復合材料。
[0019]本發明的有益效果是:本發明既對高溫復合材料構件與金屬材料構件的連接面采用粘接，又對兩個連接構件進行鉚接。通過同時使用高溫粘接與鉚接的混合連接技術，提高了高溫復合材料與金屬的整體連接強度。本發明適用于多種陶瓷復合材料如C/C，C/SiC等非金屬纖維及顆粒增強陶瓷基復合材料與金屬的連接。
[0020]本發明的其他特征和優點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，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【附圖說明】
[0021]附圖僅用于示出具體實施例的目的，而并不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表不相同的部件。
[0022]圖1為高溫非金屬復合材料構件與金屬構件連接方式示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，并與本發明的實施例一起用于闡釋本發明技術方案。
[0024]本發明的目的是為了解決金屬材料和非金屬復合材料的連接性差的問題，在采用該連接方法后能實現高溫復合材料與金屬材料的連接強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體，以碳、碳化硅和氧化鋁等陶瓷為基體的耐高溫復合材料。這類工藝尤其適用于航空發動機熱端的金屬構件與非金屬構件的連接加工。
[0025]航空發動機熱端的高溫復合材料構件與金屬構件的連接工藝主要包括以下幾方面措施:
[0026](I)高溫非金屬復合材料構件與金屬構件連接方式的設計:一般來講，高溫復合材料與金屬材料難以用普通連接方法保證其連接強度(單純的粘接或機械連接)，所以本發明考慮采用輔助結構的方式，在金屬構件上設計一U型金屬卡槽I，在高溫非金屬復合材料構件上設計一加強筋2，U型金屬卡槽I顧名思義為一凹形體，加強筋2為一凸形體。進一步講，U型金屬卡槽I和加強筋2都分別一體成型于所屬母體上。將U型金屬卡槽I包圍在加強筋2外面，實現三面包圍接觸連接，如圖1所示。
[0027]本發明采用粘接與鉚接的混合連接方式，U型金屬卡槽I與加強筋2形成三個的接觸面中，加強筋上表面與U型金屬卡槽的內頂面作為粘接面，采用粘接劑連接，加強筋的兩個側面與U型金屬卡槽的兩個內側面形成鉚接面，采用鉚釘3連接;或者，將加強筋上表面與U型金屬卡槽的內頂面作為鉚接面，采用鉚接方式連接，加強筋的兩個側面與U型金屬卡槽的兩個內側面形成粘接面，采用粘接劑連接。但是考慮復合材料是纖維增強，鉚接需要打孔，打孔越多，纖維切斷嚴重，材料力學性能下降嚴重，所以盡量選擇少打孔。
[0028]針對現有方法金屬與復合材料連接后接頭處強度低，易松動，不耐高溫的缺點，本發明設計U型金屬卡槽與高溫復合材料構件的加強筋相連接的方式，可以增加連接接觸面，而圓弧面或三角形面都只有一個面或兩個面接觸，且這種情形下只能采用粘接的方式，不易采取機械連接的方式，所以不好。
[0029]本發明中U型金屬卡槽與加強筋形成三個接觸面，且:加強筋的上表面與U型金屬卡槽的上表面形成粘接面，加強筋的兩個側面與U型金屬卡槽的兩個側面形成鉚接面。不僅接觸面增多，且三個面都為平面，使用粘接和機械連接的方式都可以，為連接方式的多選性帶來了便利。針對三個不同的連接部位本發明采用高溫粘接劑粘接和鉚釘鉚接混合連接的方式。
[0030](2)粘接工藝的實施，主要包括如下步驟:
[0031]a:粘接區域表面預處理
[0032]將高溫復合材料與金屬材料的待粘接表面預處理，包括打磨，清洗，烘干等:用粒度200—400目的金剛砂輪將高溫復合材料構件加強筋粘接面打磨平整，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]然后對復合材料構件與金屬構件均進行超聲波清洗，清洗時間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，烘干時間為60—240分鐘。
[0036]b:在粘接區域表面涂敷高溫粘接劑粘接
[0037]在高溫復合材料構件加強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，烘干時間為2—4小時。
[0039]所采用的高溫粘