航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法技术

本发明专利技术涉及一种航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法，属于异质材料连接领域，它解决了采用现有方法连接金属与复合材料后接头处强度低，不耐高温的缺点。其工艺方法是将非金属复合材料构件上设计加强筋，金属构件上设计U型金属卡槽，所述U型金属卡槽扣在所述加强筋上形成三面包围，其中在上表面相接触处用粘接剂粘接，在两个侧面相接触处用铆钉相连接。本发明专利技术适用于多种陶瓷复合材料如C/C，C/SiC，SiC/SiC等非金属纤维及颗粒增强陶瓷基复合材料与金属的连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非金属复合材料与金属材料的连接方法，尤其涉及一种航空发动机用陶瓷基高温复合材料构件与金属材料构件的连接。
技术介绍
随着航空航天飞行器的不断发展，强度高、比重小的复合材料在飞行器上的应用比重日益提高，金属材料与非金属复合材料的综合应用得到很大发展，相应的金属材料与非金属复合材料间的连接成为发展中的一个关键环节。在很多工程领域已经对金属材料与非金属复合材料的连接提出了迫切的要求。因此设计出可靠，合理的复合材料与金属的连接方法非常重要，直接关系到工程材料结构的可靠性。传统的复合材料与金属的连接一般采用机械连接，该连接方法工艺简单，但重量增加大，可靠性较低，铆接部位长期使用容易震动，且仅针对一定结构的构件适用。复合材料与金属的物理化学性质相差较大，尤其是热膨胀系数差异很大，采用粘接的方法具备较高的连接效率和抗震动稳定性，但传统的粘接连接处界面结合差，耐高温性能不好，很难满足高温下长寿命安全使用。因此迫切需要寻找一种既可以减少机械连接的使用，减少连接增重，又可以发挥出机械连接在高温下应有的优势，使复合材料与金属连接后既具备足够的强度又具有优异抗震动稳定性和耐高温性质，并最大限度的利用复合材料部件与金属部件之间的有限连接空间和连接面发挥其优越连接性能的连接方法。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法，用以解决现有技术中非金属复合材料与金属材料间的连接强度和耐高温性能的问题，尤其适用于多种陶瓷基复合材料及以陶瓷纤维为增强体的陶瓷基复合材料与金属的连接。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法，是将高温复合材料构件上设计加强筋、金属构件上设计U型金属卡槽，所述U型金属卡槽扣在所述加强筋上形成三面包围，其中在加强筋上表面与U型金属卡槽内顶面相接触处用粘接剂粘接，在两个侧面相接触处用铆钉连接。粘接采用的工艺步骤为：a：粘接表面预处理将所述加强筋粘接面用粒度200—400目的金刚砂轮打磨平整，磨削加工量为0.2—0.4mm；将所述U型金属卡槽粘接面用600目砂纸打磨平整；打磨加工完成后，将粘接表面粗化；粗化后对高温复合材料构件与金属构件均进行超声波清洗，清洗时间30—60分钟，清洗溶剂用乙醇或丙酮；清洗完成后放入烘箱烘干，烘干温度为80—90℃，烘干时间为60—240分钟；b：粘接在所述加强筋粘接面上均匀涂抹高温粘接剂，涂层厚度为0.2—0.4mm；然后将所述U型卡槽粘接面与加强筋粘接面相粘接，在空气中静置30—60分钟，然后在粘接处施加0.5—1MPa的压力下放入烘箱烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为2—4小时；c：热处理将高温复合材料构件与金属构件整体放入真空炉热处理，对粘接面处施加0.3—0.5MPa的压力，热处理环境为：真空度50—150Pa，温度900—1150℃，热处理时间4—8小时；然后炉冷至室温出炉。所述步骤b中所采用的高温粘接剂配方为，有机硅树脂∶氧化锌∶碳纤维∶硅粉∶铝粉∶钛粉∶锆粉＝30-28∶12-10∶1-1.2∶11-13∶30-32∶8-10∶8-9。铆接采用的工艺步骤为：在所述U型金属卡槽和所述加强筋相接触的两个侧面上分别打孔，然后用铆钉相连接。进一步讲，所用铆钉的长径比为2∶1—4∶1；铆接压力为5—10KN。进一步讲，采用一根铆钉贯穿所述U型卡槽两个侧面。进一步讲，所述U型金属卡槽与铆钉为相同材质的高温合金。进一步讲，所述高温复合材料是以碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝等陶瓷纤维为增强体，以碳、碳化硅和氧化铝等陶瓷为基体的耐高温复合材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术既对高温复合材料构件与金属材料构件的连接面采用粘接，又对两个连接构件进行铆接。通过同时使用高温粘接与铆接的混合连接技术，提高了高温复合材料与金属的整体连接强度。本专利技术适用于多种陶瓷复合材料如C/C，C/SiC等非金属纤维及颗粒增强陶瓷基复合材料与金属的连接。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为高温非金属复合材料构件与金属构件连接方式示意图。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术技术方案。本专利技术的目的是为了解决金属材料和非金属复合材料的连接性差的问题，在采用该连接方法后能实现高温复合材料与金属材料的连接强度及整体的耐高温性能，特别适用于以碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝等陶瓷纤维为增强体，以碳、碳化硅和氧化铝等陶瓷为基体的耐高温复合材料。这类工艺尤其适用于航空发动机热端的金属构件与非金属构件的连接加工。航空发动机热端的高温复合材料构件与金属构件的连接工艺主要包括以下几方面措施：(1)高温非金属复合材料构件与金属构件连接方式的设计：一般来讲，高温复合材料与金属材料难以用普通连接方法保证其连接强度(单纯的粘接或机械连接)，所以本专利技术考虑采用辅助结构的方式，在金属构件上设计一U型金属卡槽1，在高温非金属复合材料构件上设计一加强筋2，U型金属卡槽1顾名思义为一凹形体，加强筋2为一凸形体。进一步讲，U型金属卡槽1和加强筋2都分别一体成型于所属母体上。将U型金属卡槽1包围在加强筋2外面，实现三面包围接触连接，如图1所示。本专利技术采用粘接与铆接的混合连接方式，U型金属卡槽1与加强筋2形成三个的接触面中，加强筋上表面与U型金属卡槽的内顶面作为粘接面，采用粘接剂连接，加强筋的两个侧面与U型金属卡槽的两个内侧面形成铆接面，采用铆钉3连接；或者，将加强筋上表面与U型金属卡槽的内顶面作为铆接面，采用铆接方式连接，加强筋的两个侧面与U型金属卡槽的两个内侧面形成粘接面，采用粘接剂连接。但是考虑复合材料是纤维增强，铆接需要打孔，打孔越多，纤维切断严重，材料力学性能下降严重，所以尽量选择少打孔。针对现有方法金属与复合材料连接后接头处强度低，易松动，不耐高温的缺点，本专利技术设计U型金属卡槽与高温复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法，其特征在于：是将高温复合材料构件上设计加强筋、金属构件上设计U型金属卡槽，所述U型金属卡槽扣在所述加强筋上形成三面包围，其中在加强筋上表面与U型金属卡槽内顶面相接触处用粘接剂粘接，在两个侧面相接触处用铆钉连接。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机用高温复合材料构件与金属构件的连接方法，其
特征在于：是将高温复合材料构件上设计加强筋、金属构件上设计U型
金属卡槽，所述U型金属卡槽扣在所述加强筋上形成三面包围，其中在
加强筋上表面与U型金属卡槽内顶面相接触处用粘接剂粘接，在两个侧
面相接触处用铆钉连接。
2.根据权利要求1所述的航空发动机用高温复合材料构件与金属构
件的连接方法，其特征在于：粘接采用的工艺步骤为：
a：粘接表面预处理
将所述加强筋粘接面用粒度200—400目的金刚砂轮打磨平整，磨削
加工量为0.2—0.4mm；将所述U型金属卡槽粘接面用600目砂纸打磨平
整；打磨加工完成后，将粘接表面粗化；粗化后对高温复合材料构件与
金属构件均进行超声波清洗，清洗时间30—60分钟，清洗溶剂用乙醇或
丙酮；清洗完成后放入烘箱烘干，烘干温度为80—90℃，烘干时间为
60—240分钟；
b：粘接
在所述加强筋粘接面上均匀涂抹高温粘接剂，涂层厚度为
0.2—0.4mm；然后将所述U型卡槽粘接面与加强筋粘接面相粘接，在空
气中静置30—60分钟，然后在粘接处施加0.5—1MPa的压力下放入烘箱
烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为2—4小时；
c：热处理
将高温复合材料构件与金属构件整体放入真空炉热处理，对粘接面
处施加0.3—0.5MPa的压力，热处理环境为：真空度50—150Pa，温度

【专利技术属性】
技术研发人员：罗瑞盈，侯振华，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11