超混雜纖維鎂合金層板應力釋放成形方法與流程
2023-07-03 15:56:21
本發明涉及一種複合材料的製備成形方法，特別涉及一種超混雜纖維鎂合金層板構件的應力釋放成形方法，屬於複合材料的製備和成形領域。
背景技術：
纖維金屬層板(Fiber Metal Laminates，FMLs)是一種由金屬薄板和纖維預浸料交替鋪層後，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜複合材料，也稱為超混雜層板(Super Hybrid Laminates)。超混雜層板綜合了傳統纖維複合材料和金屬材料的優點，具有優良的疲勞性能、抗衝擊性能、機加性能、耐腐蝕性能、防火性能和防雷擊性能。這些優勢使得超混雜層板在航空航天等領域具有極大的應用潛力。作為第二代超混雜層板，Glare層板是由0.3～0.5mm的鋁合金薄板與0.2～0.3mm的玻璃纖維預浸料交替層壓而成，具有密度低、抗拉-壓疲勞性能優秀及較高的缺口斷裂性能，可使結構減重25％-30％，同時抗疲勞壽命提高10-15倍。Glare層板因其優異的性能，在航空航天領域已經得到廣泛的應用，並成為大型客機鈑金零件的主要選材之一。
目前Glare層板(US4500589、US5039571)中的金屬為2024或7075鋁合金。相對鋁合金而言，鎂合金的密度僅為其2/3，是當前最輕的結構材料，特別是近些年隨著新型高強度耐腐蝕的變形鎂合金相繼開發出來，目前絕大部分變形鎂合金的力學性能都已超越了2024或7075，特別是含稀土的變形鎂合金(WE43、GW83等)；另一方面，Glare層板構件傳統成形方法為：先製備Glare層板平板，之後採用拉形或輥彎的塑性成形方法成形Glare層板結構件，但由於Glare層板中纖維的破壞應變小於4％，採用拉形或輥彎成形時，纖維極易斷裂。同時由於樹脂和鋁合金之間物性參數相差甚遠，兩者變形存在不協調性，在拉形或輥彎過程中金屬和纖維結合面極易出現分層缺陷，因此採用輥彎和拉形方法不僅存在鋁合金纖維層板結構件成品率較低也無法成形複雜曲面的Glare層板的成形，而且由於輥彎或拉形後Glare層板塑性變形都幾乎到達該材料變形極限，因此加工後結構件內部存在較大的殘餘拉應力，也會影響Glare層板的使用壽命。綜上，採用鎂合金替代Glare層板中鋁合金(2024或7075)，可以設計出一種比強度更高，高抗損傷容限更好的纖維鎂合金層板；同時克服金屬纖維層板傳統成形方式的缺點，比如提高成品率以及消除成形後的殘餘應力，對於進一步推廣纖維金屬層板在航天航空領域應用具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於克服上述缺陷，開發一種比強度更高的新型超混雜纖維鎂合金層板，同時提供一種層板的應力釋放成形方法，此方法具有工藝簡單、適宜加工複雜曲面層板結構件、產品合格率高及成形後零件殘餘應力小的優點。
本發明提供超混雜纖維鎂合金層板構件的應力釋放成形方法，包括以下步驟：
1)預處理，對與預浸料接觸的鎂合金板料表面進行預處理；
2)鋪貼入模，準備並淨化鋪貼模具，將預處理後的鎂合金、膠膜和預浸料按照鎂合金-膠膜-預浸料-膠膜-鎂合金的結構依次互相交替鋪層次序鋪貼在已經淨化的模具，同時將鋪貼的層板置於真空袋或等效真空系統內抽真空；
3)固化和應力釋放成形，對入模後的超混雜纖維鎂合金層板施加均勻壓力，使其與模具型面貼合，將貼膜後的超混雜纖維鎂合金層板加熱到預浸料固化溫度和鎂合金應力釋放成形所需溫度，對層板進行保溫，實現樹脂固化的同時對鎂合金板材進行應力釋放成形，達到超混雜纖維鎂合金層板製備和成形一體化；
4)脫模，當纖維鎂合金層板中預浸料固化和鎂合金板材應力釋放都已經完成，將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，移除真空裝置，並得到低殘餘應力的纖維鎂合金層板結構件。
1.本發明中，所述步驟1)中鎂合金預處理可為微弧氧化、化學腐蝕、噴砂、磷酸陽極化等類似提高鎂合金表面和樹脂結合力的預處理方法中的一種；
2.本發明中，所述步驟2)中層板的鋪層結構為2/1結構、3/2結構、4/3結構……，其中前面一個數字是層板中鎂合金層數，第二個數字是指層板中複合材料層數，層板中的鎂合金和複合材料層數按照層板總厚度確定，且層板中預浸料鋪層方式可為單向或正交。
3.本發明中，所述的步驟2)中真空度小於等於-0.1MPa。
4.本發明中，所述的步驟3)中均勻壓力，壓力大小為使層板與模具型面完全貼合，並在此基礎上繼續施加0.5-5MPa壓力
5.本發明中，所述的步驟3)中超混雜纖維鎂合金層板應力釋放成形所需溫度為0.4Tm-0.6Tm，其中Tm為鎂合金熔點。保溫時間為1-5h，升溫速度小於15℃/min。
6.本發明中，所述的鎂合金可為AZ系列、AM系列及Mg-RE(RE指添加Gd、Y、Nd、Ce單一或多元稀土變形鎂合金)系列變形鎂合金。
7.本發明中，所述的預浸料可為碳纖維、玻璃纖維或芳綸纖維單向帶中的一種。
8.本發明中，所述的樹脂可為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醯亞胺樹脂等常見的樹脂，所述的膠膜和預浸料的樹脂種類一致。
本發明具有如下的有益技術效果：
(a)本發明提供的超混雜纖維鎂合金層板結構件應力釋放成形方法，同時也適用於目前廣泛使用的Glare層板成形，具有適用範圍廣。
(b)本發明提供的超混雜纖維鎂合金層板結構件應力釋放成形方法，原材料的鎂合金板材無需預成型，同時實現了超混雜纖維鎂合金層板結構件製備和成形一體化，減少了成形工序，降低纖維金屬層板結構件的成本。
(c)本發明提供的超混雜纖維鎂合金層板結構件應力釋放成形方法過程中可以有效消除鎂合金貼膜過程在鎂合金內部產生拉應力，降低成形後結構件的殘餘應力，可以有效的提高纖維金屬層板結構件的疲勞壽命。
(d)本發明提供的超混雜纖維鎂合金層板結構件替代現有的鎂合金、鋁合金及鈦合金構建結構，可以顯著改善結構的抗損傷容性能和比強度。
(e)本發明提供的超混雜纖維鎂合金層板中的鎂合金密度只有Glare層板中鋁合金密度的2/3，因此相對Glare層板密度降低20-30％，從而進一步提高層板的比強度，能顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比。
綜上所述，本發明提供方法製備的纖維鎂合金層板結構件具有高強度高抗損傷容限、比強度高，成本低，方法簡單、成形殘餘應力低等優點，採用該方法製備纖維金屬層板結構件替代現有的鋁合金結構件可以實現顯著降低飛行器的結構重量，增大飛行器的推重比。本發明製備方法簡單易行，易於工業化生產，有較大的應用價值。
附圖說明
圖1為本發明超混雜纖維鎂合金層板應力釋放成形方法流程圖
圖2為本發明應力釋放成形過程示意圖
圖2中中數字和字母的含義如下：
P-施加載荷，T-應力釋放成形溫度
1-成形模具，2-超混雜纖維鎂合金層板
具體實施方式
本發明的具體實施流程見圖1，下面結合具體實例對本發明作詳細說明。
實例1
第一步、選擇400mm×400mm×0.3mm的AZ31-T3鎂合金板材，並對需要與樹脂接觸的表面進行微弧氧化表面處理，使鎂合金表面獲得有利於樹脂粘結的表面形貌；
第二步、選用並裁剪400mm×400mm×0.15mm玻璃纖維增強的環氧樹脂預浸料，樹脂含量為40wt％；
第三步、採用2/1單向層板結構設計，按以下順序鋪設複合層板：AZ31-T3鎂合金/0°玻璃纖維增強環氧樹脂預浸料/0°玻璃纖維增強環氧樹脂預浸料/AZ31-T3鎂合金，每層AZ31-T3鎂合金與玻璃纖維增強環氧樹脂預浸料間鋪設30g/m2的環氧樹脂膠膜；
第四步、將鋪設的超混雜纖維鎂合金層板置於已經清潔的成形模具上，進行抽真空處理，其真空度要求小於等於-0.1MPa；
第五步、對抽真空後的層板施加均勻壓力，使得超混雜層板與成形模具型面貼合繼續施加1MPa壓力。
第六步、保持貼膜壓力，將超混雜纖維鎂合金層板加熱到150℃(0.46Tm)，升溫速度為10℃/min，保持溫度和壓力3h，在上述工藝條件下實現超混雜層板固化成形，同時使得處於彎曲受力狀態下AZ31鎂合金的拉應力得以釋放(如圖2所示)。應力釋放成形後將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，卸除壓力並取出超混雜纖維鎂合金層板結構件。
實例2
第一步、選擇400mm×400mm×0.3mm的WE43-T3鎂合金板材，並對×需要與樹脂接觸的表面進行磷酸陽極化表面處理，使鎂合金表面獲得有利於樹脂粘結的表面形貌；
第二步、選用並裁剪400mm×400mm×0.15mm碳纖維增強的聚醯亞胺樹脂預浸料，樹脂含量為40wt％；
第三步、採用2/1正交層板結構設計，按以下順序鋪設複合層板：WE43-T3鎂合金/0°碳纖維增強的聚醯亞胺樹脂預浸料/90°碳纖維增強的聚醯亞胺樹脂預浸料/WE43-T3鎂合金，每層WE43-T3鎂合金與碳纖維增強的聚醯亞胺樹脂預浸料間鋪設30g/m2的聚醯亞胺樹脂膠膜；
第四步、將鋪設完畢的超混雜纖維鎂合金層板防止在已經清潔的成形模具上，進行抽真空處理，其真空度要求小於等於-0.1MPa；
第五步、對抽真空後的層板施加均勻壓力，使得超混雜層板與成形模具型面貼合繼續施加1MPa壓力。
第六步、保持貼膜壓力，將超混雜纖維鎂合金層板加熱到230℃(0.55Tm)230℃，升溫速度為10℃/min，保持溫度和壓力4h，在上述工藝條件下實現超混雜層板固化成形，同時使得處於彎曲受力狀態下WE43鎂合金的拉應力得以釋放(如圖2所示)。應力釋放成形結束後將超混雜纖維鎂合金層板隨爐冷卻到室溫，卸除壓力並取出超混雜纖維鎂合金層板結構件。