大規模采用復合材料葉片是目前航空工業實現航空發動機更高涵道比和減重的最有效途徑。以復合材料航空發動機葉片的制造技術研究進展為主題，介紹了現階段樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料航空發動機葉片的主流加工工藝；重點討論了關鍵制造技術的發展現狀和應用情況，包括樹脂基復材葉片的預浸料/模壓成型工藝和三維編織結/增強樹脂傳遞模塑成型工藝、金屬基復材葉片的模壓成型、加壓澆鑄工藝和超塑成形/擴散連接工藝以及陶瓷基復合材料葉片的熔體滲透工藝；探討了航空發動機復合材料葉片的發展趨勢，并提出未來復合材料葉片關鍵制造技術的研究方向。

 

作為復雜薄壁曲面類部件，航空發動機葉片是航空發動機中非常關鍵的一類典型零件。隨著現代航空業的發展，為了滿足航空發動機日益苛刻的氣動性能要求，各種葉片的構型越來越復雜，工況越來越惡劣，由此，對于航空發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動機的性能和效率，尤其是隨著發動機涵道比的進一步提高，目前在新一代戰斗機與大型民用客機的發動機上采用的復合材料構件越來越多，其中的一個核心部件就是復合材料葉片。由樹脂基、金屬基和陶瓷基等復合材料制成的復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上大幅減輕航空發動機的重量，從而顯著提升新一代航空發動機的綜合性能。樹脂基復合材料制造的風扇葉片、金屬基復合材料制造的風扇和壓氣機葉片、陶瓷基復合材料制造的渦輪葉片，已經成為當下航空發動機減重增推的關鍵技術手段之一。如何保障各種新型復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，是未來進一步提升航空發動機新型復合材料葉片大規模裝備應用的前提。

 

1復合材料航空發動機葉片的現狀

 

20世紀60年代，英國Rolls-Royc（羅-羅）公司就已經開始對復合材料風扇葉片的研發工作，并準備應用于RB211發動機，但由于未能滿足葉片剛度及韌性的要求，導致計劃夭折。隨著復合材料行業的高速發展，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）公司的復合材料葉片相繼問世。目前，復合材料航空發動機葉片國際市場仍被上述國際巨頭所壟斷。

 

目前復合材料葉片在國際航空發動機上的主要應用如表1所示?？梢钥吹?，樹脂基復合材料制造的風扇葉片、金屬基復合材料制造的風扇/壓氣機葉片、陶瓷基復合材料制造的渦輪葉片等復合材料葉片都已經廣泛應用在商業航空發動機中。各類復材葉片發動機的成功應用，證明了復合材料風扇葉片適用于要求嚴格的商業飛行需要。

 

表1 復合材料航空發動機葉片

 

隨著中國航空工業的高速發展，在航空發動機葉片制造技術上已經取得了諸多的突破，但對于研發與制造高端復合材料葉片產品，在生產成本、研制周期、材料制備、制造技術、適航經驗以及適航審定上，目前與世界領先的航空巨頭差距依然巨大，嚴重制約了國內復合材料葉片的大規模應用，降低了與國際市場競爭力。

2復合材料航空發動機葉片的制造工藝

 

 

樹脂基復合材料葉片制造工藝

 

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

 

預浸料/熱壓罐成型工藝

 

預浸料/熱壓罐成型工藝需事先把預浸料下料切割成設計好的形狀，然后進行預浸料的鋪疊、固化成型。圖1展示了GE航空發動機風扇葉片熱壓罐成型工藝過程?；静僮鬟^程是將由碳纖維浸泡至部分固化的樹脂制成的預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，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。手工鋪層使用的復合材料強度和剛度高，已發展成熟并具有相當多的商業應用經驗。

 

圖1 GE航空發動機風扇葉片熱壓罐成型工藝過程

 

使用預浸料鋪放工藝來制備預制體的難點是預浸料的平面-曲面變換裁切、預浸料鋪貼精確定位以及預浸料層間的穿刺強化。羅-羅公司為其超扇葉片（UltraFan）設計了自動鋪絲和鋪帶工藝并輔以三維激光測量技術保障精度，如圖2所示。該葉片由500層Hexcel公司生產的IM7/M91碳纖維增強高韌性環氧樹脂預浸料制成。葉片預制體在自動化纖維絲束鋪放設備上完成制備后，經過熱壓罐高溫高壓固化和精密加工處理，而后進行表面涂層處理，并在葉片前緣部位包覆鈦合金保護薄片。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/增強樹脂傳遞模塑成型工藝

 

CFM公司采用“3D WOVEN編織結+增強樹脂傳遞模塑（RTM）成型”制造了Leap-X系列發動機復合材料風扇葉片，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的熱變形現象，保證了其外形精度，且可以嚴格控制纖維體積分數。RTM工藝的技術優勢在于將碳纖維預成型體的設計與樹脂的模塑過程分離，可以充分發揮鋪層材料的可設計性。在葉片高壓成型前將碳纖維織制成三維機織結構，然后對其進行切割，扭轉鋪放到模具里，進行RTM工藝成型。在脫模和數控精加工后安裝鈦合金包邊，完成葉片的整體制造。RTM技術可使預制體設計和模塑成型兩者獨立進行，充分滿足航空發動機葉片設計過程中的復雜結構要求。Snecma公司后期進行的耐久性試驗表明，應用RTM技術制造葉片不僅降低了重量和成本，也加強了防鳥撞等結構性能。

 

圖3 Leap-X發動機復合材料風扇葉片成型工藝過程

 

 

金屬基復合材料葉片制造工藝

 

金屬基復合材料具有優于傳統金屬材料的比強度、比剛度和結構穩定性，可以按需設計產品性能，實現結構功能的一體化。圖4展示了GE公司Al-Li合金基復材葉片的制造工藝，其預制件制備完成后有2種成型方法，分別為模壓成型法和加壓澆鑄法。

 

圖4 金屬基復材葉片的制造工藝

 

從PW4084發動機開始，普惠公司在風扇出口導流葉片上使用DWA公司生產的擠壓態碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復合材料，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合材料空心風扇葉片，如圖5所示。其將預制體的兩片葉身進行擴散連接形成空腔結構再加熱至超塑成形狀態扭轉成形的工藝可使發動機結構減重14%。羅-羅公司也成功研制出寬弦空心金屬基復合材料風扇葉片。

 

圖5 超塑成形/擴散連接制造工藝

 

金屬基復合材料已經或將被應用于壓氣機靜子葉片、轉子葉片、整體葉環等多個部位，但其在航空發動機的生產制造上并未實現廣泛的推廣應用，這主要是因為金屬基復合材料制造生產工藝復雜、制造成本高、合格率低。

 

 

陶瓷基復合材料葉片制造工藝

 

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

 

GE研發的熔體滲透工藝流程如圖6所示。首先將陶瓷基復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制體中，再冷卻得到所需的陶瓷基復合材料葉片。

 

圖6 熔體滲透工藝示意

 

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

 

陶瓷基復合材料葉片具有強大的力學性能和高溫性能，但是在持續的高溫、高壓以及低頻振動作業情況下會產生疲勞、損傷等現象，可能導致增韌失效，大大減少其壽命，因此仍然需要發展高效低損傷的加工技術。

 

3復合材料航空發動機葉片的發展趨勢

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

 

航空發動機整機的減重效益使得葉片的設計需向更大曲率的方向發展。如圖7所示，GE公司在設計同系列復合材料風扇葉片時，將單個葉片的曲率逐步增大，使得發動機能夠在保證相同進氣性能的同時逐步減小其葉片的數量。GE公司新一代GE9X發動機，使用的第四代混雜材料風扇葉片葉身主區域為碳纖/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，內部為碳纖，外部為玻纖。從GE9X使用的材料可以看出，復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變的趨勢。

 

圖7 GE航空發動機風扇葉片的發展

 

在葉片的設計和強度校核方面，準確性高、計算速度快的計算機模擬技術有望實現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，將模擬技術應用到精確控制過程中可以大幅縮短航空發動機的設計周期。模擬方法可以規避傳統工藝流程中的諸多缺點，從3D預制體編織設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。

 

在制造工藝方面，增材制造技術在單件和小批量復雜結構方面具有快速制造的優勢，設計、材料和制造的一體化將是其未來發展的方向。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展，隨著編織技術的進步，復合材料損傷容限和沖擊韌性將不斷提高。采用低溫固化、低壓成型技術以降低固化溫度，縮短反應時間，盡可能提高其壽命也是發展大尺寸復合材料構件和復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發動機為代表的航空發動機生產商正在落實基于數字孿生技術的復合材料葉片全生命周期監測系統，同時可提供修復與再制造方法。其主要手段是通過嵌入式傳感器在線監測全生命周期的復材葉片載荷與結構損傷信息，主動感知其服役過程中的環境變化，大幅提高復合材料結構的安全可靠性。在應對葉片結構健康監測時，除傳感器的嵌入之外，將壓電材料等復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展趨勢。

4展望

開發和應用輕質高強耐高溫的復合材料是提升航空發動機減重效率、推重比、燃油經濟性的重要手段，也是航空發動機葉片未來的發展趨勢。參考國外復合材料葉片的技術發展現狀，國內在航空發動機復合材料葉片的研制上需進一步提升設計、材料、制造、試驗技術水平及工程化能力。

 

1）健全復合材料體系。目前國外航空發動機復合材料葉片所使用的材料向混雜的方向發展，從而擁有更強的材料性能，國內也需要針對葉片所處的冷端、熱端等不同位置建立復合材料體系，整合現有制造資源和能力，解決制造規范不統一，技術儲備、設備能力不均衡的問題，實現產品生命周期數據的集成、共享與優化配置，并盡快啟動航空發動機復合材料葉片的相關標準修訂與制定工作。

 

2）制造工藝自動化、數字化。國外的先進自動化工藝能夠大大減少人為操作導致的偏差，從而提高生產的穩定性。中國航空制造業要實現彎道超車，勢必要將數字化技術融入復合材料設計、制造、加工、檢測、服役全過程，從而提升復合材料制造水平，縮小與先進制造技術的差距。

 

3）提升技術創新與研發能力。以增材制造技術為代表的一體化高效成型顛覆性技術，在未來有望能夠推動中國先進航空發動機復合材料葉片的快速研制，進一步縮小中國與歐美先進葉片制造的技術差距。但目前，這些先進技術還存在諸多嚴重缺陷，需要進一步開展預研與技術積累。

 

本文作者：俞銳晨、姜金華、朱曉錦、張合生、高志遠

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