摘 要 大涵道比渦扇發(fā)動機為不斷減重，大量使用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。本文綜述了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的發(fā)展與應(yīng)用情況，總結(jié)了葉片各制造工藝的特點，包括預(yù)浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝、預(yù)浸料自動鋪絲/熱壓罐固化成型工藝、三維機織碳纖維增強樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造工藝正朝著自動化、高精度的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；風(fēng)扇葉片；成型工藝

Application Progress of Composite Fan Blades for Aero－engine

ZHANG Junyou，BU Mingfan，ZHI Shaoqiang

（AECC Aircraft Engine Cooperation of Shenyang， Shenyang 110015）

ABSTRACT In order to reduce the weight， the composite fan blades have been widely used in large culmination ratio commercial turbofan engines. The development and application of composite fan blade are introduced， and the material application， mold design and main manufacturing process of blade are summarized， including prepreg hand lay-up/autoclave process， automatic fiber placement process/autoclave process， 3D-woven carbon fiber reinforced resin transfer molding （RTM）. The manufacturing process of composite fan blades are developing towards automation and high precision.

KEYWORDS composite materials; aero-engine fan blades; autoclave process

1 引言

大型噴氣飛機（如運輸機、商用客機）采用大涵道比渦扇發(fā)動機，提高涵道比可提升發(fā)動機推力、降低噪聲與耗油率，故近年來發(fā)動機的涵道比逐步增大。更大的涵道比，需要更大尺寸的風(fēng)扇，這使風(fēng)扇部件的重量更大。風(fēng)扇葉片減重對于發(fā)動機減重具有重要意義，可提高發(fā)動機效率，已成為發(fā)展共識［1］。

出于減重考慮，大涵道高推重比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片的發(fā)展經(jīng)歷了從鈦合金葉片到鈦合金空心葉片再到復(fù)合材料葉片三個階段。與鈦合金葉片相比，復(fù)合材料葉片具有數(shù)量少、重量輕、耗油率低、低噪音、抗顫振性能好等優(yōu)勢［1，3］，在各大航空飛機上應(yīng)用越來越廣泛。

2 發(fā)展歷程

2.1 首次嘗試

20世紀(jì)60年代末，英國發(fā)動機制造商羅-羅公司的發(fā)動機動力設(shè)計人員首先認(rèn)識到，隨著大涵道比渦扇發(fā)動機的不斷發(fā)展與進(jìn)步，采用質(zhì)量更輕的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片對于發(fā)動機減重以提升發(fā)動機效率具有巨大的潛在優(yōu)勢。同時，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片也更耐用，尤其是與金屬鈦合金葉片相比，具有更強的抗疲勞能力與抗蠕變能力，并且可以模制成更接近理想的三維空氣動力學(xué)形狀。羅-羅公司決定為RB211發(fā)動機的研制啟動一項復(fù)合材料風(fēng)扇葉片開發(fā)計劃，其中一個主要原因是先進(jìn)碳纖維材料生產(chǎn)能力的不斷增強。早期在一個小尺寸玻璃纖維/環(huán)氧樹脂壓氣機葉片上形成的探索經(jīng)驗，為碳纖維復(fù)合材料研制奠定了較好的技術(shù)基礎(chǔ)，碳纖維所具有的額外的比剛度增強能力同樣能夠滿足氣動力學(xué)環(huán)境要求。事實上，發(fā)展具有良好振動特性的大尺寸復(fù)合材料風(fēng)扇葉片可以消除或取消葉片中部凸肩的設(shè)計，這種凸肩結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在鈦合金風(fēng)扇葉片上。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片取得了顯著地進(jìn)步，降低了噪音，提升了風(fēng)扇部件的氣動效率，減少了發(fā)動機的燃油消耗。

1970年5月，羅-羅公司的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在通過了所有其他測試后，未能通過發(fā)動機吞鳥試驗，不能滿足設(shè)計要求。經(jīng)分析，吞鳥試驗失敗的主要原因有：（1）葉片缺乏延展性；（2）葉片層間剪切性能較差；（3）非常低的失效應(yīng)變。吞鳥試驗的失敗，使設(shè)計人員認(rèn)識到：在葉片前緣增加金屬包邊，對提升葉片抗沖蝕能力與抗外物（如冰等較硬的物質(zhì)）打傷有效，但對提升葉片抗軟體沖擊（吞鳥）性能的效果不佳。

2.2 首次應(yīng)用

雖然復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的首次研制未能取得成功，但這并未能阻止其技術(shù)的不斷發(fā)展。渦扇發(fā)動機的持續(xù)革新，使其涵道比顯著增加，未來可能出現(xiàn)更大涵道比的先進(jìn)發(fā)動機。因此，應(yīng)用大尺寸復(fù)合材料風(fēng)扇葉片所帶來的潛在收益變得更加有吸引力。又經(jīng)過20多年的發(fā)展，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造技術(shù)更加成熟，制造成本進(jìn)一步降低；加之超級計算機技術(shù)的突破，一系列復(fù)雜的設(shè)計、仿真、分析方法被應(yīng)用于復(fù)合材料葉片的設(shè)計中，加速了其工程應(yīng)用進(jìn)程。美國發(fā)動機制造商GE是第一家成功推出具有這種復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的商用噴氣發(fā)動機的公司。其最初的GE90發(fā)動機于1995年首次在英國航空公司波音B777遠(yuǎn)程寬體雙通道客機上投入使用［1］，這標(biāo)志著復(fù)合材料風(fēng)扇葉片技術(shù)的正式落地，為后續(xù)復(fù)合材料在發(fā)動機上的大量使用奠定了堅實基礎(chǔ)。

GE90發(fā)動機所采用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片共有22片寬弦葉片（無凸肩），風(fēng)扇直徑為3124 mm，采用預(yù)浸帶鋪層熱壓成型工藝。預(yù)浸帶由高強中模 T800級碳纖維與高溫固化增韌環(huán)氧樹脂制成，葉片根部由1000層預(yù)浸帶，從葉根到葉尖逐漸減薄。為提升葉片的抗鳥撞能力，在葉片前緣上設(shè)置有鈦合金包邊。GE90發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片減重效果顯著，風(fēng)扇部件總重僅為349 kg。GE90發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的設(shè)計、材料、制造在經(jīng)過10余年的應(yīng)用檢驗之后，證明是安全可靠的［1］。

在GE90基礎(chǔ)上，GE公司又進(jìn)一步研制出了GEnx發(fā)動機。GEnx發(fā)動機所采用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片共有18片，風(fēng)扇直徑為2667 mm，是預(yù)浸料成型第三代掠形大流量寬弦復(fù)合材料風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片。由于GEnx發(fā)動機風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料，可以減少帽罩的聯(lián)動裝置，提高吸入氣流的效率；葉根燕尾狀、可活動的連接處帶有Teflon耐磨層，其摩擦系數(shù)低，不需要潤滑劑，正常的維護(hù)僅需要目視檢查。

2.3 不斷發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，法國Snecma公司成功推出了帶有復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的中小推力發(fā)動機Leap-X。Leap-X發(fā)動機所采用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片共有18片，風(fēng)扇直徑為1800 mm，其采用了與GE90風(fēng)扇葉片不同的制造工藝：先應(yīng)用三維機織技術(shù)編織出葉片框架，再經(jīng)RTM成型技術(shù)制造而成。為提升葉片的強度與抗鳥撞能力，葉片邊緣采用鈦合金包邊的設(shè)計。Leap-X發(fā)動機復(fù)合材料風(fēng)扇葉片總重76 kg，減重效果顯著，于2011年1季度成功通過了5000循環(huán)的耐久性試驗［1，4］。

英國羅-羅公司雖然是首次進(jìn)行復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制的公司，但由于其葉片未能通過發(fā)動機吞鳥試驗，而轉(zhuǎn)向鈦合金空心葉片的研制，導(dǎo)致其在復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制上的領(lǐng)先優(yōu)勢被后面的GE公司等超越。進(jìn)入新世紀(jì)，羅-羅公司重新加大了對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研制的投入，并于近幾年推出了全新研制的超大涵道比發(fā)動機UltraFan。UltraFan發(fā)動機所采用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片共有18片，風(fēng)扇直徑為3556 mm，是當(dāng)今世界上最大的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。其采用了成熟的成型工藝：首先，將500層碳纖維增強高韌環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制成葉片預(yù)制體；其次，將預(yù)制體在熱壓罐中加溫加壓固化成型；最后，對葉片精密加工，并進(jìn)行表面涂層處理 ［1］。為防止腐蝕、異物進(jìn)入和鳥撞，葉片采用了前緣包覆鈦合金包邊的設(shè)計，該發(fā)動機將于2030年左右投入使用［5，6］。

3 成型工藝簡介

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片雖然具有比強度高、密度低、可有效降低噪音、減少油耗等諸多優(yōu)點，在大涵道比渦扇發(fā)動機上大量應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢，但是仍受到制造工藝（尤其是預(yù)制體制備、復(fù)材成型技術(shù)等）的限制。預(yù)制體制備是復(fù)材葉片制造的難點之一，其制備方法主要有以下兩種：（1）采用手動鋪層或自動鋪絲，用于制造大尺寸風(fēng)扇葉片；（2）采用三維機織，用于制造中小尺寸風(fēng)扇葉片［2，7］。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的成型工藝主要有熱壓罐成型與RTM成型。兩者均屬于閉模成型技術(shù)，成型精度高，可滿足結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜的雙曲面、大扭轉(zhuǎn)角的渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片對制造工藝的要求。近年來，為進(jìn)一步提高復(fù)合材料葉片成型的尺寸精度，一些國外制造商開始將金屬模具替換為復(fù)合材料模具［7］。

3.1 熱壓罐成型

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中較為常用的一種工藝是真空袋-熱壓罐成型工藝，使用預(yù)浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝制造復(fù)合材料葉片的工藝流程如下［2，8］：（1）準(zhǔn)備材料，清理模具，準(zhǔn)備工裝，下料；（2）手工鋪層；（3）抽真空；（4）檢測真空度，進(jìn)罐加壓，升溫，保溫，降溫卸壓，開罐脫模；（5）數(shù)控加工，打磨修邊；（6）噴涂，金屬包邊等。

在預(yù)浸料手工鋪放/熱壓罐固化成型工藝的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出預(yù)浸料自動鋪絲/熱壓罐固化成型工藝，兩者的區(qū)別在于：前者使用整塊的預(yù)浸料坯料，而后者則使用預(yù)浸絲束［9］。

3.2 RTM注射成型

三維機織是在一定空間內(nèi)將長短纖維按一定規(guī)律排列，相互交織成三維無縫合的完整結(jié)構(gòu)的預(yù)制體制備方法［10］，具有以下優(yōu)點：（1）可機織出各種不同曲面葉形的葉片，成型精度高；（2）可使復(fù)合材料葉片不再存在層間問題，大幅提高抗損傷能力；（3）可使結(jié)構(gòu)件具有多功能性。

三維機織/RTM成型工藝，是將液態(tài)樹脂注入閉合模具內(nèi)固化成型的工藝方法［2］，可最大程度上接近葉片的最終形狀，基本無需后續(xù)加工，適宜多品種、中批量、高質(zhì)量先進(jìn)復(fù)合材料葉片生產(chǎn)，近年來發(fā)展十分迅速。與熱壓罐成型工藝相比，RTM成型工藝具有以下優(yōu)點［11，12］：（1）將預(yù)制體制備與樹脂模塑分離，利于鋪層材料設(shè)計；（2）不易發(fā)生葉片熱變形，可提升葉型精度；（3）精確控制纖維體積分?jǐn)?shù)，提高葉片表面質(zhì)量［2］。

4 結(jié)論

通過對復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的發(fā)展歷程與成型工藝的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片密度低、比強度高，可有效降低發(fā)動機油耗與噪音，在大涵道比發(fā)動機上大量應(yīng)用已成為共識。

（2）隨著近年來復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計、仿真、制造工藝等的不斷進(jìn)步，其成型工藝整體正朝著自動化、高精度、高效率、高可靠性的方向發(fā)展。

（3）未來復(fù)合材料構(gòu)件的各項性能將進(jìn)一步提升，制造成本也將進(jìn)一步下降，在大型運輸機、商業(yè)客機上的應(yīng)用將更加廣泛。

參 考 文 獻(xiàn)

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通訊作者：張俊有，男，碩士研究生，工程師。研究方向為航空發(fā)動機風(fēng)扇及壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計。E-mail：903884881@qq.com