張媛媛 陳璐璐 蘇震宇 梁永收

摘 要 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片是商用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的重要轉(zhuǎn)動部件，其重量和性能將直接影響發(fā)動機(jī)的推重比和性能。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受載工況惡劣、制造質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，為了提升國產(chǎn)商用航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型質(zhì)量，針對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型工藝關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題，從葉片模具設(shè)計(jì)與材料選用、大厚度榫頭鋪層設(shè)計(jì)與鋪疊方法、固化工藝精細(xì)化控制及全型面擬合自適應(yīng)加工等方面研究了制造工藝對葉片質(zhì)量的影響，對比分析了不同工藝方法下葉片葉型尺寸、內(nèi)部纖維取向、制造缺陷、隨爐件力學(xué)性能水平的差異。結(jié)果表明，選用Invar鋼作為模具材料，改善榫頭鋪層插入層的設(shè)置位置、數(shù)量和鋪層順序，精細(xì)化控制固化溫度、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)，全型面擬合自適應(yīng)加工等方法有效提高了葉片成型質(zhì)量和尺寸符合性。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料;風(fēng)扇葉片;制造技術(shù);鋪層;關(guān)鍵工藝

Research on Composite Fan Blade Manufacturing Technology

ZHANG Yuanyuan1， CHEN Lulu1， SU Zhenyu 2， LIANG Yongshou3

（1.AECC Commercial Aircraft Engine Co.， Ltd.， Shanghai 200241; 2.AVIC Composites

Co.， Ltd， Beijing 101300；3.Key Laboratory of High Performance Manufacturing

for Aero Engine （Northwestern Polytechnical University）， Ministry

of Industry and Information Technology， Xian 710072）

ABSTRACT Composite fan blade is an important rotating part of commercial high bypass ratio turbofan engines. The weight and performance of fan blade will directly affect the thrust-to-weight ratio and performance of the engine. The composite fan blade has the characteristics of complex structure， strict load conditions and high manufacturing quality requirements. In order to improve the molding quality of composite fan blade for domestic commercial aero-engine， the influence of manufacturing process on blade quality was studied from the aspects of mold design and material selection， design and laying method of large thickness dovetail layer， fine control of curing process and adaptive processing of full surface fitting. The differences of blade dimensions， internal fiber orientation， manufacturing defects and mechanical properties of furnace parts under different processing methods were compared and analyzed. The results show that using Invar steel as the mold material， improving the placement， quantity and sequence of mortise layers， fine controlling of curing temperature， pressure and other key process parameters， and the full-surface fitting and adaptive machining can effectively improve the forming quality and dimension conformity of blades.

KEYWORDS composite; fan blade; manufacturing technology; laminate; key process

1 引言

現(xiàn)代渦扇航空發(fā)動機(jī)正朝著大涵道比、大推力、低油耗、低噪聲、高安全性、高可靠性等方向不斷發(fā)展。為了增大發(fā)動機(jī)涵道比，就需要采用更大尺寸的風(fēng)扇葉片，這使得發(fā)動機(jī)風(fēng)扇段的重量占發(fā)動機(jī)總重量的比重不斷提升。傳統(tǒng)鈦合金實(shí)心風(fēng)扇葉片已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高性能大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能需求。因此，降低風(fēng)扇葉片重量就成為發(fā)動機(jī)向高性能發(fā)展所必須解決的關(guān)鍵難題之一。

國外方面自JT9D發(fā)動機(jī)起，渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片經(jīng)歷了從實(shí)心金屬葉片到空心金屬葉片再到復(fù)合材料葉片的發(fā)展歷程，風(fēng)扇葉片的重量逐步降低。以等效空心率（實(shí)際葉片重量/相同尺寸的實(shí)心鈦合金葉片重量）作為減重衡量標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的等效空心率達(dá)到60%（英國羅爾斯·羅伊斯公司研制的鈦合金空心葉片等效空心率約為40%），減重效果明顯［1-4］。20世紀(jì)90年代，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片首次在商用發(fā)動機(jī)GE90上應(yīng)用。在此后的三十年間，隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的突破，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片已完成了四次技術(shù)更迭。目前應(yīng)用于GE9X發(fā)動機(jī)上的第4代復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，單臺葉片數(shù)量已由22片減少至16片，其三維復(fù)合彎掠葉型，也進(jìn)一步降低了風(fēng)扇葉尖轉(zhuǎn)速，改善了氣動特性，使風(fēng)扇效率不斷提高。國內(nèi)此方面起步較晚，在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制需求的牽引下，相關(guān)科研院所圍繞復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)、材料體系、制備工藝技術(shù)和考核驗(yàn)證等方面開展了一些卓有成效的探索性研究工作。劉強(qiáng)等［5］研究了機(jī)織復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體扭轉(zhuǎn)定位控制技術(shù)及RTM成型技術(shù)；朱啟晨等［6］開展了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層設(shè)計(jì)研究，分析了鋪層角度、順序及鋪層結(jié)構(gòu)的影響；劉洋等［7］研究了金屬加強(qiáng)邊結(jié)構(gòu)形式對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片抗鳥撞能力的影響。

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的成型制造工藝，主要涵蓋“模具設(shè)計(jì)-鋪層設(shè)計(jì)-料片鋪疊-固化成型-機(jī)械加工”等工序。本文針對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型工藝關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題，從葉片模具設(shè)計(jì)與材料選用、大厚度榫頭鋪層設(shè)計(jì)與鋪疊方法、固化工藝精細(xì)化控制及全型面擬合自適應(yīng)加工等方面分別研究了各環(huán)節(jié)制造工藝對零件質(zhì)量的影響，提出了改進(jìn)零件質(zhì)量的措施，為未來復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型技術(shù)的深入研究提供參考。

2 成型模具選材影響研究

窄體客機(jī)航空發(fā)動機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片葉高約800mm，弦長最寬處約400mm，加之大扭轉(zhuǎn)雙曲率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其成型精度要求極高。為了保證葉片表面復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性，葉身型面不能進(jìn)行機(jī)加工，必須依靠模具實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型，因此模具設(shè)計(jì)及模具材料的選用至關(guān)重要。

現(xiàn)有研究表明［8-11］，模具的材料、結(jié)構(gòu)形式和表面狀態(tài)等均會通過影響成型過程中零件與模具的相互作用，影響零件的固化變形和成型精度。其中，最主要的影響是模具材料和零件材料熱膨脹系數(shù)的差異。在固化反應(yīng)的升溫和保溫階段，模具受熱迅速膨脹，復(fù)合材料中的高分子聚合物由粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，分子鏈相互交聯(lián)，固化度逐漸提高；降溫階段，模具迅速回彈，固化后的零件進(jìn)入玻璃態(tài)，零件與模具的變形量差異逐漸增大，固化壓力釋放后，由于變形量的差異，導(dǎo)致模具對零件的約束能力降低，零件內(nèi)部分子鏈交聯(lián)過程中積聚的殘余應(yīng)力將釋放并引起零件變形?；谏鲜鲈?，工程中常選用與零件熱膨脹系數(shù)相近的模具材料，減小零件與模具之間的變形量差異。目前，本研究嘗試選用Invar鋼作為模具選材，與傳統(tǒng)鋁、鋼等金屬材料不同，該材料的熱膨脹系數(shù)非常低，可有利于解決固化變形問題。

采用普通鋼模具和Invar鋼模具分別開展復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型與尺寸測量分析，兩種模具對葉片成型質(zhì)量的影響效果如圖1所示，圖1（a）為采用普通鋼的葉片型面測量結(jié)果，葉片最大變形量超過1mm；圖1（b）為采用Invar鋼的葉片型面測量結(jié)果。對比可見，采用Invar鋼模具成型的葉片，尺寸符合性改進(jìn)效果良好，葉盆最大偏差量減少了0.7mm，葉背最大偏差量減少了0.4mm。因此，對于大尺寸、三維葉形復(fù)雜的風(fēng)扇葉片，普通鋼模具將帶來較為嚴(yán)重的固化變形問題，而通過選用低膨脹系數(shù)材料的成型模具，可以顯著提升葉片型面制造精度。但I(xiàn)nvar鋼材料成本昂貴，目前僅開展了初步研究探索。關(guān)于模具的精細(xì)化改進(jìn)和優(yōu)化，應(yīng)進(jìn)一步考慮模具補(bǔ)償設(shè)計(jì)，并在零件設(shè)計(jì)構(gòu)型固化及制造成熟度較高的階段進(jìn)行應(yīng)用。

3 插入層設(shè)計(jì)優(yōu)化及鋪疊方法研究

除大扭轉(zhuǎn)葉身型面精度控制問題外，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造中的另一個關(guān)鍵難點(diǎn)是榫頭區(qū)域的成型。與傳統(tǒng)航空航天復(fù)合材料零件多為薄壁件、鋪層形式簡單、層數(shù)較少不同，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的榫頭區(qū)域是典型的變厚度結(jié)構(gòu)，最厚處達(dá)到50mm以上，鋪層數(shù)量多達(dá)數(shù)百層，在成型過程中極易產(chǎn)生纖維屈曲、褶皺和局部尺寸超差等問題。同時(shí)，由于熱壓罐工藝的模具面只能保證單側(cè)葉片型面，另外一側(cè)葉片型面僅靠真空袋加壓自然形成，大厚度的榫頭區(qū)域?qū)︿伅B方法和成型過程的工藝控制水平提出了很高的要求。未開展榫頭區(qū)域鋪層優(yōu)化前，榫頭區(qū)域成型質(zhì)量如圖2（a）所示，存在明顯的纖維褶皺和屈曲，纖維取向與理論位置最大偏差量達(dá)到了3.5mm。這是由于纖維模量較高，預(yù)浸料鋪覆過程中的變形能力有限，當(dāng)料片分切和鋪覆軌跡不合理時(shí)，預(yù)浸料的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致纖維偏離設(shè)計(jì)軌跡方向，進(jìn)而造成纖維的屈曲和褶皺。因此，需要建立面向大厚度榫頭成型工藝需求的榫頭區(qū)域鋪層設(shè)計(jì)方法并通過優(yōu)化的鋪疊工藝實(shí)現(xiàn)榫頭區(qū)域的高質(zhì)量制造。

榫頭區(qū)域鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要措施，是將該區(qū)域的鋪層分為完整的結(jié)構(gòu)層和成組的插入層，在遵循遞減鋪層設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上［12-15］，優(yōu)化插入鋪層組的設(shè)置位置、數(shù)量和鋪層順序，改變插入層坡度，進(jìn)而改善相鄰結(jié)構(gòu)層內(nèi)纖維的偏折量，提高榫頭區(qū)域鋪層的平衡性，降低丟層區(qū)域樹脂累積對葉片性能的影響?；诓迦雽觾?yōu)化的榫頭區(qū)域鋪層設(shè)計(jì)方法，開展預(yù)浸料切片與鋪覆仿真分析，通過改進(jìn)下料程序和投影程序算法，解決預(yù)浸料在榫頭局部位置變形導(dǎo)致的纖維屈曲問題；通過優(yōu)化手工鋪疊操作方法，使料片精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)鋪疊角度與理論值偏差不超過2°；通過采用真空壓實(shí)和熱壓實(shí)相結(jié)合的方法，去除夾入在預(yù)浸料層間的空氣，實(shí)現(xiàn)對于榫頭尺寸精度和成型內(nèi)部質(zhì)量的有效控制。插入層設(shè)計(jì)及鋪疊方法優(yōu)化后的榫頭區(qū)域成型質(zhì)量如圖2（b）所示，通過采用面向工藝需求的插入層設(shè)計(jì)優(yōu)化及鋪疊方法，對鋪層定位、加壓方式、鋪疊方法等方面的工藝改進(jìn)，有效地改善了前期工藝試驗(yàn)件存在的纖維褶皺和屈曲現(xiàn)象。工藝優(yōu)化后榫頭典型位置的超聲C-掃描圖像和金相圖像如圖3所示。超聲C-掃描圖像表現(xiàn)較均勻，無明顯異常信號；金相圖像顯示無明顯異分層、夾雜、孔隙等缺陷，風(fēng)扇葉片榫頭區(qū)域內(nèi)部成型質(zhì)量較好。

4 固化工藝關(guān)鍵參數(shù)及穩(wěn)定性研究

固化過程是影響復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型質(zhì)量、殘余應(yīng)力和尺寸精度的重要環(huán)節(jié)，涉及的主要參數(shù)包括升降溫速率、保溫平臺數(shù)量、保溫溫度、保溫時(shí)間、固化壓力等。對于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片而言，由于零件尺寸效應(yīng)、設(shè)備系統(tǒng)精度的偏差以及參數(shù)之間的耦合效應(yīng)，工程中關(guān)鍵工藝參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)控制，因此本研究中選擇采用確定參數(shù)公差的合理范圍并有效實(shí)施監(jiān)控測量的方法，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控。

在復(fù)合材料風(fēng)扇葉片固化工藝研究過程中，通過對材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如預(yù)浸料的動態(tài)反應(yīng)動力學(xué)測試、升溫粘度、保溫粘度等開展測試，初步確定材料的成型工藝參數(shù)；通過多批次材料級性能試驗(yàn)獲得成型溫度、壓力、時(shí)間、工藝方法對于復(fù)合材料性能的影響；通過監(jiān)控多個材料批和工藝批隨爐件性能變化和成型關(guān)鍵工藝參數(shù)的波動情況，評價(jià)成型工藝穩(wěn)定化水平，最終形成復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造過程控制標(biāo)準(zhǔn)。

本研究對風(fēng)扇葉片連續(xù)18個工藝批次復(fù)合材料隨爐件層間剪切性能進(jìn)行了測試，按公式（1）和公式（2）計(jì)算得到上控制線（UCL）和下控制線（LCL）。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示，在標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格控制下，原材料穩(wěn)定性和熱壓罐成型工藝一致性較好。后9個工藝批次層間剪切性能的標(biāo)準(zhǔn)差由前9個工藝批次的2.20減小至1.09，固化工藝控制能力持續(xù)提升。

UCL=μ+3σ/n（1）

LCL=μ-3σ/n（2）

式中：μ為樣本平均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，n為樣本數(shù)量。

5 葉片自適應(yīng)加工技術(shù)研究

通過上述介紹的葉片模具優(yōu)化、鋪層優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化等工作，葉片的制造精度取得了有效的提升。在此基礎(chǔ)上，仍然存在一定程度的尺寸偏差，嘗試在加工過程中進(jìn)一步消減。葉片葉身型面為凈尺寸成型，其厚度方向的加工，集中在榫頭區(qū)域預(yù)設(shè)的機(jī)加層，較為傳統(tǒng)的方案是以成型基準(zhǔn)作為加工基準(zhǔn)，葉身固化變形帶來的葉身與榫頭位置度偏差無法降低。

為了進(jìn)一步提高葉片加工的位置度和扭轉(zhuǎn)度，探索開展復(fù)合材料葉片自適應(yīng)加工技術(shù)研究。通過測量手段準(zhǔn)確獲得每個葉片的實(shí)際幾何形狀，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工工藝模型重構(gòu)和加工程序編制，通過曲面配準(zhǔn)方法將葉片的葉身曲面實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移，使其與理論模型在最優(yōu)化匹配的情況下建立空間位置關(guān)系，并依據(jù)實(shí)際葉身曲面加工葉片的榫頭。這種通過曲面配準(zhǔn)方式加工的榫頭并不位于榫頭毛坯的中心，而是通過將理論榫頭在其毛坯里偏移、旋轉(zhuǎn)，以借用毛坯各部分余量的方式，進(jìn)一步提高待加工榫頭與葉身之間的位置度。

采用按葉片成型基準(zhǔn)加工與按自適應(yīng)加工的尺寸偏差對比，如圖5所示。取葉片的葉尖、葉中、葉根三個典型截面，通過自適應(yīng)技術(shù)加工的葉片與理論模型的最大偏移量分別為0.08mm、0.18mm和0.37mm；按傳統(tǒng)的成型基準(zhǔn)方案加工的葉片與理論模型的最大偏移量分別為2.23mm、1.19mm和0.61mm。由此可見，葉片的自適應(yīng)加工技術(shù)可以進(jìn)一步有效提高葉片加工的位置度和扭轉(zhuǎn)度。

6 結(jié)語

航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片成型技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)包括模具設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)與鋪疊方法、固化工藝及加工工藝，本文通過對上述問題開展探索性研究，結(jié)論如下：

（1）選用低熱膨脹系數(shù)的Invar鋼材料作為成型模具，有效改善了風(fēng)扇葉片固化變形問題；

（2）通過改善大厚度榫頭鋪層插入層的設(shè)置位置、數(shù)量和鋪層順序，結(jié)合真空壓實(shí)與熱壓實(shí)等工藝方法，將鋪疊角度誤差控制在2°以內(nèi)，有效提升了榫頭成型質(zhì)量；

（3）通過精細(xì)化控制固化溫度、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)，隨爐件性能標(biāo)準(zhǔn)差由2.20降至1.09，有效提升了復(fù)合材料性能穩(wěn)定性；

（4）采用自適應(yīng)加工技術(shù)進(jìn)一步提高了葉片的最終尺寸符合性。

目前，受制于研究限制，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片尚在攻關(guān)階段，未來還將進(jìn)一步扎實(shí)優(yōu)化每個工藝過程，如可在原材料開發(fā)、工裝反變形設(shè)計(jì)、過程控制能力等核心技術(shù)方面開展進(jìn)一步研究，以建立滿足國產(chǎn)大客發(fā)動機(jī)需求的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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