提高航空發(fā)動機的涵道比可提升推力、降低噪聲和單位推力油耗，故近年來各類商用渦扇發(fā)動機的涵道比不斷增大（ 圖 1）。大涵道比渦扇發(fā)動機的主要推力來自流經(jīng)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。據(jù)統(tǒng)計，風扇段質(zhì)量約占發(fā)動機總質(zhì)量的30%~35%，減小風扇段質(zhì)量是減小發(fā)動機整體質(zhì)量和提高發(fā)動機效率的關鍵手段，因此采用更大、更輕的風扇葉片已成為商用渦扇發(fā)動機的發(fā)展趨勢。風扇葉片的重量每減少1 kg，風扇機匣和傳動系統(tǒng)的重量隨之減少1 kg，發(fā)動機結構和飛機機身結構也分別減重0.5 kg，這種減重迭代效應可使飛機整體有效減重。因此，采用復合材料風扇葉片是目前實現(xiàn)發(fā)動機更高涵道比和減重最有效的途徑。

圖1 商用航空發(fā)動機涵道比統(tǒng)計

復合材料具有高比強度、高比剛度、耐高溫及力學性能可設計等優(yōu)點，可顯著提升新一代航空渦扇發(fā)動機的綜合性能。有關復合材料風扇葉片的研究可以追溯到20 世紀60 年代末期，羅·羅公司在RB211–22B 發(fā)動機上首次嘗試使用復合材料制造風扇葉片。1985 年，GE 公司利用“預浸料手工鋪層+ 模壓成型”技術制造了GE90 商用渦扇發(fā)動機風扇葉片，該葉片采用了掠形大流量寬弦復合材料結構，葉片高為1.219 m，葉根寬為0.304 m，弦長為0.61 m，風扇轉(zhuǎn)子直徑為3242 mm，風扇葉尖速度為360~390 m/s[2]。GE90 采用了22 片復合材料風扇葉片，總質(zhì)量為349 kg，約占發(fā)動機總質(zhì)量的8%，與鈦合金空心葉片相比，質(zhì)量減少66%，強度提高100%。經(jīng)過十余年的運行，GE90 發(fā)動機復合材料風扇葉片已累計飛行107 h 以上，僅有3 片復合材料風扇葉片被更換；GEnX 發(fā)動機應用了更高效率的低半徑比的復材風扇葉片，成功實現(xiàn)減重159 kg；Leap–X 系列發(fā)動機利用復材風扇葉片降葉片數(shù)量降至18 片，直徑為1.8 m，總重76 kg。各類復材葉片發(fā)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(yè)飛行的需要。

羅·羅及GKN 公司生產(chǎn)的Trent–1000 和Trent– XWB的改進型也使用了復合材料風扇葉片，并為羅·羅公司后續(xù)計劃的Advance 3 和UltraFan 發(fā)動機項目風扇葉片的制造打下基礎。

目前國外各發(fā)動機復合材料風扇葉片材料使用及制造工藝見表1。

表1 國外各發(fā)動機復合材料風扇葉片材料使用及制造工藝

本文就航空發(fā)動機復合材料葉片的材料選擇、鋪層設計、成型工藝及其模具的設計與制造進行總結概括，同時介紹了國外公司關于發(fā)動機復合材料風扇葉片的設計制造情況，為以后航空發(fā)動機復合材料風扇葉片的制備提供參考。

1 航空發(fā)動機復合材料風扇葉片材料

航空發(fā)動機葉片工作溫度在130 ℃以下，因此適合采用輕質(zhì)、高強的碳纖維/ 環(huán)氧樹脂材料。GE 公司從1985 年開始在GE36 上研發(fā)復合材料的風扇葉片，之后為提高葉片的抗分層性能和抗剪強度，發(fā)展了大力神8551–7/IM7 的增韌環(huán)氧/ 石墨纖維，并在環(huán)氧樹脂中加入了凱芙拉微粒。GE 公司的GEnx 發(fā)動機風扇葉片同樣采用預浸料/ 模壓成型，并在葉片燕尾板處使用了特氟隆耐磨墊。特氟隆耐磨墊不會跟金屬一樣產(chǎn)生磨損，也無須重復更換。GE 公司最新研制的高性能發(fā)動機GE9X 的風扇葉片采用了先進的三維掠形設計，直徑為3.4 m，總數(shù)僅為16 片，并采用新一代高模量碳纖維與新型環(huán)氧樹脂制造，首次采用碳纖、玻纖混合增強，玻纖含量5% ~10%，且金屬前緣用高強鋼取代鈦合金，整體厚度薄至金屬材質(zhì)葉片。GE9X 發(fā)動機的風扇葉片后緣為玻璃纖維，由于玻纖破壞應變高，葉片在斷裂前能夠產(chǎn)生一定彎曲變形，提高葉片抗撞擊強度，目前已通過鳥撞測試。相比GE90–115B，GEnx 的涵道比提高了14%，總壓比提高了30%，耗油率比降低了10%。

Leap–X 發(fā)動機風扇葉片由Snecma 公司研制，將被應用于C919、B737max、A320neo 等機型。葉片采用寬弦、三維氣動設計，數(shù)量只有18 片，直徑為1.8 m，總重為76 kg，相比采用金屬結構的CFM56 發(fā)動機，Leap–X發(fā)動機重量降低了至少約454 kg，燃油效率提升16%，NOX 排放量降低60%，噪音水平降低10~15 dB，而可靠性持平CFM56。葉片本身采用三維機織樹脂傳遞模塑成型（3–DWRTM）技術，邊緣采用鈦合金包邊。Snecma 公司于2011 年第1 季度完成了先進三維機織樹脂傳遞模塑成型風扇以及復合材料機匣的5000 循環(huán)的耐久性試驗。試驗表明，應用該技術制作的葉片不僅重量輕，而且結構牢固，抗鳥撞能力強，制造成本相對較低。

UltraFan 發(fā)動機的風扇直徑長達140 inch，由500 層Hexcel 生產(chǎn)的碳纖維增強的高韌性、耐沖擊環(huán)氧預浸料HexPly M91 制成，葉片數(shù)量為18 片，可實現(xiàn)飛機整體減重700 kg，成為羅·羅有史以來最大的航空發(fā)動機。

近期，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司UEC 在研發(fā)PD–35發(fā)動機的過程中，宣布完成了使用“預浸料鋪層/ 熱壓罐工藝”和“三維機織/RTM”制造風扇葉片的技術開發(fā)，并在PD–14 發(fā)動機上進行測試。使用復合材料制造的PD–35 發(fā)動機全尺寸風扇葉片第1 批樣品預計在2022年完成生產(chǎn)。由表1 可知，國外商用渦扇發(fā)動機復材風扇葉片所使用的材料形式由“單一”向“混雜”轉(zhuǎn)變，材料性能向“更高模量、更高韌性、更高強度”發(fā)展。

2 制造工藝

2.1 預浸料手工鋪放/ 熱壓罐固化成型工藝

熱壓罐成型技術也稱作真空袋– 熱壓罐成型工藝，是航空航天復合材料結構制造最常用的制造工藝。其基本操作過程為：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(tǒng)，在熱壓罐中給予一定壓力和溫度，完成所需零件的固化成型。預浸料手工鋪放/ 熱壓罐固化成型工藝需事先把預浸料下料切割成設計好的形狀，然后人工進行預浸料的鋪疊，之后進行熱壓罐固化成型。

2.1.1 工藝流程設計

預浸料手工鋪放/ 熱壓罐固化成型工藝的典型工藝流程如下。（1）工裝和材料準備。清理模具、粘貼底層膜、下料。（2）鋪層。按照預先設計好的鋪層設計方案使用手工鋪放。（3）抽真空。在模具指定區(qū)域內(nèi)組裝真空袋，然后抽真空，此步驟需要每鋪固定數(shù)量鋪層后重復進行。（4）熱壓罐固化。先進行真空度檢測，然后進罐加壓，按照固化工藝曲線中的速度進行升溫，定時保溫后降溫，卸壓開罐、脫模。（5）數(shù)控加工。打磨修邊。（6）噴涂、金屬包邊等。工藝過程如圖2 所示。

圖2 GE 航空發(fā)動機風扇葉片熱壓罐成型工藝過程

值得注意的是，預浸料手工鋪放的過程中，用于定位每一塊預浸料鋪放位置的激光投影系統(tǒng)和用于控制鋪層尺寸和方向的自動裁布機對于預浸料鋪放的尺寸與位置精度極其重要，兩個系統(tǒng)必須協(xié)同使用，才能保證最終鋪層完成并固化后的尺寸精度，是影響預浸料手工鋪放工藝精度的關鍵要素。

2.1.2 模具設計

用于復合材料風扇葉片的模具材料有低碳鋼、鋁合金、Invar 鋼和樹脂基碳纖維復合材料。不同模具材料的熱導率和熱膨脹系數(shù)分別影響零件的表面溫度場分布和零件固化變形情況。金屬框架式復合材料風扇葉片模具結構由型面、支撐框架和模具底板組成，其典型結構如圖3 所示，制造材料為40#鋼。

圖3 用于手工鋪層的復合材料風扇葉片模具

基于三維設計軟件的設計過程為：（ 1）修整風扇葉片數(shù)模的實體邊緣，提取用作型面的葉片曲面；（ 2）基于提取曲面進行模具的型面設計；（ 3）激光定位孔、鋪貼線等型面細節(jié)設計；（ 4）進行模具的支撐框架板設計，并設計散熱孔與用于框架板裝配的卡槽，其設計形式可參考圖4；（ 5）進行模具底部的墊板設計；（ 6）將各零件進行裝配，并裝配上便于運輸?shù)牡醵c吊環(huán)。完成框架式模具的初步設計后，需要根據(jù)實際工況進行強度仿真，以及熱壓罐固化過程熱分布仿真、熱變形和葉片固化變形仿真等，得到模具的強度、剛度、熱剛度、固化過程中的溫度均勻性數(shù)據(jù)、受熱受壓應變分布情況和葉片固化變形結果等，并依據(jù)仿真結果進行模具結構的優(yōu)化設計。

圖4 框架支撐板結構

近年來，Hexcel 公司采用了M61 和M81 兩種樹脂基碳纖維復合材料制造復合材料風扇葉片模具HexTOOL（圖5）。

圖5 復材風扇葉片復合材料模具HexTOOL

HexTOOL 尺寸穩(wěn)定性好，公差穩(wěn)定性和可重復性媲美Invar 鋼模具，且氣密性、熱學性能優(yōu)異，重量較輕。其中HexTool M61 由標稱層壓纖維體積為55%的高強度碳纖維和樹脂含量為38% 的雙馬來酰亞胺樹脂基體組成，材料性能呈準各向同性，適合在180 ℃溫度條件下固化的復合材料構件，能夠在500 次固化循環(huán)后仍然保持良好氣密性，并且能在–18 ℃或者更低溫度下儲存12 個月，室溫下儲存30 d。HexTool M81 采用的M81 樹脂基體則為環(huán)氧樹脂，適合在120~150 ℃溫度條件下固化的復合材料構件，甚至在180 ℃的溫度條件下仍可以耐受數(shù)個固化周期，在–18 ℃或者更低溫度下可以儲存12 個月，室溫下可以儲存14 d。目前CFAN 公司已經(jīng)采用超過80 種HexTOOL M61 模具生產(chǎn)GE90–94、GE90–115B、GEnx–1B 和GEnx–2B 的風扇葉片。較傳統(tǒng)Invar 鋼模具，HexTOOL 減重達75%，加熱與固化效率提升了20% 以上。

2.1.3 鋪層設計

復合材料風扇葉片鋪層設計的主要思路：首先進行零件曲面的前處理，然后使用專業(yè)軟件初步設計鋪層，再依據(jù)設計準則、應力分布情況和后續(xù)的可制造性分析迭代設計以調(diào)整鋪層順序，最后得到滿足要求的葉片鋪層設計。其中，針對復合材料風扇葉片的鋪層設計中的關鍵點主要為變曲率變厚度復雜葉片樣件鋪層順序的調(diào)整。航空發(fā)動機風扇葉片的特點是曲面復雜，且曲率、厚度變化劇烈，使用常規(guī)的鋪層設計方法難以實現(xiàn)對葉片曲面幾何尺寸的精確控制，而使用Fibersim 軟件的自動填充功能則比較方便。但通過自動填充得到的鋪層設計為由大到小的鋪層排列順序，會導致鋪層遞減形成的樹脂淤積全部集中在葉片單側(cè)曲面上，造成應力集中及剝離分層等一系列問題。故需要對鋪層順序調(diào)整優(yōu)化，即導出鋪層設計信息，得到鋪層高度原始排序，然后根據(jù)復合材料鋪層的設計準則要求，在Fibersim 中的鋪層秩序管理器中進行順序調(diào)整，具體排序效果見圖6。

圖6 葉片鋪層順序優(yōu)化示意圖

葉片榫頭部分一般為燕尾型設計，榫頭的端面為對稱結構，但葉身跟榫頭部分厚度變化很大，且榫頭部分為遞減鋪層最多、最集中的區(qū)域，故此處的鋪層設計為難點之一，其模型截面如圖7 所示?？涤缽姷?針對榫頭部分的鋪層設計建立了插入層的結構、數(shù)量分配和順序，并確定了插入層在榫頭中的分布位置，為葉片整體鋪層設計提供了思路。

圖7 GE 公司葉片榫頭鋪層專利

2.1.4 固化工藝

航空發(fā)動機的風扇葉片厚度變化較大，在固化過程中有復合材料受熱不均勻的現(xiàn)象，且固化過程中產(chǎn)生的殘余應力會導致復合材料結構件發(fā)生變形，影響零件的成型精度。故需要在設計固化工藝時，進行固化過程的仿真，根據(jù)仿真結果對模具和固化工藝曲線進行參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整。針對復合材料風扇葉片固化過程中產(chǎn)生殘余應力導致的變形，英國LMAT 公司近年來深入研究和分析了影響復合材料風扇葉片榫頭部分變形程度的關鍵因素以進行精確的固化工藝仿真，進而優(yōu)化固化工藝和模具補償設計。LMAT 公司研究影響變形程度的關鍵因素為平面方向和厚度方向間的熱膨脹系數(shù)差異、模具和制件間的相互作用、不同升溫速率和固化過程的變化（凝膠化和玻璃化時間）、成型壓力、固化放熱、纖維褶皺、固化收縮。

2.2 三維機織碳纖維增強樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝

如果通過相同的預浸料鋪層工藝研制小尺寸復材風扇葉片，則會由于葉片剛性過強無法產(chǎn)生足夠的彈性變形，進而無法通過抗外物沖擊試驗（ 簡稱FOD試驗）。直到2012 年，Snecma 公司與Albany Engineered Composites公司合作發(fā)展了三維機織技術，于是GE 公司與Snecma公司合資創(chuàng)辦的CFM 公司采用“3D WOVEN 機織結構+ RTM 工藝成型”制造的Leap–X 系列發(fā)動機復合材料風扇葉片問世，解決了這個技術問題，同時避免了葉片在熱壓罐固化過程中出現(xiàn)的熱變形現(xiàn)象，保證了其外形精度，且可以嚴格控制纖維體積分數(shù)，并保證葉片擁有良好的表面質(zhì)量。

RTM 工藝的技術優(yōu)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(fā)揮鋪層材料的可設計性，適用于航空發(fā)動機風扇葉片這類復雜結構件的整體成型。

用于制造航空發(fā)動機復合材料風扇葉片的RTM工藝首先需要進行預制體的機織。目前航空發(fā)動機復合材料風扇葉片的預制體制備工藝有預浸料鋪層工藝、三維編織工藝（ 3D Braiding）和三維機織工藝（ 3DWeaving），其中的核心技術是如何實現(xiàn)風扇葉片厚度的連續(xù)變化和固化的一次成型。Leap–X 發(fā)動機復合材料風扇葉片采用三維機織– RTM 工藝，其成型過程如圖8 所示。首先進行預制體的三維機織；然后對其進行切割，扭轉(zhuǎn)鋪放到模具里，進行RTM 工藝成型；脫模后安裝鈦合金包邊，完成葉片的整體制造。Snecma 公司委托Albany Engineered Composites 公司完成三維機織預制體的制備（ 圖 9）和整個復合材料風扇葉片的制造。其使用的3D WOVEN /RTM 技術制備葉片過程的特點是葉片高壓成型前將碳纖維織造成三維機織結構，然后注入樹脂。

圖8 Leap–X 發(fā)動機風扇葉片制造過程

對于復合材料風扇葉片，由于其外形非常復雜，RTM 模具上下模的工藝分離面設計、注射口、排氣口、密封方式的設計是模具設計的難點。Snecma 公司使用的RTM 模具和工藝過程如圖10所示。可以看到，其使用的模具為上下模的分體式模具，側(cè)面裝有便于吊裝的吊耳和定位孔，周邊帶有一體式的管路用于抽真空或者液體加熱保溫。

圖10 Snecma 公司的復合材料風扇葉片RTM 工藝

2.3 預浸料自動鋪絲/ 熱壓罐固化成型工藝

預浸料自動鋪絲/ 熱壓罐成型工藝與手工鋪放/ 熱壓罐成型工藝的流程相似，其區(qū)別主要在于前者使用了自動鋪絲成型技術（ Automated fiber placement，AFP）。

2.3.1 模具設計

值得注意的是，用于自動鋪絲的框架式模具的型面需要與鋪絲機協(xié)同配合，進行鋪絲機專用定位孔設計，并預留余量區(qū)避免鋪絲頭與模具型面發(fā)生干涉，設計可參考圖11 中羅·羅公司的UltraFan 復合材料發(fā)動機風扇葉片工裝模具。

圖11 UltraFan 復合材料風扇葉片自動化鋪絲

2.3.2 鋪層設計

手工鋪層使用的是整塊的預浸料坯料，而自動鋪絲則使用的是預浸絲束，由數(shù)千根未捻的纖維絲構成，由樹脂預浸，寬度一般為3.18~25.4 mm，厚度為0.1~0.3 mm，實際鋪放時會在曲邊邊緣形成鋸齒狀邊界，故需在后期進行修剪和機加工。在Fibersim 軟件中進行復合材料風扇葉片自動鋪絲鋪層設計的流程與手工鋪層相同，但需要在軟件層合板設置中選擇AFP 設備，并在材料庫中選擇所需預浸絲束材料。

3 制造工藝對比分析

3.1 三維機織和手工鋪層

三維機織復合材料的性能相比于傳統(tǒng)層壓板顯示出的優(yōu)點有：

（ 1）可以低成本地制造出例如發(fā)動機風扇葉片這類復雜形狀的凈尺寸預制體；

（ 2）可以針對特定力學要求定制每個部位、不同方向的力學特性；

（ 3）具有更高的耐分層性、抗沖擊性、耐沖擊損傷性和抗層

間斷裂性；

（ 4）對于材料的切口等缺陷不太敏感。

對于單通道風扇葉片，三維機織結構優(yōu)異的抗分層擴展能力可以使這類小葉片在鳥撞引起的彎扭大變形中保持足夠的剛度和韌性，不會由于局部鳥撞載荷惡化而發(fā)生斷裂。但雙通道風扇葉片由于其尺寸較大，榫頭部分厚度變化大，增大了三維機織中打緯的難度和紗線磨損，而且手工鋪層復合材料的剛度和強度普遍高于三維機織復合材料，故一般采用鋪層工藝而非機織。美國GE 公司目前制造復合材料風扇葉片均使用手工鋪層工藝，并成功進行了多年商用生產(chǎn)制造，驗證了該工藝的穩(wěn)定性和可靠性。手工鋪層工藝和三維機織工藝的特點對比見表2。

表2 手工鋪層工藝和三維機織工藝特點對比

3.2 手工鋪層和自動鋪絲

手工鋪層的優(yōu)勢在于技術的成熟度與成功的商用經(jīng)驗，而自動鋪絲的優(yōu)勢主要在于工藝流程的自動化、高效化、精密化。手工鋪層工藝和自動鋪絲工藝的特點對比見表3。

表3 手工鋪層工藝和自動鋪絲工藝特點對比

4 結論

參考國外制造復材風扇葉片的技術發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)在商用大涵道比渦扇發(fā)動機風扇葉片的研制上需要攻克以下難點：復雜型面大尺寸葉片高精度成型高效傳熱長壽命模具設計及制造技術、復雜氣動外形風扇葉片鋪層設計技術，以及復合材料風扇葉片預制體三維機織技術、纖維自動鋪放技術、無損檢測與質(zhì)量控制技術。并有以下3 點制造技術發(fā)展趨勢。

（1）材料形式混雜化。GE9X 使用的GE 第四代混雜材料風扇葉片葉身主區(qū)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(nèi)部為碳纖，外部為玻纖。由此可以看出，目前國外商用渦扇發(fā)動機復材風扇葉片所使用的材料形式由“單一”向“混雜”轉(zhuǎn)變，新一代的材料性能擁有更高模量、更高韌性、更高強度，國內(nèi)也需要研究適用于航空發(fā)動機風扇葉片的復合材料，建立基于國內(nèi)碳纖維材料的復合材料高韌性材料體系。

（2）制造工藝自動化、自適應化。復合材料風扇葉片結構外形為雙曲面，曲率變化大，厚度變化劇烈，且存在大扭轉(zhuǎn)、變截面區(qū)域，使用傳統(tǒng)手工操作進行鋪層，可能出現(xiàn)難以預測的鋪疊偏差，進而影響葉片整體外形。如Snecma 公司在Leap–X 風扇葉片上使用的三維機織技術與羅·羅公司在UltraFan 上采用的機器人自動鋪絲鋪絲技術，均使用自動化成形技術以提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，減少人為操作導致的偏差，同時機械臂的柔性應用空間與三維機織技術的可設計性大大提高了制造工藝的自適應性，可用于其他復雜外形復合材料構件預成型體的制造，有效提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

（3）工裝材料多樣化。在復合材料構件的制造中，模具是決定構件質(zhì)量、成本和周期的重要因素。為了保持復合材料構件高溫固化時模具型面的穩(wěn)定性、傳熱速度和溫度均勻性，框架式殷鋼模具是復雜外形復合材料構件模具的首選。而金屬模具往往重量重、制造周期長且成本高，不適用于小批量的試制階段。參考Hexcel公司使用復合材料生產(chǎn)的HexTOOL 模具，跟金屬模具相比重量顯著減輕，且提高了加熱固化的效率。在研究葉片制造技術的同時，也需要探究新型的模具材料，提高葉片制造的效率同時降低成本。由以上趨勢可以看出，隨著制造技術與信息技術的發(fā)展，復合材料風扇葉片的制造工藝整體正朝著自動化、高效率、高性能、高精度、高可靠性的方向發(fā)展。

來源：周何, 李小兵, 張婷, 等. 航空發(fā)動機復合材料風扇葉片制造工藝應用進展[J]. 航空制造技術, 2022, 65(13): 84–91.

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