提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的涵道比不斷增大（ 圖 1）。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(fēng)扇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)扇段質(zhì)量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的30%~35%，減小風(fēng)扇段質(zhì)量是減小發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量和提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵手段，因此采用更大、更輕的風(fēng)扇葉片已成為商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)扇葉片的重量每減少1 kg，風(fēng)扇機(jī)匣和傳動(dòng)系統(tǒng)的重量隨之減少1 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)也分別減重0.5 kg，這種減重迭代效應(yīng)可使飛機(jī)整體有效減重。因此，采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片是目前實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)更高涵道比和減重最有效的途徑。

圖1 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比統(tǒng)計(jì)

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫及力學(xué)性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可顯著提升新一代航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能。有關(guān)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的研究可以追溯到20 世紀(jì)60 年代末期，羅·羅公司在RB211–22B 發(fā)動(dòng)機(jī)上首次嘗試使用復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片。1985 年，GE 公司利用“預(yù)浸料手工鋪層+ 模壓成型”技術(shù)制造了GE90 商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，該葉片采用了掠形大流量寬弦復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，葉片高為1.219 m，葉根寬為0.304 m，弦長為0.61 m，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑為3242 mm，風(fēng)扇葉尖速度為360~390 m/s[2]。GE90 采用了22 片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，總質(zhì)量為349 kg，約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的8%，與鈦合金空心葉片相比，質(zhì)量減少66%，強(qiáng)度提高100%。經(jīng)過十余年的運(yùn)行，GE90 發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片已累計(jì)飛行107 h 以上，僅有3 片復(fù)合材料風(fēng)扇葉片被更換；GEnX 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了更高效率的低半徑比的復(fù)材風(fēng)扇葉片，成功實(shí)現(xiàn)減重159 kg；Leap–X 系列發(fā)動(dòng)機(jī)利用復(fù)材風(fēng)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(fù)材葉片發(fā)動(dòng)機(jī)的成功應(yīng)用，證明了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片適用于要求嚴(yán)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(jìn)型也使用了復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，并為羅·羅公司后續(xù)計(jì)劃的Advance 3 和UltraFan 發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目風(fēng)扇葉片的制造打下基礎(chǔ)。

目前國外各發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片材料使用及制造工藝見表1。

表1 國外各發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片材料使用及制造工藝

本文就航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片的材料選擇、鋪層設(shè)計(jì)、成型工藝及其模具的設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行總結(jié)概括，同時(shí)介紹了國外公司關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)制造情況，為以后航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制備提供參考。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作溫度在130 ℃以下，因此適合采用輕質(zhì)、高強(qiáng)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(fù)合材料的風(fēng)扇葉片，之后為提高葉片的抗分層性能和抗剪強(qiáng)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片同樣采用預(yù)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(huì)跟金屬一樣產(chǎn)生磨損，也無須重復(fù)更換。GE 公司最新研制的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X 的風(fēng)扇葉片采用了先進(jìn)的三維掠形設(shè)計(jì)，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(qiáng)，玻纖含量5% ~10%，且金屬前緣用高強(qiáng)鋼取代鈦合金，整體厚度薄至金屬材質(zhì)葉片。GE9X 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片后緣為玻璃纖維，由于玻纖破壞應(yīng)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(qiáng)度，目前已通過鳥撞測(cè)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片由Snecma 公司研制，將被應(yīng)用于C919、B737max、A320neo 等機(jī)型。葉片采用寬弦、三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)的CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)，Leap–X發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)織樹脂傳遞模塑成型（3–DWRTM）技術(shù)，邊緣采用鈦合金包邊。Snecma 公司于2011 年第1 季度完成了先進(jìn)三維機(jī)織樹脂傳遞模塑成型風(fēng)扇以及復(fù)合材料機(jī)匣的5000 循環(huán)的耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，應(yīng)用該技術(shù)制作的葉片不僅重量輕，而且結(jié)構(gòu)牢固，抗鳥撞能力強(qiáng)，制造成本相對(duì)較低。

UltraFan 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑長達(dá)140 inch，由500 層Hexcel 生產(chǎn)的碳纖維增強(qiáng)的高韌性、耐沖擊環(huán)氧預(yù)浸料HexPly M91 制成，葉片數(shù)量為18 片，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體減重700 kg，成為羅·羅有史以來最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

近期，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司UEC 在研發(fā)PD–35發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，宣布完成了使用“預(yù)浸料鋪層/ 熱壓罐工藝”和“三維機(jī)織/RTM”制造風(fēng)扇葉片的技術(shù)開發(fā)，并在PD–14 發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。使用復(fù)合材料制造的PD–35 發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸風(fēng)扇葉片第1 批樣品預(yù)計(jì)在2022年完成生產(chǎn)。由表1 可知，國外商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)材風(fēng)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(qiáng)度”發(fā)展。

2 制造工藝

2.1 預(yù)浸料手工鋪放/ 熱壓罐固化成型工藝

熱壓罐成型技術(shù)也稱作真空袋– 熱壓罐成型工藝，是航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(yù)浸料疊層與其他工藝輔助材料組合在一起，形成一個(gè)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(yù)浸料手工鋪放/ 熱壓罐固化成型工藝需事先把預(yù)浸料下料切割成設(shè)計(jì)好的形狀，然后人工進(jìn)行預(yù)浸料的鋪疊，之后進(jìn)行熱壓罐固化成型。

2.1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

預(yù)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(zhǔn)備。清理模具、粘貼底層膜、下料。（2）鋪層。按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的鋪層設(shè)計(jì)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(fù)進(jìn)行。（4）熱壓罐固化。先進(jìn)行真空度檢測(cè)，然后進(jìn)罐加壓，按照固化工藝曲線中的速度進(jìn)行升溫，定時(shí)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(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片熱壓罐成型工藝過程

值得注意的是，預(yù)浸料手工鋪放的過程中，用于定位每一塊預(yù)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(dòng)裁布機(jī)對(duì)于預(yù)浸料鋪放的尺寸與位置精度極其重要，兩個(gè)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(yù)浸料手工鋪放工藝精度的關(guān)鍵要素。

2.1.2 模具設(shè)計(jì)

用于復(fù)合材料風(fēng)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(fù)合材料。不同模具材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)分別影響零件的表面溫度場(chǎng)分布和零件固化變形情況。金屬框架式復(fù)合材料風(fēng)扇葉片模具結(jié)構(gòu)由型面、支撐框架和模具底板組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖3 所示，制造材料為40#鋼。

圖3 用于手工鋪層的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片模具

基于三維設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)過程為：（ 1）修整風(fēng)扇葉片數(shù)模的實(shí)體邊緣，提取用作型面的葉片曲面；（ 2）基于提取曲面進(jìn)行模具的型面設(shè)計(jì)；（ 3）激光定位孔、鋪貼線等型面細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；（ 4）進(jìn)行模具的支撐框架板設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)散熱孔與用于框架板裝配的卡槽，其設(shè)計(jì)形式可參考圖4；（ 5）進(jìn)行模具底部的墊板設(shè)計(jì)；（ 6）將各零件進(jìn)行裝配，并裝配上便于運(yùn)輸?shù)牡醵c吊環(huán)。完成框架式模具的初步設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)變分布情況和葉片固化變形結(jié)果等，并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 框架支撐板結(jié)構(gòu)

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

圖5 復(fù)材風(fēng)扇葉片復(fù)合材料模具HexTOOL

HexTOOL 尺寸穩(wěn)定性好，公差穩(wěn)定性和可重復(fù)性媲美Invar 鋼模具，且氣密性、熱學(xué)性能優(yōu)異，重量較輕。其中HexTool M61 由標(biāo)稱層壓纖維體積為55%的高強(qiáng)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(zhǔn)各向同性，適合在180 ℃溫度條件下固化的復(fù)合材料構(gòu)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(chǔ)存12 個(gè)月，室溫下儲(chǔ)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(fù)合材料構(gòu)件，甚至在180 ℃的溫度條件下仍可以耐受數(shù)個(gè)固化周期，在–18 ℃或者更低溫度下可以儲(chǔ)存12 個(gè)月，室溫下可以儲(chǔ)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(fēng)扇葉片。較傳統(tǒng)Invar 鋼模具，HexTOOL 減重達(dá)75%，加熱與固化效率提升了20% 以上。

2.1.3 鋪層設(shè)計(jì)

復(fù)合材料風(fēng)扇葉片鋪層設(shè)計(jì)的主要思路：首先進(jìn)行零件曲面的前處理，然后使用專業(yè)軟件初步設(shè)計(jì)鋪層，再依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、應(yīng)力分布情況和后續(xù)的可制造性分析迭代設(shè)計(jì)以調(diào)整鋪層順序，最后得到滿足要求的葉片鋪層設(shè)計(jì)。其中，針對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的鋪層設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)主要為變曲率變厚度復(fù)雜葉片樣件鋪層順序的調(diào)整。航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的特點(diǎn)是曲面復(fù)雜，且曲率、厚度變化劇烈，使用常規(guī)的鋪層設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片曲面幾何尺寸的精確控制，而使用Fibersim 軟件的自動(dòng)填充功能則比較方便。但通過自動(dòng)填充得到的鋪層設(shè)計(jì)為由大到小的鋪層排列順序，會(huì)導(dǎo)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(yīng)力集中及剝離分層等一系列問題。故需要對(duì)鋪層順序調(diào)整優(yōu)化，即導(dǎo)出鋪層設(shè)計(jì)信息，得到鋪層高度原始排序，然后根據(jù)復(fù)合材料鋪層的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，在Fibersim 中的鋪層秩序管理器中進(jìn)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(shè)計(jì)，榫頭的端面為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)為難點(diǎn)之一，其模型截面如圖7 所示。康永強(qiáng)等?針對(duì)榫頭部分的鋪層設(shè)計(jì)建立了插入層的結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片厚度變化較大，在固化過程中有復(fù)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(yīng)力會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形，影響零件的成型精度。故需要在設(shè)計(jì)固化工藝時(shí)，進(jìn)行固化過程的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)模具和固化工藝曲線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整。針對(duì)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片固化過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形，英國LMAT 公司近年來深入研究和分析了影響復(fù)合材料風(fēng)扇葉片榫頭部分變形程度的關(guān)鍵因素以進(jìn)行精確的固化工藝仿真，進(jìn)而優(yōu)化固化工藝和模具補(bǔ)償設(shè)計(jì)。LMAT 公司研究影響變形程度的關(guān)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(shí)間）、成型壓力、固化放熱、纖維褶皺、固化收縮。

2.2 三維機(jī)織碳纖維增強(qiáng)樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝

如果通過相同的預(yù)浸料鋪層工藝研制小尺寸復(fù)材風(fēng)扇葉片，則會(huì)由于葉片剛性過強(qiáng)無法產(chǎn)生足夠的彈性變形，進(jìn)而無法通過抗外物沖擊試驗(yàn)（ 簡(jiǎn)稱FOD試驗(yàn)）。直到2012 年，Snecma 公司與Albany Engineered Composites公司合作發(fā)展了三維機(jī)織技術(shù)，于是GE 公司與Snecma公司合資創(chuàng)辦的CFM 公司采用“3D WOVEN 機(jī)織結(jié)構(gòu)+ RTM 工藝成型”制造的Leap–X 系列發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片問世，解決了這個(gè)技術(shù)問題，同時(shí)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(yán)格控制纖維體積分?jǐn)?shù)，并保證葉片擁有良好的表面質(zhì)量。

RTM 工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于將碳纖維預(yù)成型體的設(shè)計(jì)與樹脂的模塑過程分離，可以充分發(fā)揮鋪層材料的可設(shè)計(jì)性，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體成型。

用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的RTM工藝首先需要進(jìn)行預(yù)制體的機(jī)織。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的預(yù)制體制備工藝有預(yù)浸料鋪層工藝、三維編織工藝（ 3D Braiding）和三維機(jī)織工藝（ 3DWeaving），其中的核心技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片厚度的連續(xù)變化和固化的一次成型。Leap–X 發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片采用三維機(jī)織– RTM 工藝，其成型過程如圖8 所示。首先進(jìn)行預(yù)制體的三維機(jī)織；然后對(duì)其進(jìn)行切割，扭轉(zhuǎn)鋪放到模具里，進(jìn)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(jī)織預(yù)制體的制備（ 圖 9）和整個(gè)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造。其使用的3D WOVEN /RTM 技術(shù)制備葉片過程的特點(diǎn)是葉片高壓成型前將碳纖維織造成三維機(jī)織結(jié)構(gòu)，然后注入樹脂。

圖8 Leap–X 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片制造過程

圖9 Leap–X 發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片三維機(jī)織過程

對(duì)于復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，由于其外形非常復(fù)雜，RTM 模具上下模的工藝分離面設(shè)計(jì)、注射口、排氣口、密封方式的設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。Snecma 公司使用的RTM 模具和工藝過程如圖10所示?？梢钥吹?，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(fù)合材料風(fēng)扇葉片RTM 工藝

2.3 預(yù)浸料自動(dòng)鋪絲/ 熱壓罐固化成型工藝

預(yù)浸料自動(dòng)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(dòng)鋪絲成型技術(shù)（ Automated fiber placement，AFP）。

2.3.1 模具設(shè)計(jì)

值得注意的是，用于自動(dòng)鋪絲的框架式模具的型面需要與鋪絲機(jī)協(xié)同配合，進(jìn)行鋪絲機(jī)專用定位孔設(shè)計(jì)，并預(yù)留余量區(qū)避免鋪絲頭與模具型面發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)可參考圖11 中羅·羅公司的UltraFan 復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片工裝模具。

圖11 UltraFan 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片自動(dòng)化鋪絲

2.3.2 鋪層設(shè)計(jì)

手工鋪層使用的是整塊的預(yù)浸料坯料，而自動(dòng)鋪絲則使用的是預(yù)浸絲束，由數(shù)千根未捻的纖維絲構(gòu)成，由樹脂預(yù)浸，寬度一般為3.18~25.4 mm，厚度為0.1~0.3 mm，實(shí)際鋪放時(shí)會(huì)在曲邊邊緣形成鋸齒狀邊界，故需在后期進(jìn)行修剪和機(jī)加工。在Fibersim 軟件中進(jìn)行復(fù)合材料風(fēng)扇葉片自動(dòng)鋪絲鋪層設(shè)計(jì)的流程與手工鋪層相同，但需要在軟件層合板設(shè)置中選擇AFP 設(shè)備，并在材料庫中選擇所需預(yù)浸絲束材料。

3 制造工藝對(duì)比分析

3.1 三維機(jī)織和手工鋪層

三維機(jī)織復(fù)合材料的性能相比于傳統(tǒng)層壓板顯示出的優(yōu)點(diǎn)有：

（ 1）可以低成本地制造出例如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片這類復(fù)雜形狀的凈尺寸預(yù)制體；

（ 2）可以針對(duì)特定力學(xué)要求定制每個(gè)部位、不同方向的力學(xué)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(duì)于材料的切口等缺陷不太敏感。

對(duì)于單通道風(fēng)扇葉片，三維機(jī)織結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗分層擴(kuò)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(huì)由于局部鳥撞載荷惡化而發(fā)生斷裂。但雙通道風(fēng)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(jī)織中打緯的難度和紗線磨損，而且手工鋪層復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度普遍高于三維機(jī)織復(fù)合材料，故一般采用鋪層工藝而非機(jī)織。美國GE 公司目前制造復(fù)合材料風(fēng)扇葉片均使用手工鋪層工藝，并成功進(jìn)行了多年商用生產(chǎn)制造，驗(yàn)證了該工藝的穩(wěn)定性和可靠性。手工鋪層工藝和三維機(jī)織工藝的特點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 手工鋪層工藝和三維機(jī)織工藝特點(diǎn)對(duì)比

3.2 手工鋪層和自動(dòng)鋪絲

手工鋪層的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)的成熟度與成功的商用經(jīng)驗(yàn)，而自動(dòng)鋪絲的優(yōu)勢(shì)主要在于工藝流程的自動(dòng)化、高效化、精密化。手工鋪層工藝和自動(dòng)鋪絲工藝的特點(diǎn)對(duì)比見表3。

表3 手工鋪層工藝和自動(dòng)鋪絲工藝特點(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

參考國外制造復(fù)材風(fēng)扇葉片的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)在商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的研制上需要攻克以下難點(diǎn)：復(fù)雜型面大尺寸葉片高精度成型高效傳熱長壽命模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、復(fù)雜氣動(dòng)外形風(fēng)扇葉片鋪層設(shè)計(jì)技術(shù)，以及復(fù)合材料風(fēng)扇葉片預(yù)制體三維機(jī)織技術(shù)、纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)、無損檢測(cè)與質(zhì)量控制技術(shù)。并有以下3 點(diǎn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

（1）材料形式混雜化。GE9X 使用的GE 第四代混雜材料風(fēng)扇葉片葉身主區(qū)域?yàn)樘祭w/ 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(qiáng)/ 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(dòng)機(jī)復(fù)材風(fēng)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(qiáng)度，國內(nèi)也需要研究適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的復(fù)合材料，建立基于國內(nèi)碳纖維材料的復(fù)合材料高韌性材料體系。

（2）制造工藝自動(dòng)化、自適應(yīng)化。復(fù)合材料風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)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(jìn)行鋪層，可能出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的鋪疊偏差，進(jìn)而影響葉片整體外形。如Snecma 公司在Leap–X 風(fēng)扇葉片上使用的三維機(jī)織技術(shù)與羅·羅公司在UltraFan 上采用的機(jī)器人自動(dòng)鋪絲鋪絲技術(shù)，均使用自動(dòng)化成形技術(shù)以提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，減少人為操作導(dǎo)致的偏差，同時(shí)機(jī)械臂的柔性應(yīng)用空間與三維機(jī)織技術(shù)的可設(shè)計(jì)性大大提高了制造工藝的自適應(yīng)性，可用于其他復(fù)雜外形復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)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(fù)合材料構(gòu)件的制造中，模具是決定構(gòu)件質(zhì)量、成本和周期的重要因素。為了保持復(fù)合材料構(gòu)件高溫固化時(shí)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(fù)雜外形復(fù)合材料構(gòu)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(fù)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(shù)的同時(shí)，也需要探究新型的模具材料，提高葉片制造的效率同時(shí)降低成本。由以上趨勢(shì)可以看出，隨著制造技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造工藝整體正朝著自動(dòng)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(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造工藝應(yīng)用進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù), 2022, 65(13): 84–91.）

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