樹(shù)脂基復(fù)合材料在國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用狀況

近些年美國(guó)通用電氣公司(USA, general electric company, GE或通用電氣)、美國(guó)普拉特·惠特尼公司(USA, pratt & whitney group, P&W或普·惠)、英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司(UK, rolls-royce group, R·R或羅·羅)等在樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)部件應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展。以普·惠公司為例，1970年首先在JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)上使用玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備了風(fēng)扇整流錐。為了進(jìn)一步減重，1981年采用芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備了JT9D-TR4發(fā)動(dòng)機(jī)整流錐。之后樹(shù)脂基復(fù)合材料被大量應(yīng)用于普·惠發(fā)動(dòng)機(jī)上，如PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂傳遞模塑工藝(resin transfer moulding, RTM)制備的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂風(fēng)扇葉片墊塊、PW4168發(fā)動(dòng)機(jī)雙馬樹(shù)脂復(fù)合材料整流罩和碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料反推力裝置等短艙部件。圖1中列出了目前國(guó)外民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用部位、材料體系及制備工藝。圖中1~12依次為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元匣、進(jìn)氣道消聲襯板、風(fēng)扇葉片、進(jìn)氣整流錐、進(jìn)氣整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)檢視門(mén)、反推力裝置、壓氣機(jī)整流罩、外涵道、出口導(dǎo)流葉片、風(fēng)扇機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等部件。以下將對(duì)國(guó)外民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型樹(shù)脂基復(fù)合材料部件應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.風(fēng)扇葉片

20世紀(jì)七十年代，羅·羅公司最早嘗試將碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用于RB211發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。但由于所使用復(fù)合材料基體韌性較低，最終未能通過(guò)風(fēng)扇葉片鳥(niǎo)撞測(cè)試，導(dǎo)致該型發(fā)動(dòng)機(jī)沿用了傳統(tǒng)鈦合金風(fēng)扇葉片。

隨著低質(zhì)量、高進(jìn)氣效率、大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)及樹(shù)脂基復(fù)合材料性能的提高，上世紀(jì)90年代通用電氣公司選取美國(guó)赫氏公司(USA, Hexcel Corporation) HexPly 8551-7韌性環(huán)氧樹(shù)脂為基體，IM7碳纖維為增強(qiáng)纖維，采用單向預(yù)浸料模壓工藝制備GE90發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣風(fēng)扇葉片。葉片表面涂覆聚氨酯防腐涂層提高葉片抗腐蝕性能。葉片前緣使用美國(guó)3M公司(USA, 3M Company) AF191膠黏劑粘接鈦合金薄片增強(qiáng)葉片抗沖擊性能。葉片根部具有自潤(rùn)滑特氟龍耐磨層（圖2（a））。此后通用電氣公司GEnx和GE9X型發(fā)動(dòng)機(jī)均采用樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。

在適用于單通道客機(jī)的中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)方面，傳統(tǒng)CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈦合金風(fēng)扇葉片及合金鋼金屬機(jī)匣。為進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，降低燃油消耗，美國(guó)通用電氣和法國(guó)賽風(fēng)集團(tuán)(France, Safran Group)旗下斯奈克瑪公司(SNECMA)合資成立的CFM國(guó)際公司(USA & France, CFM international company, CFMI)開(kāi)發(fā)了LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)。LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片采用3D整體編織技術(shù)制備了具有三維交織結(jié)構(gòu)且近似零尺寸誤差的纖維預(yù)成型體（圖2（b））。通過(guò)樹(shù)脂傳遞模塑工藝灌注樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)纖維浸潤(rùn)和樹(shù)脂固化（圖3）。其中纖維三維編織結(jié)構(gòu)可有效提高葉片抗沖擊性能。

2020年1月上旬，羅·羅公司在英國(guó)布里斯托開(kāi)始了名為“超級(jí)風(fēng)扇”(UltraFan?)的發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)制造。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用全樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣。風(fēng)扇葉片由碳纖維/韌性樹(shù)脂預(yù)浸料鋪貼固化而成。葉片前緣采用與GE90風(fēng)扇葉片相似的鈦合金包邊起抗腐蝕和異物沖擊作用。羅·羅公司預(yù)計(jì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)服役后，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)整體減重700 kg，相比第一代遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)更為省油，降低至少25%的二氧化碳排放。

圖1 樹(shù)脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

圖2 GE90（a）及 LEAP系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片（b）

圖3 LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片制造過(guò)程

(a) 三維纖維預(yù)成型體制備；(b) 纖維預(yù)成型體裝模；

(c) 樹(shù)脂灌注固化；(d) 葉片成品件

2.風(fēng)扇機(jī)匣

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片因遭受撞擊或疲勞斷裂時(shí)，風(fēng)扇機(jī)匣對(duì)脫落葉片起包容作用，避免其對(duì)飛機(jī)其他部分造成損害。因而風(fēng)扇機(jī)匣是維系飛機(jī)服役安全可靠的重要部件。

早期渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片多為鈦合金材質(zhì)，一旦脫落對(duì)風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊能量較大。風(fēng)扇機(jī)匣多采用鋁合金、鈦合金或高強(qiáng)度合金鋼制造，以增加結(jié)構(gòu)厚度提高包容效果，稱為硬包容。之后研發(fā)出以環(huán)形金屬機(jī)匣殼體為內(nèi)襯，外部依次纏繞若干圈芳綸纖維編織條帶為保護(hù)層的復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)匣，依靠芳綸纖維層易于發(fā)生大變形吸能的特點(diǎn)捕獲碎片，故而稱為軟包容。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇涵道比日趨增大，風(fēng)扇部分在發(fā)動(dòng)機(jī)總重中占比變大，高性能輕量化的要求越發(fā)迫切。伴隨著GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的成熟使用，在后續(xù)GEnx型發(fā)動(dòng)機(jī)上GE公司研發(fā)了全復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣。該機(jī)匣采用自動(dòng)化二維三軸編織技術(shù)將日本東麗公司(Japan, Toray Industries,Inc) TORAYC T700碳纖維按0°及±60°三個(gè)方向編織成厚度為7.62 mm纖維預(yù)成型體。利用樹(shù)脂傳遞模塑工藝灌注CYCOM PR520環(huán)氧樹(shù)脂(比利時(shí)索爾維集團(tuán)(Belgium, Solvay Group)旗下氰特公司(Cytec Industries)產(chǎn)品)固化成型。法國(guó)賽風(fēng)集團(tuán)旗下斯奈克瑪公司也采用了增強(qiáng)纖維3D編織技術(shù)及樹(shù)脂傳遞模塑工藝制備了LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，如圖4所示。

圖4 民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣結(jié)構(gòu)變化

3.聲襯

進(jìn)氣風(fēng)扇噪聲已成為現(xiàn)代大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源。在進(jìn)氣道內(nèi)鋪設(shè)聲襯是航空發(fā)動(dòng)機(jī)消聲降噪的重要方式之一。聲襯所具有的穿孔板蜂窩結(jié)構(gòu)可視為數(shù)個(gè)并聯(lián)的亥姆霍茲共振結(jié)構(gòu)。當(dāng)其共振頻率與噪聲頻率匹配時(shí)起到消聲效果。傳統(tǒng)單自由度聲襯噪聲吸收頻帶較窄，多自由度聲襯雖能拓寬吸聲頻帶，但也存在加工工藝復(fù)雜、尺寸較大、結(jié)構(gòu)增重較多的問(wèn)題。

基于以上問(wèn)題，赫氏公司開(kāi)發(fā)了商品名為Acousti-Cap的隔帽內(nèi)嵌式蜂窩，如圖5所示。由表面穿孔柔性材料（如聚醚醚酮，PEEK）折疊成隔帽形狀嵌入蜂窩腔中膠粘定位，從而起到雙自由度聲襯中聲學(xué)隔膜的作用。蜂窩聲阻抗特性可以由以下3個(gè)因素調(diào)節(jié)：（a）蜂窩腔中隔帽數(shù)量；（b）蜂窩腔中隔帽位置；（c）不同種類聲阻抗特性隔帽。相比傳統(tǒng)多自由度聲襯，采用該種蜂窩制備聲襯厚度較薄所需安裝空間小，聲襯整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國(guó)際等公司生產(chǎn)的多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅減輕了質(zhì)量而且實(shí)現(xiàn)了多達(dá)30%的噪聲衰減。

傳統(tǒng)進(jìn)氣道消聲板為拼接分片式設(shè)計(jì)，拼接造成進(jìn)氣道壁面聲阻抗不連續(xù)削弱了消聲效果。受益于復(fù)合材料進(jìn)氣道無(wú)拼接聲襯設(shè)計(jì)，歐洲空中客車(chē)公司(Airbus)早期A320飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道聲襯拼縫為3片15 cm，之后A340-600飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為2片7.5 cm寬。采用樹(shù)脂基復(fù)合材料整體成型工藝后，A380飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為環(huán)形無(wú)拼接聲襯（圖6）。

圖5 隔帽內(nèi)嵌式蜂窩制造示意圖（a)及等深（b)、非等深（c）隔帽式蜂窩實(shí)物圖

圖6 民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道拼接式與無(wú)拼接式消聲板

4.襯套

傳統(tǒng)樹(shù)脂基復(fù)合材料基體耐溫性能較低，通常應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端結(jié)構(gòu)及外部覆蓋件。以聚酰亞胺樹(shù)脂為代表的耐高溫樹(shù)脂基體研發(fā)使樹(shù)脂基復(fù)合材料用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)近熱端部件成為可能。聚酰亞胺襯套是樹(shù)脂基復(fù)合材料在壓氣機(jī)等耐溫要求較高部位的典型應(yīng)用之一。襯套用聚酰亞胺復(fù)合材料不僅滿足長(zhǎng)期工作溫度280 ℃左右，短時(shí)經(jīng)受400 ℃以上的耐溫要求，同時(shí)具有良好的熱尺寸穩(wěn)定性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)、優(yōu)異的耐磨損性能和力學(xué)性能。美國(guó)杜邦公司(USA, DuPont Company)開(kāi)發(fā)了Vespel系列聚酰亞胺復(fù)合材料，其中包括石墨填充聚酰亞胺復(fù)合材料（如Vespel SP-21、SP-22等）及碳纖維織物增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料（如：Vespel CP-8000、CP-0664等）。該系列聚酰亞胺復(fù)合材料已應(yīng)用于羅·羅公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片襯套，如圖7所示。

圖7 航空發(fā)動(dòng)機(jī)聚酰亞胺復(fù)合材料襯套

5.反推力裝置

材料和結(jié)構(gòu)同時(shí)成型是樹(shù)脂基復(fù)合材料區(qū)別于金屬材料的特點(diǎn)之一。這為航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型復(fù)雜部件的整體化設(shè)計(jì)、一體化制造提供了可能。美國(guó)奈賽公司(USA, Nexcelle)摒棄了傳統(tǒng)的分離式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，在中國(guó)商飛公司(China, commercial aircraft corporation of china, Ltd., COMAC) C919大型客機(jī)裝備的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)發(fā)了集成式推進(jìn)系統(tǒng)（integrated propulsion system, IPS）。其中包括一體式復(fù)合材料進(jìn)氣整流罩和整體復(fù)合材料“O型”滑動(dòng)反推裝置，如圖8所示。

圖8 LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)一體式整流罩和“O型”滑動(dòng)反推裝置

展望

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，樹(shù)脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。樹(shù)脂基復(fù)合材料不僅降低了航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，在發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面也起到了積極的推動(dòng)作用。其用量已成為衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

國(guó)外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用方面已經(jīng)積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和服役經(jīng)驗(yàn)，在多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已獲得較為成熟的應(yīng)用。相比而言，我國(guó)在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料部件研發(fā)應(yīng)用方面還存在一定差距。需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料、制造工藝、驗(yàn)證評(píng)價(jià)等諸多方面進(jìn)行趕超。相信隨著國(guó)內(nèi)樹(shù)脂基復(fù)合材料技術(shù)的日益進(jìn)步，我國(guó)樹(shù)脂基復(fù)合材料在民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用必將迎來(lái)突破性發(fā)展。

原文出自《材料工程》：

馬緒強(qiáng)等.民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展[J].材料工程，2020,48(10):48-59.

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000440 

由中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)主辦的第八屆國(guó)際復(fù)合材料科技峰會(huì)（ISCT8）作為學(xué)會(huì)目前最高端、最前沿、最先進(jìn)的學(xué)術(shù)峰會(huì)，將于2020年11月5日-7日（4日?qǐng)?bào)到）在廣東省東莞市、廣東國(guó)際現(xiàn)代展覽中心舉辦。

本次峰會(huì)面對(duì)復(fù)合材料市場(chǎng)的新需求、新情況、新變化，圍繞復(fù)合材料行業(yè)“新理念、新態(tài)勢(shì)、新動(dòng)向”，搭建“產(chǎn)政學(xué)研用”為一體的合作平臺(tái)，通過(guò)資源協(xié)同，準(zhǔn)確把握世界復(fù)合材料在前沿技術(shù)研究及創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展，促進(jìn)國(guó)內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)的合作與交流，引導(dǎo)復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的加速突破，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

為此我們精心籌備了4大復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流分論壇，涵蓋復(fù)合材料理論及應(yīng)用、復(fù)合材料工藝及技術(shù)、復(fù)合材料測(cè)試及評(píng)價(jià)、綠色復(fù)合材料及能源材料各個(gè)方面，每個(gè)分會(huì)場(chǎng)都邀請(qǐng)了三名相關(guān)領(lǐng)域的院士擔(dān)任此分會(huì)場(chǎng)的榮譽(yù)主席，宏觀把控分會(huì)場(chǎng)的整體水準(zhǔn)；每個(gè)分會(huì)場(chǎng)邀請(qǐng)兩位行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的知名專家擔(dān)任此分會(huì)場(chǎng)的執(zhí)行主席，與學(xué)會(huì)秘書(shū)處配合，共同進(jìn)行分會(huì)場(chǎng)的組織、構(gòu)建及審核等工作，確保各個(gè)分會(huì)場(chǎng)的高水準(zhǔn)。

同期舉辦的第四屆國(guó)際復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新成果技術(shù)展覽會(huì)（ICIE4）展覽面積將達(dá)10000平方米。峰會(huì)同期舉辦第五屆“光威杯”中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)大學(xué)生科技創(chuàng)新競(jìng)賽決賽、《復(fù)合材料行業(yè)報(bào)告》發(fā)布會(huì)、新材料產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新高峰論壇暨產(chǎn)業(yè)推介會(huì)、2020中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)品牌會(huì)員評(píng)選活動(dòng)等多項(xiàng)活動(dòng)。

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