金属蜂窝夹芯构件热压罐成型胶结工艺

■ 李洪钊 周波 谷平 王衍斌 黎红英 李玲/航发科技

国内首次研制的叶栅式反推装置有8个大型金属蜂窝夹芯结构胶接件，金属蜂窝夹芯结构占反推装置复合材料制件的60%，是其中最重要的连接承力组件之一。金属蜂窝夹芯构件的胶结成型工艺是该反推装置研发制造的关键技术，关乎航空发动机反推装置的质量和效能。

金属蜂窝夹芯结构是复合材料中一种特殊类型，是一个双曲率型面的多层复合结构，由蒙皮、蜂窝、加强框和镶嵌件通过胶结的方式连接在一起，直径约2m，采用热压罐工艺胶结成型，如图1所示。该工艺结构和型面复杂、尺寸大，且尺寸精度要求高、工艺难度大。为攻克这些关键技术难题，航发科技的创新团队完成了金属蜂窝夹芯构件胶结工艺研发，实现了胶结工艺流程设计、双曲率大直径零件变形控制、各部件装配方法研究、热压罐固化工艺设计、大型多层复杂结构胶结质量控制及检测等一系列关键技术攻关，掌握了金属蜂窝夹芯构件热压罐胶结成型工艺的核心技术。

项目总体思路

创新团队按照“工艺路径设计—难点分析—关键问题识别—关键问题解决办法分析研究—试验验证—工艺方法调整与确认”的开发思路。通过胶结成型型胎方案设计等一系列技术手段，解决了双曲率大直径零件变形控制等一系列关键问题，完成了工艺开发和研究。

胶结成型工艺关键技术

创新团队通过对零件结构的剖析，经过理论探讨及试验摸索，设计了胶结全工艺流程，包括蒙皮与蜂窝的技术状态、蒙皮的磷酸阳极化与喷底胶工艺、各部件装配工艺、热压罐固化工艺和检测工艺，解决了其中的关键技术问题。

各部件装配工艺

在各部件装配工艺研究方面，创新团队主要解决了双曲率大直径零件变形控制、多层结构装配贴合以及真空加压系统重复制备等问题。

一是设计了胶结成型型胎方案。根据理论计算及工艺摸索验证，创新团队设置了型胎的最优预留回弹量，解决零件回弹变形。在零件四周增设挡块与定位装置限制零件活动，同时在挡块的4个方向分别设置2个定位孔控制蒙皮位置，减少胶结过程中应力导致的变形与人为装配导致蒙皮错位、偏移问题，如图2所示。

图2 胶结成型型胎示意

二是设计了预抽真空加压工艺。每铺贴一层胶膜或蒙皮，均通过在真空值＞90kPa条件下预抽真空15min，压实胶膜与零件，保证胶膜与蒙皮、镶嵌件等贴合完好，解决了多层结构装配胶膜、蒙皮贴合不紧、移位等问题。

三是制定了可重复利用真空加压系统的制备方法。胶结过程中需要反复多次进行预抽真空，一个零件大概8 ～10次，由于真空袋和密封胶条之间黏结牢固，黏结后就很难分开，无法重复使用，浪费大量操作时间以及真空袋、密封胶条等辅材。创新团队通过在真空袋和密封胶条之间引入一种带胶四氟布，首先将在工装上黏结一圈密封胶条，再按与密封胶条相同的走向，将四氟布的特氟龙面黏结在密封条上，然后将真空袋黏结在四氟布的带胶面上。四氟布里的纤维可以加强真空袋强度，使其在揭开时不容易被扯坏，同时四氟布的特氟龙面可以与密封胶条轻松脱开，实现了预抽真空加压系统可重复利用，如图3所示。

图3 可重复利用真空加压系统制备方法

热压罐固化工艺研究

在热压罐固化工艺研究方面，主要解决了固化程序和二次固化导致零件变形的问题。

根据理论分析及工艺试验验证，创新团队摸索出了最优的温度、罐压、真空等工艺参数，设计了热压罐固化工艺程序及参数，见表1。采用该程序，能够确保胶结件在固化过程中压力值稳定，使零件受压均匀，保证零件的厚度均匀性，减少零件变形，同时可以解决严重溢胶的问题，保证零件整体胶结成型质量。

表1 热压罐固化工艺

同时，对热压罐固化工艺进行改进。由于镶嵌件容易移位，金属蜂窝胶结工艺前期采用二次固化工艺，即先将外蒙皮、蜂窝、加强框、镶嵌件装配后进热压罐固化一次，再装配外蒙皮进行第二次固化，二次固化工艺生产周期长，且会导致零件严重变形。

创新团队设计了一种镶嵌件预固化的方法，即先将镶嵌件组装后，使用调温热风枪设置120℃，保持约100mm的距离，对镶嵌件加热10min，使胶膜等能够初步具备可黏结性，将镶嵌件进行预固定，防止其在后续装配及加压过程中移位，成功将二次固化工艺改进为一次整体固化成型工艺，提高零件加工效率，大幅度减少零件变形。

喷水穿透法水浸超声检测工艺

在检测工艺研究方面，项目主要解决了零件内部胶结质量评价方法的问题。

根据零件结构，创新团队设计制作了各金属蜂窝夹芯构件的超声对比试块、自由曲面及回转体检测工装，仿形各零件结构、规划专用检测路径与检测姿态，试验比较发射端与接收端不同频率聚焦与不聚焦水浸探头的检测效果，优化检测水距及检测系统喷液器结构，开发了金属蜂窝夹芯构件喷水穿透法水浸超声检测工艺，解决了自由曲面及双曲率多层复杂结构金属蜂窝夹芯构件的超声检测难题，实现自主检测，为金属蜂窝夹芯构件内部质量提供了保障。

实施效能

创新团队攻克了金属蜂窝夹芯构件热压罐成型胶结工艺中的一系列技术难题，完成了金属蜂窝胶结全工艺流程开发，并通过（-55 ～175℃）全工况温度力学性能测试，发泡胶填充完整性试验、超声扫描内部质量检查和尺寸检查等一系列检测手段，验证了工艺的可行性和有效性，已具备了金属蜂窝夹芯构件批量加工能力，掌握了金属蜂窝夹芯构件热压罐胶结成型工艺的核心技术，打通了金属蜂窝复合材料构件领域工艺瓶颈。

创新团队还完成了金属蜂窝夹芯构件胶结固化成型工艺的改进，以及可重复利用真空加压系统制备方法的改进，大幅度减少零件变形，零件轮廓度由5mm降低至0.5mm以内。同时提高了零件加工效率，节约加工成本，加工周期由12天降至7天，生产周期缩短约42%，预计每年节约加工成本数百万元。

胶结工艺的成功开发，促进了发动机反推装置稳定交付，对实现动力自主保障起到关键作用。该技术还可推广至短舱等民机项目，进一步提高反推装置专业化制造能力，预计每年创造直接经济效益数亿元，具有显著的经济效益。

结束语

创新团队解决了胶结成型工艺中的一系列关键技术难题，完成了一种大型双曲率多层复杂结构金属蜂窝夹芯构件胶结成型工艺开发，并应用于航空发动机领域，填补了大型涡扇发动机反推装置金属蜂窝胶结工艺空白，促进了发动机反推装置产品稳定交付，对实现动力自主保障起到关键作用。