導讀

    復合材料風扇葉片已成為商用大涵道比發動機的發展趨勢，復合材料風扇葉片已應用于B777、B787等多個民機型號，并即將在C919、A320neo、A350、B737MAX、B777-X等先進機型上應用，復合材料風扇葉片的成型技術已呈現出自動化、多樣化和高效化的趨勢。

    進入21世紀以來，隨著A380、B787等大型商用飛機的使用，大飛機的研制越來越受到世界各國的重視，并逐漸成為國家綜合國力的象征。大涵道比渦扇發動機是大型飛機的核心部分，是決定大型飛機研制能否成功的關鍵。復合材料具有金屬材料無法比擬的低密度、高比強度和高比剛度，為了達到發動機的高推重比、低耗油率、低噪聲、低維修成本的需要，世界各主要發動機廠商都在大力推廣復合材料在大涵道比渦扇發動機上的使用。

    風扇葉片是現代商用飛機發動機最重要的部件之一，據統計，風扇段質量約占發動機總質量的30%~35%，降低風扇段質量是降低發動機質量和提高發動機效率的關鍵手段，采用更大、更輕的風扇葉片已成為發動機的發展趨勢。風扇葉片每減重1kg，風扇機匣和傳動系統也相應減少1kg，同時發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。此外，大涵道比渦扇發動機的主要推力來自流經外涵道的冷空氣，要滿足較大的涵道比，必須采用較大尺寸的風扇。因此，采用復合材料風扇葉片是實現發動機更高涵道比和減重的唯一途徑。

    與鈦合金葉片相比，復合材料風扇葉片具有重量輕、高效率、低噪聲的特點，葉片數少，具有更優異的抗顫震性能和損傷容限能力，抗鳥撞性能也能滿足適航需求。以同時為波音787飛機開發的GEnx發動機和瑞達1000發動機為例，采用復合材料風扇葉片的GEnx發動機葉片數更少，質量更輕，燃油效率更高，如圖1所示。

    復合材料風扇葉片在商用渦扇發動機上的應用現狀

    目前，國外已進行商業化應用的復合材料風扇葉片的主要代表為B777 配套的GE90系列發動機及為B787配套的GEnx發動機；即將進行商用化應用的復合材料風扇葉片的代表為中國商飛C919、美國波音公司B737max、歐洲空中客車A320neo配套的LEAP-X發動機及為B787-9、A350配套的TRENT1000、TRENT-XWB等發動機。

    其中，GE90、GEnx、TRENT1000、TRENT-XWB發動機具有較大的推力，主要為雙通道商用客機提供飛行動力，風扇葉片尺寸較大。而最新開發的LEAP-X發動機推力較小，主要為單通道商用客機提供飛行動力，因此風扇葉片的尺寸也小于GE90、GEnx等發動機的風扇葉片。

    值得注意的是，國外最先采用復合材料風扇葉片的并不是匹配單通道客機的具有較小直徑風扇葉片的商用渦扇發動機（如CFM56、V2500等），而是匹配B777級別雙通道客機的具有較大直徑風扇葉片的GE90商用渦扇發動機。其原因為：較小尺寸風扇葉片的剛性過強而無法產生足夠的彈性變形，通過預浸料疊層/模壓成型工藝研制的小尺寸全復合材料風扇葉片在當時無法通過抗外物沖擊試驗（簡稱FOD試驗）；而較大尺寸的風扇葉片能夠產生足夠的彈性變形吸收沖擊能量，同時結合邊緣縫合技術及鈦合金包邊技術，抑制沖擊帶來的邊緣分層，最終通過了FOD試驗得到了商業化應用。直到2012年，采用3DWOVEN編織結構/RTM工藝成型的LEAP-X發動機復合材料風扇葉片問世才解決了這個技術問題。

    因此，從制造技術上可對以上發動機復合材料風扇葉片加以區分：其中GE90、GEnx、TRENT1000及TRENTXWB發動機復合材料風扇葉片采用了預浸料/模壓技術成型，可歸為第2~第3代復合材料風扇葉片制造技術；而LEAP-X發動機復合材料風扇葉片采用了3D-WOVEN/RTM技術成型，可歸為第4代復合材料風扇葉片制造技術。

    預浸料/模壓成型復合材料風扇葉片

    采用預浸料/模壓成型復合材料風扇葉片的代表主要有美國GE公司的GE90、GEnx發動機復合材料風扇葉片及羅-羅公司和GKN公司正在聯合為遄達系列發動機開發的復合材料風扇葉片。

    GE90復合材料風扇葉片：GE90是美國GE公司于20世紀90年代為雙發大型客機B777開發的特大流量比、特大推力的渦扇發動機，是國外最早采用復合材料風扇葉片設計的商業化發動機之一，見圖2。

    該葉片采用了預浸料/模壓成型的掠形大流量寬弦復合材料結構，綜合考慮了空氣動力學、航空力學、低周疲勞循環和高周疲勞循環等因素。GE90的復合材料風扇葉片高1.219m，葉根寬0.304m，弦長0.61m，風扇轉子φ3242mm，風扇葉尖速度為360~390m/s。該葉片由400層IM7/8551-7的碳纖維/增韌環氧預浸料制成，其外形從葉根至葉尖逐漸減薄。在葉身的壓力面上，涂有聚氨酯防腐蝕涂層，葉背上涂有一般的聚氨酯涂層，為了提高葉片的抗鳥撞能力，在前緣增加了鈦合金包邊；為了避免在工作中出現復合材料的分層，在葉尖和后緣處采用了Kevlar纖維進行縫合。葉片根部為三角形燕尾形榫頭，榫頭承受壓力的表面上涂有低摩擦系數的耐磨材料。

    GE90采用了22片復合材料風扇葉片的總質量為349kg，約占發動機總質量的8%，與鈦合金空心葉片相比，質量輕66%，強度提高100%。經過十余年的運行，GE90復合材料發動機葉片已累計飛行1000萬h以上，僅有3片復合材料風扇葉片被更換，GE90發動機的成功應用，證明了復合材料風扇葉片適用于具有嚴格要求的商業飛行的需要。

    GEnx復合材料風扇葉片：GEnx發動機是美國GE公司2002年為B787和B747-8等飛機開發的新一代渦扇發動機，在材料和模壓成型工藝不變的情況下，優化了GE90的復合材料葉片結構設計，見圖3。

    GEnx發動機風扇葉片采用了GE公司的第3代復合材料，外形（掠形）基本同于GE90-115B發動機，采用新一代三元流技術設計，葉片數由GE90的22片減為18片，減輕了質量。葉片的前緣與尖部采用了鈦合金護套。在葉片榫根處，采用了特氟隆耐磨襯墊，因而葉片裝進燕尾槽中后無需加潤滑劑，正常的維護僅需要目視檢查。

    3）羅-羅公司復合材料風扇葉片。隨著復合材料風扇葉片技術的不斷進步，英國羅-羅公司目前正在將目光從在其渦扇發動機上長期應用的鈦合金空心風扇葉片移開，轉而研制碳纖維增強復合材料風扇葉片。該公司與吉凱恩集團（GKN）一起開發一種跟鈦合金葉片一樣薄的碳纖維風扇葉片試驗件，見圖4，并滿足在魯棒性、制造成本以及產量可擴縮性等其他方面的標準。這種碳纖維風扇葉片已經完成了包括葉片飛出、鳥撞試驗在內的地面試驗，并即將于2013年第2季度在TRENT1000發動機上開始飛行測試，并可望在2020年前應用于TRENT-XWB之后的下一型新發動機。

    3D WOVEN/RTM成型復合材料風扇葉片

    由于中等推力發動機對更小、更輕的風扇葉片提出了更高的強度要求，作為GE公司在CFM國際公司的合伙人，Snecma公司將采用新的碳纖維增強復合材料結構制造工藝用于CFM56系列的下一代繼任發動機——LEAP-X。與GE90和GEnx風扇葉片采用鋪設多層預浸碳纖維薄層的方式不同，Snecma公司采用樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝來制造LEAP發動機的風扇葉片，其中在樹脂注入和葉片高壓成型前將碳纖維編制成3-D WOVEN結構，見圖5。

    LEAP-X發動機風扇葉片采用了法國Snecma公司的專利3-D WOVEN/RTM技術成型，也是世界上首個通過FOD試驗的中小推力渦扇發動機復合材料風扇葉片。Snecma公司為該復合材料風扇葉片申請了數個專利，主要包含3-D WOVEN預制體編織技術、3-D WOVEN復合材料葉片預成型技術、RTM成型技術、預制體切割技術等。

    在制造方面，Snecma公司委托Albany Engineered Composites（簡稱AEC 公司）完成三維編織預制體的制備和整個復合材料風扇葉片的制造，由于自動化程度高，葉片制造的全過程僅需24h即可完成。

    與CFM公司同等推力水平的采用更多金屬結構的CFM56發動機相比，采用3-D WOVEN/RTM技術成型的LEAP發動機重量降低了1000磅（1 磅≈0.45kg）以上，燃油效率提高16%，NOX排放量低60%，噪聲水平低10~15dB，而可靠性維持CFM56的水平。與同樣采用復合材料風扇葉片設計的GE90發動機相比，3-D WOVEN/RTM成型的發動機葉盤直徑減少了50inch（1inch=2.54cm）以上，但具有與之相當的抗鳥撞能力。

    目前，LEAP-X發動機已被中國商飛C919、B737max、A320neo這3種雙發單通道旅客機選中。LEAP-X全尺寸整機試驗于2013初進行，隨后將進行飛行試驗，計劃于2016年取得適航證。

    復合材料風扇葉片核心制造技術

    復合材料風扇葉片的核心制造技術主要包括預制體制備技術、高韌性材料體系和成型技術等。

    復合材料風扇葉片預制體制備技術

    預制體制備技術是復合材料風扇葉片制造的核心技術之一。根據發動機的推力和適用性的不同，國外采用了2種不同的復合材料風扇葉片預制體制備技術。其中適用于B777、B787、A350等雙通道客機且具有較大推力和較大葉盤直徑的GE90、GEnx、瑞達1000和瑞達XWB渦扇發動機風扇葉片預制體使用了IM7/8551-7及IM7/M91預浸料并利用激光定位手工/自動化成型技術制備；而最新開發的適用于B737、A320、C919等單通道客機，具有較小推力的LEAP-X渦扇發動機風扇葉片預制體采用了預浸漬IM7碳纖維和3D-WOVEN/RTM自動化技術成型。

    根據相關資料顯示，GKN公司在GE90發動機風扇葉片研制過程中開發了自動化絲束鋪放設備（簡稱AFP）以幫助GE90復合材料風扇葉片預制體實現自動化成型，由于當時技術成熟度的問題，最終GE公司未采用AFP技術進行風扇葉片預制體的制造，而仍然采用激光定位輔助+人手工鋪疊的技術；而隨著AFP技術的進步，羅-羅公司在研制瑞達系列發動機復合材料風扇葉片中采用了GKN公司的新型AFP自動化纖維絲束鋪放設備，實現了復合材料風扇葉片預制體的自動化成型，并采用了超聲刀進行了預制體切割。

    在LEAP-X發動機風扇葉片成型過程中，Snecma公司首次提出了無余量預制體成型技術、預制體預變形技術以及高度自動化的預制體制備技術。

    Snecma 公司3DW/RTM成型風扇葉片預制體主要的技術優點有：1）全三維編織結構的預制體，葉片的頂部可以更薄，根部可以更厚，這種設計降低了傳統二維風扇葉片的分層缺陷產生的可能性；2）采用了經紗連續的變截面成型技術，較經紗中斷的三維編織結構具有更好的承載能力；3）針對渦扇發動機葉片受力環境優化的三維編織結構；4）采用了預浸漬的纖維束編織，維型性更佳；5）在預制體中增加了可視定位線設計，可對三維預制體編織、預成型、預壓實、合模等全程進行外形尺寸跟蹤；6）預制體編織完成后采用高壓水設備無余量一次切割到位。

    復合材料風扇葉片高韌性材料體系

    國外適用于復合材料風扇葉片的材料體系見表1。

    從表1可知，國外復合材料風扇葉片的增強材料均選用了T800級碳纖維，基體樹脂選擇了環氧樹脂體系。其中，GE公司選用了Hexcel公司的IM7/8551-7預浸料，而羅-羅公司選用了Hexcel公司的可適用于AFP技術的IM7/M91預浸料。由于風扇葉片的使用溫度不高，高溫環氧樹脂即可滿足其使用溫度要求，材料的主要性能指標為高韌性和濕熱環境的性能保持率。在考核材料韌性的關鍵指標開孔壓縮性能及沖擊后壓縮強度（CAI）上，IM7/8551-7的開孔壓縮強度可達290MPa（常溫干態），255MPa（82℃濕態），性能保持率達88%； IM7/M91的開孔壓縮強度為315MPa（常溫干態），CAI值更高達350MPa，以上數據表明材料的高韌性和高性能保持率是復合材料風扇葉片材料的關鍵技術指標要求。

    由于Snecma公司未公布3D-WOVEN材料的相關性能，故無法從數據上進行直觀對比判斷。但從國外公開的相關資料可知，采用3DWOVEN/RTM成型的復合材料風扇葉片通過了與GE90同級別的抗鳥撞試驗（8磅鳥撞）。考慮在相同沖擊能量下小尺寸葉片需要更高的抗損傷容限能力和韌性需求，可以推測采用Snecma公司采用3D-WOVEN/RTM成型的復合材料相關韌性性能不亞于甚至超過IM7/8551-7及IM7/M91預浸料的韌性性能。

    復合材料風扇葉片成型技術

    國外目前主流的復合材料風扇葉片成型技術主要包含模壓及RTM 注射成型，分別對應的發動機及機型見表2。

    從表2可知，根據發動機的推力和適用性的不同，國外采用了兩種不同的復合材料風扇葉片成型技術。雖然技術上有所區別，但模壓及RTM技術（可等效為液體模壓技術）可統稱為復合材料閉模成型技術。由于渦扇發動機風扇葉片雙曲面、大扭轉、變截面的結構形式極為復雜，采用常規的熱壓罐成型技術無法充分保證成型后零件的尺寸精度，而閉模成型技術可實現零件高精度成型，同時零件的質量一致性好的特點剛好能夠滿足渦扇發動機對風扇葉片極高的質量要求。故閉模成型技術已成為復合材料風扇葉片的最主流成型技術，如GKN公司模壓成型羅-羅公司的葉片以及Snecma公司利用RTM工藝制造LEAP-X發動機葉片。

    隨著技術的發展和進步，國外出現了采用復合材料材質的模具替代金屬成型模具的趨勢，其優點為采用復合材料材質加工制造的模具的熱膨脹系數與復合材料零件的熱膨脹系數基本一致，成型的零件具有更高的尺寸精度。如GE90-94、GE90-115B、GEnx-1B、GEnx-2B復合材料風扇葉片均采用了HEXCEL公司的HexTOOL?M61制造了復合材料材質的模具替代了金屬模具，見圖6。

    根據國外相關報道，LEAP-X 發動機的生產廠商CFM（Snecma與GE公司共同控股公司）也準備選用HEXCEL公司的HexTOOL? 材料進行模具的加工。

    在鈦合金包邊成型技術方面，GE公司直接采用了數控機床加工的方式進行了GE90、GEnx復合材料風扇葉片鈦合金包邊的加工。

    此外，大量的模擬技術也應用于復合材料風扇葉片的成型技術中，如法國ESI-ATE集團針對模壓技術和RTM技術分別開發了PAM-FORM及PAM-RTM模擬軟件，可采用計算機仿真的手段模擬在模壓成型工藝中的預制體纖維角度的變化以及對最終零件的變形影響，也可在RTM工藝中模擬纖維滲透率、樹脂流動、固化速率等多個工藝參數的變化對零件最終成型質量的影響。合理采用模擬技術可以在成型工藝技術研究的前期對成型技術進行方向性的指導，降低成本、縮短研制周期、規避研制風險。

    總結

    隨著技術的進步，復合材料風扇葉片已經被越來越多的商用發動機所采用，而制造過程的自動化、高效率，材料的高性能，成型工藝的高精度、高可靠性和一致性是復合材料風扇葉片制造技術的發展方向。隨著我國自主設計的大型民用客機C919開始研發，其對商用發動機的需求為我國的復合材料風扇葉片制造技術的發展提供了良好的機遇，雖然我國的復合材料風扇葉片制造技術尚處于技術積累階段，但終有一天，我國的商用大飛機終能采用自主研發的渦扇發動機飛上藍天。