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作為復(fù)雜薄壁曲面類部件，航空發(fā)動機葉片是航空發(fā)動機中非常關(guān)鍵的一類典型零件。隨著現(xiàn)代航空業(yè)的發(fā)展，為了滿足航空發(fā)動機日益苛刻的氣動性能要求，各種葉片的構(gòu)型越來越復(fù)雜，工況越來越惡劣，由此，對于航空發(fā)動機葉片的加工制造難度和工藝要求也越來越高。為了不斷提高航空發(fā)動機的性能和效率，尤其是隨著發(fā)動機涵道比的進(jìn)一步提高，目前在新一代戰(zhàn)斗機與大型民用客機的發(fā)動機上采用的復(fù)合材料構(gòu)件越來越多，其中的一個核心部件就是復(fù)合材料葉片。由樹脂基、金屬基和陶瓷基等復(fù)合材料制成的復(fù)合材料葉片能夠在保持甚至超過合金葉片強度和性能的基礎(chǔ)上大幅減輕航空發(fā)動機的重量，從而顯著提升新一代航空發(fā)動機的綜合性能。樹脂基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇葉片、金屬基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇和壓氣機葉片、陶瓷基復(fù)合材料制造的渦輪葉片，已經(jīng)成為當(dāng)下航空發(fā)動機減重增推的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。如何保障各種新型復(fù)合材料葉片的可加工性，提供高可靠的加工工藝，保證高性能的制造，是未來進(jìn)一步提升航空發(fā)動機新型復(fù)合材料葉片大規(guī)模裝備應(yīng)用的前提。

1復(fù)合材料航空發(fā)動機葉片的現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，英國Rolls-Royc（羅-羅）公司就已經(jīng)開始對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研發(fā)工作，并準(zhǔn)備應(yīng)用于RB211發(fā)動機，但由于未能滿足葉片剛度及韌性的要求，導(dǎo)致計劃夭折。隨著復(fù)合材料行業(yè)的高速發(fā)展，美國General Electric（GE）公司、英國羅-羅公司、法國SNECMA公司與美國Pratt&Whitney（普惠）公司的復(fù)合材料葉片相繼問世。目前，復(fù)合材料航空發(fā)動機葉片國際市場仍被上述國際巨頭所壟斷。

目前復(fù)合材料葉片在國際航空發(fā)動機上的主要應(yīng)用如表1所示。可以看到，樹脂基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇葉片、金屬基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇/壓氣機葉片、陶瓷基復(fù)合材料制造的渦輪葉片等復(fù)合材料葉片都已經(jīng)廣泛應(yīng)用在商業(yè)航空發(fā)動機中。各類復(fù)材葉片發(fā)動機的成功應(yīng)用，證明了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片適用于要求嚴(yán)格的商業(yè)飛行需要。

表1 復(fù)合材料航空發(fā)動機葉片

隨著中國航空工業(yè)的高速發(fā)展，在航空發(fā)動機葉片制造技術(shù)上已經(jīng)取得了諸多的突破，但對于研發(fā)與制造高端復(fù)合材料葉片產(chǎn)品，在生產(chǎn)成本、研制周期、材料制備、制造技術(shù)、適航經(jīng)驗以及適航審定上，目前與世界領(lǐng)先的航空巨頭差距依然巨大，嚴(yán)重制約了國內(nèi)復(fù)合材料葉片的大規(guī)模應(yīng)用，降低了與國際市場競爭力。

2復(fù)合材料航空發(fā)動機葉片的制造工藝

樹脂基復(fù)合材料葉片制造工藝

樹脂基復(fù)合材料葉片具有高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕等一系列優(yōu)點，在先進(jìn)航空發(fā)動機上有諸多應(yīng)用，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料葉片。目前樹脂基航空發(fā)動機復(fù)合材料葉片的制造工藝主要有預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝和三維編織/增強樹脂傳遞模塑成型工藝，其中的核心技術(shù)是實現(xiàn)葉片厚度的縱橫雙向連續(xù)變化和固化的一次成型。

預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝

預(yù)浸料/熱壓罐成型工藝需事先把預(yù)浸料下料切割成設(shè)計好的形狀，然后進(jìn)行預(yù)浸料的鋪疊、固化成型。圖1展示了GE航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片熱壓罐成型工藝過程。基本操作過程是將由碳纖維浸泡至部分固化的樹脂制成的預(yù)浸料疊層與其他工藝輔助材料組合在一起，形成一個真空袋組合系統(tǒng)，在熱壓罐中給予一定壓力和溫度，完成所需葉片零件的固化成型。手工鋪層使用的復(fù)合材料強度和剛度高，已發(fā)展成熟并具有相當(dāng)多的商業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗。

圖1 GE航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片熱壓罐成型工藝過程

使用預(yù)浸料鋪放工藝來制備預(yù)制體的難點是預(yù)浸料的平面-曲面變換裁切、預(yù)浸料鋪貼精確定位以及預(yù)浸料層間的穿刺強化。羅-羅公司為其超扇葉片（UltraFan）設(shè)計了自動鋪絲和鋪帶工藝并輔以三維激光測量技術(shù)保障精度，如圖2所示。該葉片由500層Hexcel公司生產(chǎn)的IM7/M91碳纖維增強高韌性環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制成。葉片預(yù)制體在自動化纖維絲束鋪放設(shè)備上完成制備后，經(jīng)過熱壓罐高溫高壓固化和精密加工處理，而后進(jìn)行表面涂層處理，并在葉片前緣部位包覆鈦合金保護(hù)薄片。機器編織目前成本較高，但因其高效、精密和自動化的特點，將成為未來的主要方法。

圖2 超扇葉片的自動化工藝

三維編織結(jié)/增強樹脂傳遞模塑成型工藝

CFM公司采用“3D WOVEN編織結(jié)+增強樹脂傳遞模塑（RTM）成型”制造了Leap-X系列發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，其成型過程如圖3所示。該葉片解決了熱壓罐固化過程中出現(xiàn)的熱變形現(xiàn)象，保證了其外形精度，且可以嚴(yán)格控制纖維體積分?jǐn)?shù)。RTM工藝的技術(shù)優(yōu)勢在于將碳纖維預(yù)成型體的設(shè)計與樹脂的模塑過程分離，可以充分發(fā)揮鋪層材料的可設(shè)計性。在葉片高壓成型前將碳纖維織制成三維機織結(jié)構(gòu)，然后對其進(jìn)行切割，扭轉(zhuǎn)鋪放到模具里，進(jìn)行RTM工藝成型。在脫模和數(shù)控精加工后安裝鈦合金包邊，完成葉片的整體制造。RTM技術(shù)可使預(yù)制體設(shè)計和模塑成型兩者獨立進(jìn)行，充分滿足航空發(fā)動機葉片設(shè)計過程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求。Snecma公司后期進(jìn)行的耐久性試驗表明，應(yīng)用RTM技術(shù)制造葉片不僅降低了重量和成本，也加強了防鳥撞等結(jié)構(gòu)性能。

圖3 Leap-X發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型工藝過程

金屬基復(fù)合材料葉片制造工藝

金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的比強度、比剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以按需設(shè)計產(chǎn)品性能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的一體化。圖4展示了GE公司Al-Li合金基復(fù)材葉片的制造工藝，其預(yù)制件制備完成后有2種成型方法，分別為模壓成型法和加壓澆鑄法。

圖4 金屬基復(fù)材葉片的制造工藝

從PW4084發(fā)動機開始，普惠公司在風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片上使用DWA公司生產(chǎn)的擠壓態(tài)碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復(fù)合材料，并借助超塑成形/擴散連接工藝成功研制了碳化硅纖維增強鈦基復(fù)合材料空心風(fēng)扇葉片，如圖5所示。其將預(yù)制體的兩片葉身進(jìn)行擴散連接形成空腔結(jié)構(gòu)再加熱至超塑成形狀態(tài)扭轉(zhuǎn)成形的工藝可使發(fā)動機結(jié)構(gòu)減重14%。羅-羅公司也成功研制出寬弦空心金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。

圖5 超塑成形/擴散連接制造工藝

金屬基復(fù)合材料已經(jīng)或?qū)⒈粦?yīng)用于壓氣機靜子葉片、轉(zhuǎn)子葉片、整體葉環(huán)等多個部位，但其在航空發(fā)動機的生產(chǎn)制造上并未實現(xiàn)廣泛的推廣應(yīng)用，這主要是因為金屬基復(fù)合材料制造生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造成本高、合格率低。

陶瓷基復(fù)合材料葉片制造工藝

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料，目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料是碳纖維增韌碳化硅、碳化硅纖維增韌碳化硅。

GE研發(fā)的熔體滲透工藝流程如圖6所示。首先將陶瓷基復(fù)合材料基體加熱到高溫使其熔化成熔體，然后滲入增強物的預(yù)制體中，再冷卻得到所需的陶瓷基復(fù)合材料葉片。

圖6 熔體滲透工藝示意

CFM公司的LEAP發(fā)動機是第一款采用陶瓷基復(fù)合材料組件的商用噴氣發(fā)動機，其采用18個固定式陶瓷基復(fù)合材料渦輪環(huán)。GE/Allison公司在XTC77/1上驗證了空心連續(xù)碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料高壓渦輪靜子葉片。

陶瓷基復(fù)合材料葉片具有強大的力學(xué)性能和高溫性能，但是在持續(xù)的高溫、高壓以及低頻振動作業(yè)情況下會產(chǎn)生疲勞、損傷等現(xiàn)象，可能導(dǎo)致增韌失效，大大減少其壽命，因此仍然需要發(fā)展高效低損傷的加工技術(shù)。

3復(fù)合材料航空發(fā)動機葉片的發(fā)展趨勢

目前，風(fēng)扇葉片、壓氣機低壓級葉片已逐步從鈦合金空心葉片向復(fù)合材料葉片轉(zhuǎn)變，其中民用大涵道比渦扇發(fā)動機已大量使用樹脂基復(fù)合材料葉片，且復(fù)合材料的使用量在不斷加大。因此，開發(fā)和應(yīng)用輕質(zhì)高強耐高溫的復(fù)合材料成為提升航空發(fā)動機減重效率、推重比、燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段，也是目前航空發(fā)動機葉片的發(fā)展趨勢。

航空發(fā)動機整機的減重效益使得葉片的設(shè)計需向更大曲率的方向發(fā)展。如圖7所示，GE公司在設(shè)計同系列復(fù)合材料風(fēng)扇葉片時，將單個葉片的曲率逐步增大，使得發(fā)動機能夠在保證相同進(jìn)氣性能的同時逐步減小其葉片的數(shù)量。GE公司新一代GE9X發(fā)動機，使用的第四代混雜材料風(fēng)扇葉片葉身主區(qū)域為碳纖/樹脂基，金屬包層覆蓋在葉尖、后緣，后緣為碳纖、玻纖混合增強/樹脂基，內(nèi)部為碳纖，外部為玻纖。從GE9X使用的材料可以看出，復(fù)合材料葉片的材料形式有明顯的從單一材料向混雜材料轉(zhuǎn)變的趨勢。

圖7 GE航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片的發(fā)展

在葉片的設(shè)計和強度校核方面，準(zhǔn)確性高、計算速度快的計算機模擬技術(shù)有望實現(xiàn)缺陷形成機理模擬及控制、固化過程、變形及控制、壓力傳遞等仿真分析，將模擬技術(shù)應(yīng)用到精確控制過程中可以大幅縮短航空發(fā)動機的設(shè)計周期。模擬方法可以規(guī)避傳統(tǒng)工藝流程中的諸多缺點，從3D預(yù)制體編織設(shè)計到葉片強度分析校核整個過程中的計算部分，都可以通過仿真來實現(xiàn)。

在制造工藝方面，增材制造技術(shù)在單件和小批量復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有快速制造的優(yōu)勢，設(shè)計、材料和制造的一體化將是其未來發(fā)展的方向。同時，樹脂傳遞模塑成型工藝、真空灌注成型工藝等液體成型工藝得到了較大發(fā)展，隨著編織技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料損傷容限和沖擊韌性將不斷提高。采用低溫固化、低壓成型技術(shù)以降低固化溫度，縮短反應(yīng)時間，盡可能提高其壽命也是發(fā)展大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件和復(fù)合材料的重要趨勢之一。

在葉片健康管理方面，以羅-羅公司的UltraFan發(fā)動機為代表的航空發(fā)動機生產(chǎn)商正在落實基于數(shù)字孿生技術(shù)的復(fù)合材料葉片全生命周期監(jiān)測系統(tǒng)，同時可提供修復(fù)與再制造方法。其主要手段是通過嵌入式傳感器在線監(jiān)測全生命周期的復(fù)材葉片載荷與結(jié)構(gòu)損傷信息，主動感知其服役過程中的環(huán)境變化，大幅提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全可靠性。在應(yīng)對葉片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時，除傳感器的嵌入之外，將壓電材料等復(fù)合材料嵌入葉片從而形成感知與控制一體化的智能葉片也是未來的發(fā)展趨勢。

4展望

開發(fā)和應(yīng)用輕質(zhì)高強耐高溫的復(fù)合材料是提升航空發(fā)動機減重效率、推重比、燃油經(jīng)濟(jì)性的重要手段，也是航空發(fā)動機葉片未來的發(fā)展趨勢。參考國外復(fù)合材料葉片的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)在航空發(fā)動機復(fù)合材料葉片的研制上需進(jìn)一步提升設(shè)計、材料、制造、試驗技術(shù)水平及工程化能力。

1）健全復(fù)合材料體系。目前國外航空發(fā)動機復(fù)合材料葉片所使用的材料向混雜的方向發(fā)展，從而擁有更強的材料性能，國內(nèi)也需要針對葉片所處的冷端、熱端等不同位置建立復(fù)合材料體系，整合現(xiàn)有制造資源和能力，解決制造規(guī)范不統(tǒng)一，技術(shù)儲備、設(shè)備能力不均衡的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)的集成、共享與優(yōu)化配置，并盡快啟動航空發(fā)動機復(fù)合材料葉片的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂與制定工作。

2）制造工藝自動化、數(shù)字化。國外的先進(jìn)自動化工藝能夠大大減少人為操作導(dǎo)致的偏差，從而提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性。中國航空制造業(yè)要實現(xiàn)彎道超車，勢必要將數(shù)字化技術(shù)融入復(fù)合材料設(shè)計、制造、加工、檢測、服役全過程，從而提升復(fù)合材料制造水平，縮小與先進(jìn)制造技術(shù)的差距。

3）提升技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)能力。以增材制造技術(shù)為代表的一體化高效成型顛覆性技術(shù)，在未來有望能夠推動中國先進(jìn)航空發(fā)動機復(fù)合材料葉片的快速研制，進(jìn)一步縮小中國與歐美先進(jìn)葉片制造的技術(shù)差距。但目前，這些先進(jìn)技術(shù)還存在諸多嚴(yán)重缺陷，需要進(jìn)一步開展預(yù)研與技術(shù)積累。

本文作者：俞銳晨、姜金華、朱曉錦、張合生、高志遠(yuǎn)

作者簡介：俞銳晨，上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，碩士研究生，研究方向為復(fù)合材料葉片的振動主動監(jiān)控技術(shù)；高志遠(yuǎn)（通信作者），上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，副教授，研究方向為智能材料感知與控制技術(shù)。