（中航商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 201108）

大型客機的發(fā)展是新一代商用航空發(fā)動機技術不斷發(fā)展的動力，在性能、涵道比、耗油率、制造與維護成本、噪聲、長壽命等方面都對新一代航空發(fā)動機提出更高要求[1-2]。這也使國際民用航空發(fā)動機市場競爭日趨激烈，航空發(fā)動機領域技術發(fā)展也愈加迅速。世界航空發(fā)動機OEM巨頭GE、R·R、P·W為保持各自市場份額，維持其霸主地位，分別加快推進新一代民用航空發(fā)動機研制步伐。 以 GEnx、PW1000G、Leap-X、Trent1000等為代表的新型大涵道比民用渦扇航空發(fā)動機為應對市場發(fā)展的挑戰(zhàn)，均采用了多項新技術、新材料，以保證其產(chǎn)品的高性能、良好經(jīng)濟性、高可靠性和環(huán)保性，這在客觀上也為未來大涵道比民用渦扇航空發(fā)動機的技術發(fā)展確立了新的標準和發(fā)展方向，也可以說是為民用渦扇航空發(fā)動機設立了新的更高準入門檻。

在不改變目前渦扇航空發(fā)動機結構布局的前提下，新材料的應用和新的結構方案是實現(xiàn)航空發(fā)動機先進性的重要技術手段。樹脂基復合材料以其高比強度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、具有可設計性、材料/設計/制造一體性、低成本等一系列優(yōu)點，已經(jīng)成為航空發(fā)動機設計與制造商所青睞的高性能冷端部件的重要候選材料，并逐漸開始在航空發(fā)動機冷端部件、短艙和反推部件上得到應用。從材料的角度看，樹脂復合材料在航空發(fā)動機上的應用甚至已經(jīng)成為航空發(fā)動機先進性的重要標志[3-6]。

樹脂基復合材料是以樹脂材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強材料，通過復合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新材料。目前廣泛應用的樹脂主要包括環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂，增強纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維，工程上更習慣將碳纖維增強復合材料稱為先進樹脂基復合材料。

要研制具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)先進航空發(fā)動機，并取得市場優(yōu)勢，就必須著眼未來，開展先進航空發(fā)動機用樹脂基復合材料的關鍵技術攻關與工程化應用工作。為此，應當首先了解國外先進航空發(fā)動機樹脂基復合材料應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，結合國內樹脂基復合材料技術現(xiàn)狀，明確國產(chǎn)航空發(fā)動機對樹脂基復合材料的研制需求與差距，在此基礎上制定目標，開展相應的研制工作。

國外先進航空發(fā)動機樹脂基復合材料應用現(xiàn)狀

樹脂基復合材料在航空渦扇發(fā)動機上的應用研究始于20世紀50年代，經(jīng)過60余年的發(fā)展，GE、P·W、R·R以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進行樹脂基復合材料研發(fā)，取得了很大進展，已經(jīng)將其工程化應用到現(xiàn)役航空渦扇發(fā)動機，并且還有進一步擴大應用量的趨勢[5-7]。

樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發(fā)動機的冷端。樹脂基復合材料在國外先進航空發(fā)動機上的主要應用部位如圖1所示。

1 風扇葉片

發(fā)動機風扇葉片是渦扇發(fā)動機最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動機的性能與其發(fā)展密切相關。據(jù)統(tǒng)計，風扇段質量約占發(fā)動機總質量的30%～35%，降低風扇段質量是降低發(fā)動機質量和提高發(fā)動機效率的關鍵手段，采用更大、更輕的風扇葉片已成為發(fā)動機的發(fā)展趨勢。風扇葉片每減重1kg，風扇機匣和傳動系統(tǒng)也相應減少1kg，同時發(fā)動機結構和飛機的機翼/機身結構也分別減重0.5kg，這種由于風扇結構減重帶來的疊代效應對飛機的減重非常重要。與鈦合金風扇葉片相比，樹脂基復合材料風扇葉片具有非常明顯的減重優(yōu)勢，此外，樹脂基復合材料風扇葉片受撞擊后對風扇機匣的沖擊較小，有利于提升風扇機匣包容性。

目前，國外已進行商業(yè)化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為波音777配套的GE90系列發(fā)動機，為波音787配套的GEnx發(fā)動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動機。1995年，裝配樹脂基復合材料風扇葉片的GE90-94B發(fā)動機正式投入商業(yè)運營，標志著樹脂基復合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機上正式實現(xiàn)工程化應用。在綜合考慮空氣動力學、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動機研制了新的復合材料風扇葉片。經(jīng)過11年累計890萬h的飛行，GE90-115B發(fā)動機僅有3片復合材料葉片被更換下來，證明復合材料葉片適用于嚴格的商業(yè)飛行要求。上述發(fā)動機的復合材料風扇葉片均為鋪層結構，即采用碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料作為原材料，經(jīng)放樣、下料、鋪層等工序后模壓而成。在材料和模壓成型工藝不變的情況下，GE公司又對GE90-115B發(fā)動機風扇葉片進行優(yōu)化，葉片數(shù)量由GE90-115B的22片減為18片，進一步降低了發(fā)動機重量。

進入21世紀，航空發(fā)動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術進一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結構復合材料風扇葉片應運而生。SNECMA公司采用3D編織/RTM技術來制造LEAP發(fā)動機的風扇葉片，即首先用碳纖維編織成具有葉片形狀的預制體，然后放入模具中采用RTM成型工藝灌注樹脂，相比采用預浸料/模壓工藝的鋪層復合材料風扇葉片，采用這種工藝成型的復合材料葉片具有非常優(yōu)異的層間性能，其損傷容限與抗外物損傷性能大大提升。

值得注意的是，這兩種結構的樹脂基復合材料風扇葉片均采用鈦合金加強邊對葉片前緣、葉尖、葉根等關鍵部位進行增強。

圖1 樹脂基復合材料在國外先進航空發(fā)動機冷端上的主要應用部位Fig.1 Main application location of polymer matrix composites on foreign advanced aeroengine cold section

2 風扇機匣

風扇機匣是航空發(fā)動機最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發(fā)動機的推重比與效率。因此，國外先進航空發(fā)動機OEM也一直致力于風扇機匣的減重與結構優(yōu)化工作。圖2為國外先進航空發(fā)動機風扇機匣發(fā)展趨勢。

風扇機匣的主要功能是在葉片由于疲勞破壞或鳥撞造成脫落時，能起到防止高能碎片造成災難性后果的作用。最初的風扇機匣多采用不銹鋼或鋁合金，這就導致風扇機匣的重量較大。隨著復合材料技術的發(fā)展，國外OEM率先將芳綸干纖維織物應用于風扇機匣，這種結構的風扇機匣內壁為鋁制的環(huán)形殼體，環(huán)形殼體外纏繞多層用Kevlar材料織成的條帶，最外層用環(huán)氧樹脂包覆，這種結構的風扇機匣又稱為風扇包容環(huán)。對于這種結構的風扇機匣，當風扇葉片碎片撞擊到風扇機匣后，穿透薄壁金屬機匣被芳綸織物層捕獲，而且整體結構不被破壞。但由于采用了多層芳綸纖維織物，導致這種風扇機匣非常厚，盡管重量比金屬機匣有所降低，但對整體設計和裝配有較大影響。

相對于金屬葉片，復合材料葉片在脫落沖擊風扇機匣時會分裂成更小的碎片，有利于機匣的包容。伴隨著樹脂基復合材料風扇葉片在航空發(fā)動機上的應用，全樹脂基復合材料風扇機匣開始在航空發(fā)動機上推廣應用。GEnx發(fā)動機即同時采用了復合材料風扇葉片和全復合材料風扇機匣，使樹脂基復合材料的減重優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。這種風扇包容機匣首先采用二維三軸編織技術制造編織預成型體，當復合材料風扇葉片碎片撞擊到包容機匣后，可以被有效包容，包容效率提高大約30%。

3 風扇帽罩

因為是非主承力構件，風扇帽罩是航空發(fā)動機上最先使用復合材料制造的部件之一，使用復合材料制造的風扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結構、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。目前，復合材料替代合金作為風扇進氣帽罩的材料已經(jīng)成為了一種趨勢。

目前，R·R公司RB211發(fā)動機、P·W公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹脂基復合材料制備風扇帽罩。

4 出口導流葉片

作為靜止部件，出口導流葉片（OGV）已經(jīng)在國外先進航空發(fā)動機冷端部件上得到廣泛應用，PW4084、PW4168發(fā)動機采用PR500環(huán)氧樹脂制造風扇OGV。 PW1000G發(fā)動機采用AS7纖維/VRM37環(huán)氧樹脂RTM成型工藝制備風扇OGV，并已形成成熟的復合材料靜子葉片工藝和技術體系。

5 短艙

相比航空發(fā)動機主機，樹脂基復合材料在航空發(fā)動機短艙具有更廣闊的應用空間，如圖3所示。資料顯示，國外廠商已經(jīng)在短艙進氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復合材料。

6 其他部位

根據(jù)資料，在航空發(fā)動機風扇流道板、軸承封嚴蓋、蓋板等部位也在不同程度應用樹脂基復合材料。

國內先進航空發(fā)動機樹脂基復合材料應用現(xiàn)狀

我國的航空用樹脂基復合材料應用起步于20世紀70年代，并取得了一系列成果，但當時的應用對象主要是軍用飛機。

20世紀70年代初，與國外的發(fā)展過程類似，國內航空工業(yè)以“等代設計”作為起點，選用以剛度設計為主的飛機部件如垂尾和前機身為設計研制對象，開始了樹脂基復合材料結構的研究。從1985年起開始轉入以帶整體油箱機翼蒙皮為代表的主承力結構設計。

從20世紀90年代，復合材料開始逐步過渡為“新機設計”，研制對象由以剛度設計為主的垂尾級飛機部件變?yōu)橐詮姸仍O計為主的主承力部件，由軍機部件發(fā)展到需考慮與國際接軌、要進行適航審定的民機部件，由飛機結構部件推廣應用到以外涵道為代表的發(fā)動機冷端結構部件。

材料體系方面，在軍機上普遍采用T300級別碳纖維/雙馬樹脂，在發(fā)動機冷端部件上已有自行研制的T300級別碳纖維/聚酰亞胺材料體系。

設計理念方面，開始充分考慮飛機結構完整性要求，從設計開始即按靜強度、剛度、耐久性和損傷容限要求，對研制的復合材料部件進行設計、分析和驗證。

進入21世紀，復合材料已經(jīng)在國內在研和改型軍用和民用飛機結構中得到較為廣泛的應用，應用部件已不再限于次承力部件，新一代韌性樹脂復合材料體系也已經(jīng)開始用于結構部件。國內材料供應商已成功研制出與國外T300相當?shù)膰a(chǎn)碳纖維，并通過鑒定。與此同時，整體成型高效低成本的復合材料工藝和相應的設計技術已進入設計應用階段。

圖3 樹脂基復合材料在短艙的主要應用部位Fig.3 Main application location of polymer matrix composites on nacelle

但是，與國外先進航空發(fā)動機OEM相比，樹脂基復合材料在國產(chǎn)航空發(fā)動機上的應用還尚顯滯后，目前完成試制并通過試車考核的僅有某型號航空發(fā)動機復合材料外涵道。

借助于復合材料外涵道的研制，國內航空院所完成了材料鑒定、不同鋪層力學性能測試與分析、外涵道結構設計許用值、固化成型工藝、模具設計、外涵道連接裝備、無損檢測等一系列關鍵技術攻關，達到了最初設計要求，為復合材料在國產(chǎn)航空發(fā)動機上的應用打下了堅實的基礎，積累了寶貴的經(jīng)驗。

總之，經(jīng)過近40年的不斷探索與發(fā)展，我國已經(jīng)基本具備了航空用復合材料部件的設計制造能力，已經(jīng)有能力開始航空發(fā)動機樹脂基復合材料的研制工作。

國內航空發(fā)動機復材部件研制問題分析

通過國外先進航空發(fā)動機OEM復合材料應用部件的發(fā)展可以看出，復合材料在民用大涵道比航空發(fā)動機上的應用迅速增加，標志著低成本、高可靠性復合材料技術在航空發(fā)動機領域已經(jīng)得到了工程化應用。

客觀地講，雖然國內航空發(fā)動機也開始不同程度地嘗試應用復合材料，但與國外的差距已非常明顯。其中，成本（研制成本、制造成本和全壽命成本）、時間（研制周期）、技術（包括原材料、制造工藝與設備、設計手段、分析方法和驗證技術及設計人員）和適航相關經(jīng)驗是制約國內復合材料技術的關鍵技術問題。

具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）航空發(fā)動機高性能復合材料纖維/樹脂體系及其工藝適用性研究不夠，起基礎支撐作用的高性能航空發(fā)動機復合材料纖維/樹脂體系研究投入不足。高性能復合材料材料許用值、結構設計值的合理確定，相關許用值數(shù)據(jù)庫的建設滯后。

（2）長壽命、高可靠性、低成本復合材料航空發(fā)動機部件低成本制造工藝技術落后，復合材料低成本制造難以實現(xiàn)。這主要體現(xiàn)在以自動鋪放為核心的大型復雜曲面形狀復合材料部件自動下料、自動鋪帶、自動鋪絲技術，復合材料RTM成型工藝研究，復合材料預成型體三維編織工藝、模壓成型復合材料結構分層問題與層間增韌技術尚不能滿足工程化應用需求。

（3）面向工程化應用的復合材料部件固化成型工藝優(yōu)化與固化變形控制技術不能全面支撐工程化應用，導致質量不穩(wěn)定，一致性差。

（4）基于數(shù)字化、虛擬仿真設計的復合材料設計制造一體化技術研究落后，缺乏以DFM（設計制造一體化）技術為核心的一體化設計平臺。

（5）面向工程化應用的復合材料部件高/低速沖擊模擬技術，考慮復合材料各向異性與應變速率變化的抗鳥撞/冰雹（高速大能量沖擊）數(shù)值模擬技術（本構方程） 研究滯后。

（6）航空發(fā)動機復合材料表面技術研究滯后，尚未開展針對復合材料用表面防護材料開展系統(tǒng)性研究。

思考與建議

雖然我國的樹脂基復合材料研究具備了一定的技術水平和規(guī)模，已經(jīng)基本建立起樹脂基復合材料基礎研究體系。在工程化研究方面，各航空院所、高校也積累了大量的設計、制造經(jīng)驗。但客觀地講，現(xiàn)在的技術水平，特別是航空發(fā)動機用樹脂基復合材料水平與國外同行還有一定的差距，主要體現(xiàn)在設計水平、制造工藝、研制成本、設計體系/標準/數(shù)據(jù)庫建設、適航貫徹等幾個方面。

西方國家出于經(jīng)濟利益、軍事利益的考慮，憑借其掌握先進技術的產(chǎn)品優(yōu)勢，長期壟斷國際市場，從高性能原材料、關鍵設備等方面對我國進行封鎖，在技術合作與產(chǎn)品輸出方面也設置重重障礙，限制我國航空發(fā)動機復合材料技術的發(fā)展與應用。

因此，要使具有我國自主知識產(chǎn)權的商用航空發(fā)動機研制成功，并在激烈的市場競爭中占有一席之地，必須緊跟先進技術發(fā)展趨勢，開展航空發(fā)動機用樹脂基復合材料工程化應用研制工作，不能寄希望于國外核心技術轉讓與關鍵設備輸出。建議開展以下幾個方面的工作。

1 注重國產(chǎn)原材料的研發(fā)與質量管控

碳纖維與樹脂是先進樹脂基復合材料研發(fā)的基礎，其中T800級碳纖維性能、碳纖維與樹脂性能匹配性/界面性能、樹脂增韌性能以及批次穩(wěn)定性等問題尤為重要。碳纖維與樹脂的匹配性直接影響復合材料性能以及成型工藝適應性，原材料批次穩(wěn)定性直接影響復合材料零部件結構設計、許用值確定等關鍵問題。因此，在持續(xù)加大研發(fā)投入，全面提升國產(chǎn)原材料性能的同時，還應著力提升國產(chǎn)材料的批次穩(wěn)定性，通過培養(yǎng)一批經(jīng)過認證的復合材料檢測實驗室，采用統(tǒng)一的ASTM標準體系對國產(chǎn)原材料進行檢測認證。同時，還應借鑒國外OEM的經(jīng)驗，將原材料納入NADCAP特種工藝管控范圍，根據(jù)國內航空航天用戶的需求，建立起相應的NADCAP特種工藝管控體系，對上游原材料廠商進行質量管控，提升原材料質量穩(wěn)定性與可追溯性，逐步提升國產(chǎn)原材料的批次穩(wěn)定性。

2 加大先進、低成本成型技術的研發(fā)力度

低成本復合材料成型技術是復合材料工程化應用的核心問題，提高先進復合材料的性價比，增加其經(jīng)濟效益，除了在原材料等方面進行研究改進外，更重要的是降低復合材料制造成本。例如，引入自動鋪帶或自動鋪絲技術，可以有效提升鋪層結構復合材料風扇葉片的制造精度與效率；利用3D編織機，采用RTM或VARI技術制備編織結構復合材料風扇葉片，可以有效提升復合材料風扇葉片的性能。但目前國內的復合材料低成本制備技術與裝備水平與國外還有較大差距，特別是自動鋪帶與自動鋪絲技術與裝備受限于歐美國家禁運，還不能滿足國產(chǎn)航空發(fā)動機重要復合材料零部件的研制。因此，需要借鑒歐洲、美國經(jīng)驗，進一步加大低成本成型技術的研發(fā)力度。

3 著力建設滿足適航要求的復合材料設計、檢測體系與數(shù)據(jù)庫

國內復合材料設計方法、手段、理念相對落后，與設計相關的手冊、指南、規(guī)范、指導書等軟件建設薄弱。目前的工具、流程/指導書幾乎不能支撐航空發(fā)動機復合材料部件工程化研制工作。另一方面，國產(chǎn)商用航空發(fā)動機要參與國際競爭，在研發(fā)階段就必須考慮國際適航要求，與國際接軌。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先應建立起基于AMS、ASTM以及OEM企標的材料、工藝、檢測、驗收標準體系，同時建立起相應的NADCAP特種工藝與檢測實驗室審核體系，實施復合材料特種工藝實驗室管控，將人為因素、標準不統(tǒng)一等因素造成的復合材料零部件分散性降至最低，提升復合材料零部件質量穩(wěn)定性。

針對復合材料設計/制造/評價一體化的特點，以航空發(fā)動機零部件工程化應用為需求，開展鋪層/編織結構復合材料零部件外形、鋪層結構、編織預制體結構、成型工藝、無損檢測等關鍵技術攻關，消化吸收適航條款，建立起更加精確的有限元分析模型，逐步完善工程化研制必須的設計工具、方法、流程。針對航空發(fā)動機關鍵復合材料零部件，還應建立若干SP（Special Condition）條款，以滿足適航條款要求。

在此基礎上，應當將積累起的復合材料設計、制造、檢測驗收文件標準化、規(guī)范化，匯總形成具有國內自主知識產(chǎn)權的設計、制造、鑒定指南，作為行業(yè)性的技術標準，以實現(xiàn)知識共享，降低后續(xù)研制風險與研制成本。

除此之外，還應在研制過程中注重材料數(shù)據(jù)積累，復合材料的制備成本高、周期長、材料性能性能測試難度大、分散度高，導致復合材料的測試費用非常昂貴，復合材料在設計/制備/評價和使用過程中獲得的每一個材料性能數(shù)據(jù)都彌足珍貴。因此，必須建立長期的開放式復合材料性能數(shù)據(jù)庫，同時還應參考MiLHDBK-17復合材料手冊，統(tǒng)一測試標準，以保證數(shù)據(jù)庫內測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性與可比性。

4 注重基礎預研與成果轉化

基礎預研是復合材料工程化應用研制的“試驗田”，歐美等國家十分注重樹脂基復合材料基礎預研工作，以工程化應用需求為牽引，有計劃地組織開展先進樹脂基復合材料基礎研究，將高風險的先進材料體系、設計理念、低成本成型技術、檢測技術逐步轉化為成熟可靠的技術，并將其轉移到航空發(fā)動機研制中。這些有針對性的樹脂基復合材料基礎研究計劃的實施，解決了諸多復合材料在航空發(fā)動機應用中的關鍵問題，使歐美國家的航空發(fā)動機技術一直占據(jù)領先地位。因此，也應當針對國產(chǎn)商用航空發(fā)動機樹脂基復合材料研制需求，從碳纖維/樹脂原材料、低成本制造技術、發(fā)動機復合材料部件設計、先進檢測技術、材料工藝標準建設、材料數(shù)據(jù)庫等幾方面開展相關的基礎預研工作，突破急需的低成本液態(tài)成型、自動鋪帶/鋪絲等關鍵技術，形成強有力的技術支撐。解決科研與工程化應用脫節(jié)問題，推動先進樹脂基復合材料在國產(chǎn)航空發(fā)動機上的應用。

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