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航空发动机先进材料高性能零部件制造技术进展

第一篇：航空发动机先进材料高性能零部件制造技术进展过去10多年中，IHPTET等研究计划将低涵道比涡扇发动机的推重比逐步提高了60％以上，达到了10:1，而ADVENT计划还在进一步实现变循环发动机技术的跨越；商用大推力大涵道比航空发动机也在控制油耗、改进效率、降低噪声、提高安全可靠性、削减研制生产成本等多个方面取得了重要进步。主要的航空发动机制造商——通用电气（GE）、罗尔斯·罗伊斯、普惠和赛峰等所取得的这些重大成就都与其在航空发动机先进加工制造技术中的不断进步密不可分。GE9X、GEnx、LEAP、Trent1000及PW8000等新型航空发动机的试验研究和研制经历都表明，具有很高机械物理性能的新材料零部件的可加工性、可生产性的改善及其工程化应用，是航空发动机从机体结构减重和涡轮工作温度增高两方面提升性能，改进效率，取得持续进步的重要推动力。新型复合材料风扇的加工制造技术碳纤维增强环氧树脂复合材料风扇大涵道比涡扇发动机的碳纤维增强环氧树脂复合材料(CFRP)风扇叶片加工制造技术已经日益成熟。如图1所示，GE90系列的大型CFRP风扇叶片约有1.2m长，经过超声切割技术精确加工的数百层碳纤维预浸料布，进行铺设后进行热压制成。风扇叶形经过先进的计算机三元流优化设计，榫头到叶尖的厚度逐步从10cm降低到0.6cm，并采用钛合金（后改为合金钢提高强度）包边增强的方式，重量也仅有22.7kg。此类经过气动优化、大尺寸、少叶数的风扇已经显示了突出优势，GE90-115B的风扇叶片有22个，GEnx降低到18个，而GE9X又降低到了16个，既扩大了涵道比、增大了空气流量，又减少了风扇系统的重量。由于通过外涵道排出空气所形成的推力占据了商用发动机总推力的70%~90%，因此，增大空气流量、减少风扇系统的重量，会带来更好的燃油效率。例如，GE公司指出GE90-115B仅此就提高了约1.5%的燃油效率[1]。CFM公司LEAP发动机的直径约3m，共用了18个总重量为76kg的CFRP叶片，相比之下，CFM56则有36个总重高达150kg的钛合金叶片。新的碳纤维三维编织/树脂传递模塑成形（RTM）制造工艺可以进一步提高风扇叶片的强度，因此，新一代GEnx及LEAP发动机上都将采用这一技术制造风扇叶片。斯奈克玛公司为LEAP发动机CFRP风扇叶片开发的碳纤维三维编织/RTM制造工艺中，长度以千米计的碳纤维进行三维编织后经超声加工方法制成预制体，再在专门开发的RTM模具中注射树脂并进行热压固化制成叶片（图2）。叶片的成型过程需要24h，然后再进行钛合金包边并完成LEAP发动机风扇叶片的最终加工[2]。不过，普惠等公司开展的一些试验也表明，为保证零件强度——例如防鸟撞，CFRP材料风扇叶片要做的比传统钛合金叶片相对厚一些，这会降低发动机的气动性能。因此，在直径较小的发动机上采用超塑成形/扩散连接（SFP/DB）工艺制成风扇叶片的优势仍然存在。这样，风扇叶片可以做的较薄、强度够、气动性能也好。CFM也在进一步将碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）制作的风扇机匣在LEAP发动机上进行测试。2金属基/陶瓷基复合材料风扇金属基/陶瓷基复合材料（MMC/CMC）风扇的研发也一直在深入开展。MMC/CMC材料比CFRP具有更好的强度、刚度以及高温性能，因此，在发动机上多种类型的零件都有较好的应用前景。GE公司在GE9X的技术验证评估中认定，CMC材料轻质高强的特点使得他们能够在与现有GE90的CFRP风扇叶片相同强度的情况下，可以做得更薄，并减少到16个风扇叶片，这有望将发动机效率提高10%。罗尔斯·罗伊斯公司也在一个名为UltraFanTM的项目中对新型C/Ti复合材料叶片进行验证，计划在未来一代大型发动机上替换SPF/DB钛合金风扇叶片。他们预期，如果未来将风扇及机匣都替换为此类C/Ti复合材料，将有望使发动机减重700kg。3新型复合材料风扇的零部件加工制造工艺如何进一步提高新型复合材料的可加工性，以稳定的工艺方法确保表面完整性并降低零件的疲劳破坏概率，仍然是夯实航空发动机新型复合材料工程应用的前提和基础。由于复合材料的内部微结构较常用合金材料要特殊得多，其组成成分构成比较复杂，相对于基体材料，增强相（纤维或者颗粒增强体）的硬脆性高、可加工性普遍很低；运用传统车铣等加工方法时，切削力不稳定、刀具磨损太快、表面完整性差，有时候还会导致纤维和基体结合面上发生纤维拉出、脱开等损坏。近年来，非传统加工方法在CFRP零件加工上的应用取得了明显的效果，如图3、4所示。超声切割、激光切割等方法已经成为碳纤维预制体加工中的重要手段，而水射流加工（包括高压水加工、磨料水射流（AWJ）加工等）在CFRP工件的材料去除上有更好的成