航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片預(yù)制體研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢

韋 鑫 荊云娟 楊明杰 張 元 尉寄望

（陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西西安，710038）

1 研究背景

在航空領(lǐng)域高速發(fā)展的今天，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)技術(shù)的落后，限制了航空領(lǐng)域的發(fā)展，而國外對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖，也成為了我國發(fā)展的制約力。發(fā)展提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)已成為我國迫切需要解決的問題，而發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升起到了關(guān)鍵的作用。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的研究就顯得尤為重要。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到了第四代，應(yīng)用復(fù)合材料及先進(jìn)的工藝技術(shù)，增強(qiáng)體主要為3D編織物或3D機(jī)織物。風(fēng)扇葉片預(yù)制體主要有3種制備工藝，分別是預(yù)浸料鋪層工藝、3D編織工藝以及3D機(jī)織工藝。

預(yù)浸料鋪層形成的風(fēng)扇葉片厚度方向沒有纖維連接會(huì)使葉片在受到外力沖擊時(shí)，容易造成分層而導(dǎo)致葉片整體失效。這種技術(shù)制備的材料，層間黏結(jié)性較3D編織物、3D機(jī)織物差，但其自動(dòng)化程度高、技術(shù)相對(duì)簡單，且對(duì)于形狀各異的構(gòu)件來說，后期加工方便。隨著技術(shù)進(jìn)步，此項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，被稱為自動(dòng)鋪絲工藝，并成功應(yīng)用于預(yù)制體的制備當(dāng)中，Rolls-Royce公司的TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片就是應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制體的自動(dòng)化生產(chǎn)。

風(fēng)扇葉片是一種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)件，3D編織可實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的近凈成型，后期加工簡單。在編織風(fēng)扇葉片預(yù)制件時(shí)，可通過工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)脑鰷p紗技術(shù)來實(shí)現(xiàn)葉片厚度的變化，通過一次成型實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片預(yù)制件的完整編織。目前，國內(nèi)的3D編織技術(shù)還停留在半自動(dòng)化水平，與國外相比差距較大，由此造成了編織結(jié)構(gòu)件的成本較高，發(fā)展速度緩慢。

在采用3D機(jī)織工藝進(jìn)行風(fēng)扇葉片預(yù)制體織造時(shí)，其核心技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片厚度的連續(xù)變化和一次成型。通過設(shè)計(jì)，可形成兩種工藝，第一種是通過減少經(jīng)紗層的方式來實(shí)現(xiàn)厚度變化［1］，這種方式存在織物中經(jīng)紗斷頭的現(xiàn)象，織物完整性差；第二種是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)，這種方式織成的構(gòu)件完整性較好，且一次成型，對(duì)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

2 國內(nèi)外風(fēng)扇葉片預(yù)制體制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 國外制備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

預(yù)制體結(jié)構(gòu)和制備技術(shù)成熟度影響著復(fù)合材料最終的性能，作為復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，國外許多國家已經(jīng)采用了多種復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體制備技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了較高程度的自動(dòng)化。

通用電氣公司（GE）的GEnx型發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片均采用預(yù)浸料熱壓成型工藝［2］，其中發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和葉片都采用了復(fù)合材料，帶來了質(zhì)量更輕，承載性能更好，耐久性更好，飛行成本、油耗和噪聲更低等諸多優(yōu)點(diǎn)［3］。GE90型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片也是用預(yù)浸料鋪層制得。此外，瑞達(dá)1000型和瑞達(dá)XWB型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片也采用預(yù)浸料激光定位手工/自動(dòng)化成型技術(shù)制備，它們具有較大推力和較大葉盤直徑，均適用于B777、A 350、B787等型號(hào)雙通道客機(jī)。

國際發(fā)動(dòng)機(jī)公司（CFM）采用3D機(jī)織及RTM成型技術(shù)制造的預(yù)制體應(yīng)用于LEAP-X1C型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片上。該葉片具有安全壽命高、質(zhì)輕、噪聲低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)。LEAP-X型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用3D編織技術(shù)及RTM成型技術(shù)［4］。它們均適用于B737、A 320、C919等型號(hào)單通道客機(jī)。

2006年，美國國家宇航局（NASA）DAMBRINE B等［5］提出了一種3D織造方法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片的厚度漸變。法國Snecma公司發(fā)明一項(xiàng)專利，采用2.5D結(jié)構(gòu)進(jìn)行織造，主體部分通過減少經(jīng)紗列數(shù)實(shí)現(xiàn)橫向厚度變化，榫頭部分采用先分兩層織造，后填充分層，最后通過縫合實(shí)現(xiàn)閉合［6］，但是該工藝使得榫頭部分的抗拉性能受到一定影響。該公司還發(fā)明一項(xiàng)專利，采用3D編織技術(shù)制造整體纖維預(yù)制件［7］，該發(fā)明制得的風(fēng)扇葉片密封性能和空氣動(dòng)力性能、厚度加倍，葉片機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)。

Mikrosam公司開發(fā)了一種設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)纖維、帶材的自動(dòng)鋪放，并成功應(yīng)用于預(yù)浸帶的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制鋪層，為預(yù)浸料鋪層工藝奠定了基礎(chǔ)。

2.2 國內(nèi)制備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片現(xiàn)在大多為鈦合金材料，隨著技術(shù)進(jìn)步和航空領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)合材料逐漸顯現(xiàn)了優(yōu)于金屬材料的特點(diǎn)，越來越多的設(shè)備零部件開始采用復(fù)合材料。預(yù)制體作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，是復(fù)合材料發(fā)展道路上不可或缺的一部分。在國內(nèi)，目前只看到渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合葉片，尚未見到實(shí)裝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)使用碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料的報(bào)道。CJ-1000A型發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)稱采用了碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料寬弦復(fù)合大彎掠風(fēng)扇葉片。我國相比于其他國家，研究發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片預(yù)制體制備技術(shù)較晚，工藝技術(shù)不穩(wěn)定，產(chǎn)品可靠性差。

早在2000年，航空材料研究院研發(fā)了2D編織葉片。2003年，浙江理工大學(xué)的祝成炎等［8］采用正交結(jié)構(gòu)，通過減少或增加經(jīng)緯紗層數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)了縱向截面厚度的變化，但這種方式織造的織物整體性差，厚度變化處存在紗線斷頭現(xiàn)象，影響織物力學(xué)性能。2016年，西安交通大學(xué)研究開發(fā)了纖維定向增強(qiáng)的復(fù)合材料渦輪葉片［9］。2017年，天津工業(yè)大學(xué)的容治軍［10］采用3D機(jī)織工藝，用緞紋組織作為基礎(chǔ)組織，實(shí)現(xiàn)了葉片的整體成型。

東華大學(xué)的李毓陵教授團(tuán)隊(duì)多年來從事于3D機(jī)織結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片預(yù)制體的研究，通過組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片預(yù)制件的整體成型，但未對(duì)力學(xué)性能方面進(jìn)行研究；曾文敏對(duì)單向厚度變化立體織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)初探；郭軍［11］對(duì)縱橫雙向變厚度立體織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及織造；謝位［12］在此基礎(chǔ)上，采用3D機(jī)織物結(jié)構(gòu)試織了風(fēng)扇葉片預(yù)制件，并采用樹脂膜熔滲工藝進(jìn)行復(fù)合，最終制成了合格的風(fēng)扇葉片。

除了以上高校外，我國從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的企業(yè)也較多，大多為軍工企業(yè)，它的技術(shù)保密較嚴(yán)格，很少能查到相關(guān)資料。盡管我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展已經(jīng)步入了高速發(fā)展的黃金時(shí)期，但與世界先進(jìn)水平相比，仍差距較大。

3 風(fēng)扇葉片預(yù)制體的性能研究

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的力學(xué)性能包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切，還有較為復(fù)雜的力學(xué)性能，如疲勞、蠕變等。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體的性能直接影響著葉片的性能，因此，對(duì)預(yù)制體的性能研究非常必要。而預(yù)制體的結(jié)構(gòu)不同，會(huì)造成復(fù)合材料性能也不同［13］。風(fēng)扇葉片預(yù)制體一般都為板狀，在固化成型前需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)變形，以保證固化后的形狀要求，主要變形為面內(nèi)剪切［14-15］。

用于風(fēng)扇葉片預(yù)制體的結(jié)構(gòu)多樣，多年來，很多學(xué)者對(duì)鋪層結(jié)構(gòu)、3D機(jī)織結(jié)構(gòu)、3D編織結(jié)構(gòu)都有較多的分析研究。郭興峰［16］采用細(xì)觀力學(xué)方法對(duì)三維正交機(jī)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為織造和控制纖維體積含量提供了一定基礎(chǔ)。苗馨勻等［17］通過對(duì)三維正交機(jī)織物單胞模型進(jìn)行重構(gòu)，更真實(shí)地反映了三維正交機(jī)織物細(xì)觀結(jié)構(gòu)。蔣云等［18］對(duì)三維五向編織物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立幾何模型，推導(dǎo)出纖維體積含量和編織工藝參數(shù)間的關(guān)系。這些都為預(yù)制體力學(xué)性能模擬提供了一定的理論基礎(chǔ)。LUYCKER E D等［19］基于葉片預(yù)制體的扭轉(zhuǎn)變形，采用有限元對(duì)葉片預(yù)制體的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行了模擬。

陳志明［20］根據(jù)中航工業(yè)商用發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司采用3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)預(yù)制體作為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片優(yōu)選材料的規(guī)劃，對(duì)3D角聯(lián)鎖織物的拉伸性能、剪切性能和扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能及變形行為進(jìn)行了測試，并采用有限元計(jì)算機(jī)模擬分析，為進(jìn)一步研究變厚度3D角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)預(yù)制體的性能奠定了一定基礎(chǔ)。

韋鑫［21］對(duì)各種結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片預(yù)制體的拉伸性能進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明多層接結(jié)結(jié)構(gòu)織物的拉伸性能最好。預(yù)制體作為復(fù)合材料成型過程中的一個(gè)中間產(chǎn)品，對(duì)其性能測試一直研究較少，通常是在復(fù)合材料成型后，對(duì)成品的各個(gè)復(fù)雜性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但筆者認(rèn)為，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體的性能評(píng)價(jià)應(yīng)該作為衡量復(fù)合材料風(fēng)扇葉片性能的一項(xiàng)重要線索，必要時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

4 風(fēng)扇葉片發(fā)展趨勢

4.1 復(fù)合材料

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高等優(yōu)良的性能，使其成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的各個(gè)產(chǎn)品中，國外已實(shí)現(xiàn)了3D編織自動(dòng)成型技術(shù)，而我國仍停留在復(fù)合材料風(fēng)扇葉片發(fā)展的初期階段，對(duì)于我國來講，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必要趨勢，而對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體的研究將是重中之重。預(yù)浸料鋪層技術(shù)、3D編織和3D機(jī)織技術(shù)都處于初始階段，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，下一階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，這將極大地提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升將起到?jīng)Q定性的作用。其次，復(fù)合材料預(yù)制體葉片扭轉(zhuǎn)變形一般在復(fù)合之后進(jìn)行，預(yù)制體一般成形為平板狀，這樣成型的復(fù)合材料葉片的性能比預(yù)制體葉片扭轉(zhuǎn)一次成型弱，研究復(fù)合材料預(yù)制體葉片扭轉(zhuǎn)一次成型是未來的發(fā)展趨勢。

4.2 3D打印

3D打印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的減材加工技術(shù)，采用的是增材制造理念，具有多個(gè)潛在優(yōu)勢。

（1）制造成本低。首先，3D打印不會(huì)因產(chǎn)品形狀復(fù)雜而消耗更多時(shí)間，降低了時(shí)間成本；其次，傳統(tǒng)減材制造會(huì)對(duì)材料進(jìn)行加工裁切，造成了資源浪費(fèi)，而3D打印直接成型產(chǎn)品形狀，無需裁切，大大提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本。

（2）對(duì)操作技能要求低。傳統(tǒng)的加工方式在加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些復(fù)雜零部件時(shí)對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求比較高，這樣限制了零部件的加工效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，而3D打印技術(shù)無需特別高的操作技巧。并且3D打印制造的零部件性能優(yōu)異，完全可以取代甚至超越傳統(tǒng)金屬材料。

近年來，美國GE公司致力于發(fā)展3D打印技術(shù)，并已成功將3D打印技術(shù)應(yīng)用于LEAP型發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴。目前，ATP型發(fā)動(dòng)機(jī)上1/3的零部件都是通過此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，他們計(jì)劃繼續(xù)推進(jìn)對(duì)3D打印技術(shù)的研究，希望將來可以成功打印發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片。在未來，3D打印將完全顛覆傳統(tǒng)加工技術(shù)，成為主流生產(chǎn)制造方法。

5 結(jié)語

我國在風(fēng)扇葉片預(yù)制體成型技術(shù)上還有很長的路要走，針對(duì)國內(nèi)生產(chǎn)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片預(yù)制體存在的問題，提出幾點(diǎn)發(fā)展建議。

（1）提高設(shè)備自動(dòng)化程度。設(shè)備的自動(dòng)化程度直接決定著產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性，然而用于制造預(yù)制體3種工藝，我國的設(shè)備自動(dòng)化程度都較低，相比較而言，鋪層設(shè)備高于3D機(jī)織設(shè)備，3D機(jī)織設(shè)備高于3D編織設(shè)備。提高設(shè)備自動(dòng)化程度將極大改善預(yù)制體的制造效率。

（2）提高工藝技術(shù)。風(fēng)扇葉片是一個(gè)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，自身帶有一定程度的扭轉(zhuǎn)，榫頭與葉片主體部分厚度差距較大，這都極大地考驗(yàn)了生產(chǎn)工藝的可實(shí)現(xiàn)性，目前的預(yù)制體制備工藝還不能實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)一次成型，必須在后期復(fù)合實(shí)現(xiàn)，提高工藝技術(shù)能極大改善葉片性能。

（3）健全預(yù)制體性能檢測手段。預(yù)制體的性能決定了復(fù)合材料最終的性能，因此，預(yù)制體生產(chǎn)完成后，需對(duì)其基本性能進(jìn)行檢測，目前我國對(duì)此項(xiàng)研究甚少。

（4）隨著航空領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)民用市場也在不斷崛起，擁有著越來越廣闊的市場前景，對(duì)產(chǎn)品的性能要求也越來越高。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升已成為迫切需要解決的問題，實(shí)現(xiàn)自主研制首臺(tái)先進(jìn)大型民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是未來發(fā)展的目標(biāo)。