殷钢在复合材料成形模具中的应用.pdf

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1、68殷钢在复合材料成形模具中的应用2010年11月殷钢在复合材料成形模具中的应用杨博，李宏，曹正华(1．北京航空制造工程研究所，北京100024；2．空军驻北京地区军事代表室，北京100026)摘要：对低膨胀合金作了简单介绍，着重论述了大型复合材料构件成型用模具使用殷钢的必要性，介绍了殷钢在国内外复合材料成型模具中的应用情况和笔者对殷钢材料及其成型模具的研制。关键词：低膨胀合金；殷钢；复合材料；模具中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2010)06—0068—031低膨胀合金简介A4OOM和A350的研发，使先进复合材料的应用达低膨胀合金在国内被称为殷钢或因瓦钢。

2、1896到了一个新的高度，如B787的复合材料用量为年法国Guillaume发现了“因瓦效应”，即当Fe-Ni合50％，A350的复合材料用量为52％。金中Ni的含量在36％左右时，合金的热膨胀系数随着复合材料构件在飞机主承力结构上的应用出人意料的出现了一个最小值，见图1，这一重要发(如B787的机翼和机身、A400M的机翼采用复合材现导致了因瓦合金的诞生⋯。此后，这一问题便引料)和飞机尺寸的变大(如A380的垂尾长度达到起了广泛的注意并开发了其他具有特性的低膨胀合14m)，复合材料构件尺寸随之越大，对复合材料成金，如超因瓦合金、高强度低膨胀合金和高温低膨胀型用模具的材料提出了更高的要求。常用

3、的复合材合金等。料构件的成型模具使用的材料及其特点如表1所示。表1复合材料成型模具使用的材料及特点普通钢(Q235)模具由于具有成本较低、耐用性好和热膨胀系数较小等优点而成为目前广泛使用的图1因瓦效应复合材料批生产的成型模具。但随着复合材料零件殷钢最主要的特点是具有低的膨胀系数。因而尺寸的变大，普通钢模具的热膨胀系数与复合材料在一定的环境温度要求近似恒定的场合应用较广，零件热膨胀系数(一般是2×10／℃)不一致导致主要包括有精密仪器、长度标尺、液态天然气的储蓄的问题逐渐暴露出来。由于热膨胀系数不一致，导容器和复合材料的成型模具等。致复合材料零件尺寸与理论尺寸不一致、存在内应2大型复合材料构件的

4、成型模具使用力、装配不协调、表面皱缩等一系列问题。下面以波殷钢的必要性音B787的机翼为例，从理论上估算由于普通钢树脂基复合材料由于其低密度、高强度、高模量(Q235)模具和复合材料零件热膨胀系数不一致导和可设计性等优点在飞机零件上得到了广泛应用，致的尺寸变化(B787机翼长27m，固化温度为成为继铝、钢和钛合金之后重要的结构材料，其应用177℃，复合材料热膨胀系数约为2×10／~C)。范围和水平成为衡量飞机先进性的重要指标之△=L×At×A=27m×(177—23)oC一。尤其最近几年，波音B787、空客A380、×(12—2)×10～／~C：41．5ram收稿13期：2010-04—13作

5、者简介：杨博(1978一)，男，工程师，硕士，主要从事树脂基复合材料的研究。FRP／CM2010．No．62010年第6期玻璃钢／复合材料69从上面的理论计算可以看出，由于模具与复合材料热膨胀系数不一致导致的尺寸变化高达42mm；同理可得，如果B787复合材料机身段的成形模具采用普通钢，则其直径方向的变形高达8．7mm，在工程上是完全接受不了的，所以大型复合材料构件的成型模具材料采用殷钢是必然的选择。3殷钢在国外复合材料构件中的应用复合材料在美国Boeing和欧洲Airbus的飞机的应用已拓展到主承力结构，相应的复合材料构件的尺寸很大，见表2。其复合材料构件成型用模具(芯模)广泛地使用殷钢材料

6、，具体见图2和图3。表2欧美飞机复合材料零件的尺寸图3B787机翼及其殷钢模具复合材料零件尺寸／m阻碍了其在国内的应用。但随着国内大飞机的立B787机身5．7(直径)项，对大尺寸复合材料的需求会带动殷钢模具的A380垂尾14需求。A400M机翼2O3B787机翼27252旦1．5耋t最05O20／90℃20／12o℃20／l50℃20／l80℃20／200℃20／220℃温度图4殷钢的热膨胀性能笔者用殷钢制造了大曲率的复合材料成型模具，对殷钢的热膨胀性能、机械加工性能、焊接性能和热处理性能等进行了摸索，为殷钢在大型复合材料构件的研制打下了良好的工程基础。图4所示为殷钢的热膨胀系数的实测图。可以

7、看出，在复合材料常用的固化温度范围内，殷钢的热膨胀系数和复合材料的热膨胀系数能够很好地匹配。殷钢是易焊接材料，可以使用传统的焊接方法，最好使用惰性气图2B787机身及其殷钢模具体保护进行焊接。殷钢的机械加工性能接近于3044殷钢在国内复合材料构件中的应用不锈钢，比Q235钢的加工效率稍低。为了消除内应国内关于殷钢的复合材料成型模具的报道较力，获得稳定、准确的尺寸，需要在不同阶段对殷钢少。何晓蓉在《