航空發動機風扇葉片預制體研發現狀及趨勢

韋 鑫 荊云娟 楊明杰 張 元 尉寄望

（陜西省紡織科學研究院，陜西西安，710038）

1 研究背景

在航空領域高速發展的今天，我國航空發動機研發技術的落后，限制了航空領域的發展，而國外對我國實行技術封鎖，也成為了我國發展的制約力。發展提高發動機制造技術已成為我國迫切需要解決的問題，而發動機風扇葉片的性能對發動機性能提升起到了關鍵的作用。因此，對發動機風扇葉片的研究就顯得尤為重要。目前，發動機已經發展到了第四代，應用復合材料及先進的工藝技術，增強體主要為3D編織物或3D機織物。風扇葉片預制體主要有3種制備工藝，分別是預浸料鋪層工藝、3D編織工藝以及3D機織工藝。

預浸料鋪層形成的風扇葉片厚度方向沒有纖維連接會使葉片在受到外力沖擊時，容易造成分層而導致葉片整體失效。這種技術制備的材料，層間黏結性較3D編織物、3D機織物差，但其自動化程度高、技術相對簡單，且對于形狀各異的構件來說，后期加工方便。隨著技術進步，此項技術實現了自動化，被稱為自動鋪絲工藝，并成功應用于預制體的制備當中，Rolls-Royce公司的TRENT系列發動機風扇葉片就是應用此項技術實現了預制體的自動化生產。

風扇葉片是一種結構較復雜的構件，3D編織可實現其結構的近凈成型，后期加工簡單。在編織風扇葉片預制件時，可通過工藝結構設計和適當的增減紗技術來實現葉片厚度的變化，通過一次成型實現風扇葉片預制件的完整編織。目前，國內的3D編織技術還停留在半自動化水平，與國外相比差距較大，由此造成了編織結構件的成本較高，發展速度緩慢。

在采用3D機織工藝進行風扇葉片預制體織造時，其核心技術是如何實現風扇葉片厚度的連續變化和一次成型。通過設計，可形成兩種工藝，第一種是通過減少經紗層的方式來實現厚度變化［1］，這種方式存在織物中經紗斷頭的現象，織物完整性差；第二種是通過結構設計的方式實現，這種方式織成的構件完整性較好，且一次成型，對工藝結構設計要求較高。

2 國內外風扇葉片預制體制備技術研究現狀

2.1 國外制備技術發展現狀

預制體結構和制備技術成熟度影響著復合材料最終的性能，作為復合材料風扇葉片制造的關鍵技術之一，國外許多國家已經采用了多種復合材料風扇葉片預制體制備技術并實現了較高程度的自動化。

通用電氣公司（GE）的GEnx型發動機復合材料風扇葉片均采用預浸料熱壓成型工藝［2］，其中發動機機匣和葉片都采用了復合材料，帶來了質量更輕，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點［3］。GE90型發動機風扇葉片也是用預浸料鋪層制得。此外，瑞達1000型和瑞達XWB型渦扇發動機葉片也采用預浸料激光定位手工/自動化成型技術制備，它們具有較大推力和較大葉盤直徑，均適用于B777、A 350、B787等型號雙通道客機。

國際發動機公司（CFM）采用3D機織及RTM成型技術制造的預制體應用于LEAP-X1C型發動機風扇葉片上。該葉片具有安全壽命高、質輕、噪聲低、維護成本低等特點。LEAP-X型發動機葉片采用3D編織技術及RTM成型技術［4］。它們均適用于B737、A 320、C919等型號單通道客機。

2006年，美國國家宇航局（NASA）DAMBRINE B等［5］提出了一種3D織造方法來實現風扇葉片的厚度漸變。法國Snecma公司發明一項專利，采用2.5D結構進行織造，主體部分通過減少經紗列數實現橫向厚度變化，榫頭部分采用先分兩層織造，后填充分層，最后通過縫合實現閉合［6］，但是該工藝使得榫頭部分的抗拉性能受到一定影響。該公司還發明一項專利，采用3D編織技術制造整體纖維預制件［7］，該發明制得的風扇葉片密封性能和空氣動力性能、厚度加倍，葉片機械強度增強。

Mikrosam公司開發了一種設備，可以實現纖維、帶材的自動鋪放，并成功應用于預浸帶的計算機自動控制鋪層，為預浸料鋪層工藝奠定了基礎。

2.2 國內制備技術發展現狀

國內發動機風扇葉片現在大多為鈦合金材料，隨著技術進步和航空領域的發展，復合材料逐漸顯現了優于金屬材料的特點，越來越多的設備零部件開始采用復合材料。預制體作為復合材料的增強材料，是復合材料發展道路上不可或缺的一部分。在國內，目前只看到渦槳發動機的復合葉片，尚未見到實裝渦扇發動機使用碳纖維增強基復合材料的報道。CJ-1000A型發動機據稱采用了碳纖維增強基復合材料寬弦復合大彎掠風扇葉片。我國相比于其他國家，研究發動機風扇葉片預制體制備技術較晚，工藝技術不穩定，產品可靠性差。

早在2000年，航空材料研究院研發了2D編織葉片。2003年，浙江理工大學的祝成炎等［8］采用正交結構，通過減少或增加經緯紗層數的方式實現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象，影響織物力學性能。2016年，西安交通大學研究開發了纖維定向增強的復合材料渦輪葉片［9］。2017年，天津工業大學的容治軍［10］采用3D機織工藝，用緞紋組織作為基礎組織，實現了葉片的整體成型。

東華大學的李毓陵教授團隊多年來從事于3D機織結構的發動機風扇葉片預制體的研究，通過組織結構設計來實現風扇葉片預制件的整體成型，但未對力學性能方面進行研究；曾文敏對單向厚度變化立體織物的結構進行了設計初探；郭軍［11］對縱橫雙向變厚度立體織物進行結構設計及織造；謝位［12］在此基礎上，采用3D機織物結構試織了風扇葉片預制件，并采用樹脂膜熔滲工藝進行復合，最終制成了合格的風扇葉片。

除了以上高校外，我國從事航空發動機研究的企業也較多，大多為軍工企業，它的技術保密較嚴格，很少能查到相關資料。盡管我國航空發動機的發展已經步入了高速發展的黃金時期，但與世界先進水平相比，仍差距較大。

3 風扇葉片預制體的性能研究

復合材料風扇葉片的力學性能包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切，還有較為復雜的力學性能，如疲勞、蠕變等。復合材料風扇葉片預制體的性能直接影響著葉片的性能，因此，對預制體的性能研究非常必要。而預制體的結構不同，會造成復合材料性能也不同［13］。風扇葉片預制體一般都為板狀，在固化成型前需進行扭轉變形，以保證固化后的形狀要求，主要變形為面內剪切［14-15］。

用于風扇葉片預制體的結構多樣，多年來，很多學者對鋪層結構、3D機織結構、3D編織結構都有較多的分析研究。郭興峰［16］采用細觀力學方法對三維正交機織物結構進行研究，為織造和控制纖維體積含量提供了一定基礎。苗馨勻等［17］通過對三維正交機織物單胞模型進行重構，更真實地反映了三維正交機織物細觀結構。蔣云等［18］對三維五向編織物的細觀結構進行分析，建立幾何模型，推導出纖維體積含量和編織工藝參數間的關系。這些都為預制體力學性能模擬提供了一定的理論基礎。LUYCKER E D等［19］基于葉片預制體的扭轉變形，采用有限元對葉片預制體的扭轉變形進行了模擬。

陳志明［20］根據中航工業商用發動機有限責任公司采用3D角聯鎖結構預制體作為發動機葉片優選材料的規劃，對3D角聯鎖織物的拉伸性能、剪切性能和扭轉力學性能及變形行為進行了測試，并采用有限元計算機模擬分析，為進一步研究變厚度3D角聯鎖結構預制體的性能奠定了一定基礎。

韋鑫［21］對各種結構的風扇葉片預制體的拉伸性能進行了初步研究，結果表明多層接結結構織物的拉伸性能最好。預制體作為復合材料成型過程中的一個中間產品，對其性能測試一直研究較少，通常是在復合材料成型后，對成品的各個復雜性能進行評價，但筆者認為，復合材料風扇葉片預制體的性能評價應該作為衡量復合材料風扇葉片性能的一項重要線索，必要時必須對其進行性能評價。

4 風扇葉片發展趨勢

4.1 復合材料

復合材料具有質輕、強度高等優良的性能，使其成功應用于航空航天領域的各個產品中，國外已實現了3D編織自動成型技術，而我國仍停留在復合材料風扇葉片發展的初期階段，對于我國來講，復合材料風扇葉片是航空發動機發展的必要趨勢，而對復合材料風扇葉片預制體的研究將是重中之重。預浸料鋪層技術、3D編織和3D機織技術都處于初始階段，不能實現自動化生產，下一階段的目標是實現自動化技術，這將極大地提高生產力和產品質量穩定性，對發動機性能的提升將起到決定性的作用。其次，復合材料預制體葉片扭轉變形一般在復合之后進行，預制體一般成形為平板狀，這樣成型的復合材料葉片的性能比預制體葉片扭轉一次成型弱，研究復合材料預制體葉片扭轉一次成型是未來的發展趨勢。

4.2 3D打印

3D打印技術不同于傳統的減材加工技術，采用的是增材制造理念，具有多個潛在優勢。

（1）制造成本低。首先，3D打印不會因產品形狀復雜而消耗更多時間，降低了時間成本；其次，傳統減材制造會對材料進行加工裁切，造成了資源浪費，而3D打印直接成型產品形狀，無需裁切，大大提高了材料利用率，降低了生產成本。

（2）對操作技能要求低。傳統的加工方式在加工航空發動機的某些復雜零部件時對操作人員的技術水平要求比較高，這樣限制了零部件的加工效率和質量穩定性，而3D打印技術無需特別高的操作技巧。并且3D打印制造的零部件性能優異，完全可以取代甚至超越傳統金屬材料。

近年來，美國GE公司致力于發展3D打印技術，并已成功將3D打印技術應用于LEAP型發動機噴油嘴。目前，ATP型發動機上1/3的零部件都是通過此技術實現的，他們計劃繼續推進對3D打印技術的研究，希望將來可以成功打印發動機低壓渦輪葉片。在未來，3D打印將完全顛覆傳統加工技術，成為主流生產制造方法。

5 結語

我國在風扇葉片預制體成型技術上還有很長的路要走，針對國內生產制造航空發動機風扇葉片預制體存在的問題，提出幾點發展建議。

（1）提高設備自動化程度。設備的自動化程度直接決定著產品質量穩定性和可靠性，然而用于制造預制體3種工藝，我國的設備自動化程度都較低，相比較而言，鋪層設備高于3D機織設備，3D機織設備高于3D編織設備。提高設備自動化程度將極大改善預制體的制造效率。

（2）提高工藝技術。風扇葉片是一個較為復雜的結構，自身帶有一定程度的扭轉，榫頭與葉片主體部分厚度差距較大，這都極大地考驗了生產工藝的可實現性，目前的預制體制備工藝還不能實現扭轉一次成型，必須在后期復合實現，提高工藝技術能極大改善葉片性能。

（3）健全預制體性能檢測手段。預制體的性能決定了復合材料最終的性能，因此，預制體生產完成后，需對其基本性能進行檢測，目前我國對此項研究甚少。

（4）隨著航空領域技術的不斷發展，航空發動機民用市場也在不斷崛起，擁有著越來越廣闊的市場前景，對產品的性能要求也越來越高。因此，航空發動機性能提升已成為迫切需要解決的問題，實現自主研制首臺先進大型民用渦扇發動機是未來發展的目標。