渦輪發(fā)動機復(fù)合材料葉片用增強織物研究進展

陳 利 ，陳 冬 ，容治軍 ，孫 穎 ，孫 緋

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津300387）

自20世紀50年代末出現(xiàn)第一代渦輪發(fā)動機后，渦輪發(fā)動機的發(fā)展取得巨大的成就[1-4].風(fēng)扇葉片作為渦輪發(fā)動機的關(guān)鍵部件，在工作狀態(tài)下與流體表面接觸，需要承受較大的流動載荷，當(dāng)每個葉片產(chǎn)生0.1°葉角差時，葉片的快速旋轉(zhuǎn)會使氣體阻塞和失速，甚至發(fā)生喘震破壞，因此渦輪發(fā)動機的性能與風(fēng)扇葉片的發(fā)展密切相關(guān)[5].傳統(tǒng)的金屬材料振動性能不夠理想，葉片在工作中易產(chǎn)生震顫破壞，而且改善振動性能的同時會增加葉片質(zhì)量，給葉片的制作帶來了很多困難[6].

葉片是渦輪發(fā)動機最重要的部件之一，約占發(fā)動機總質(zhì)量的30%～35%，其中葉片質(zhì)量每減少1 kg，風(fēng)扇機匣的質(zhì)量相應(yīng)減少1 kg，傳動系統(tǒng)質(zhì)量減少1 kg，同時發(fā)動機結(jié)構(gòu)質(zhì)量將減少0.5 kg[7].以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進復(fù)合材料具有高比強度和高比模量、良好的耐腐蝕性和疲勞耐久性以及整體成形性和非線性振動等特征，渦輪發(fā)動機采用先進復(fù)合材料是實現(xiàn)高效率和減重的唯一途徑[8].與鈦合金葉片相比，復(fù)合材料葉片數(shù)量減少50%，質(zhì)量減輕60%，具有高效率、低噪音、低油耗等優(yōu)勢，其抗鳥撞和吞鳥能力也得到了適航認可[9].

增強織物作為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)骨架，它的作用類似于建筑物中的鋼筋結(jié)構(gòu)框架，不但影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，而且決定著葉片的承載能力、疲勞性能以及運行穩(wěn)定性等[10].本文在介紹國內(nèi)外復(fù)合葉片發(fā)展的基礎(chǔ)上，對葉片用復(fù)合材料增強織物的研究現(xiàn)狀進行概述，提出了未來渦輪葉片用增強織物的發(fā)展方向，以期為復(fù)合材料葉片的設(shè)計提供技術(shù)參考.

1 復(fù)合材料葉片發(fā)展現(xiàn)狀

渦輪葉片的理想特性是：在軟物撞擊（鳥撞擊）試驗之后保持葉型剖面；對高循環(huán)疲勞不敏感；當(dāng)發(fā)生葉片脫落時相鄰葉片損傷最??；兩次維修之間的平均時間間隔最長；安全裕度提高；一致/可重復(fù)加工性和尺寸穩(wěn)定性；風(fēng)扇葉片一體化[11].采用復(fù)合材料能夠更好地滿足以上要求，各國為此進行了大量研究.

早在20世紀60年代末期，英國羅-羅（Rolls-Royce）公司就開始了關(guān)于復(fù)合材料葉片的研制，并率先采用鋪層方法制備碳纖維復(fù)合材料葉片，應(yīng)用于Conway42發(fā)動機，于西非航線上進行飛行鑒定，被暴風(fēng)雨擊傷造成葉片分層[12-13].隨后，美國普拉特-惠特尼（Pratt-Whitney）公司和通用電氣（GE）公司在1968年分別研制了碳纖維復(fù)合材料葉片用于JT9D發(fā)動機和TF-39發(fā)動機.1985年，GE公司利用改性環(huán)氧樹脂，在GE36風(fēng)扇研發(fā)中設(shè)計了一系列復(fù)合材料葉片.1991年，GE公司的GE90發(fā)動機葉片采用碳纖維增強高韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料替代鈦合金材料制備掠形大流量寬弦葉片，至今安全飛行890×106h[14].

2006年，GE公司首次試車的GEnx發(fā)動機，采用了18個高模量碳纖維IMT/8551-7預(yù)浸料熱壓成型的實芯復(fù)合材料葉片，并首次開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料機匣[15-16].至今，GEnx發(fā)動機是世界上唯一采用復(fù)合材料風(fēng)扇機匣和葉片的渦扇噴氣發(fā)動機，其質(zhì)量更輕，有效載荷性能更好，耐久性更高，其飛行成本、油耗和噪聲更低[17].2008年，法國斯奈克瑪（SNECMA）公司和美國GE公司聯(lián)合的國際發(fā)動機公司（CFM）研發(fā)了LEAP-X1C發(fā)動機，首次采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝制備碳纖維三維機織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片，與現(xiàn)役CFM56系列發(fā)動機相比，LEAP-X1C發(fā)動機油耗降低16%，二氧化碳排放量減少16%，氮氧化物排放量減少40%，并且更為安靜[18].2014年，英國羅-羅（Rolls-Royce）公司Advance和UltraFan發(fā)動機的碳-鈦合金混雜復(fù)合材料葉片成功通過了首次裝機試飛[19].三維織物增強高韌性樹脂復(fù)合材料葉片技術(shù)為葉片損傷容限的提高提供了更廣闊的設(shè)計空間.

圍繞復(fù)合材料發(fā)動機風(fēng)扇葉片，我國也開展了一些卓有成效的研究工作.2000年，航空材料研究院研發(fā)出二維編織復(fù)合材料葉片.2004年，北京航空航天大學(xué)和南京航空航天大學(xué)對RTM技術(shù)仿真和三維織物復(fù)合材料葉片的研究現(xiàn)狀分別作了綜述，呼吁我國盡早開展此方面研究[20].2016年，西安交通大學(xué)根據(jù)渦輪葉片在工作時的受力，設(shè)計出一種纖維定向增強陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片[21].巨大的全球航空市場使航空發(fā)動機的需求量迅速擴大，作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件，發(fā)動機葉片的需求量十分可觀.

2 復(fù)合材料葉片增強織物的研究進展

目前國內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料葉片的設(shè)計和制備取得了多項研究成果，例如實心碳纖維葉片、實心混雜纖維葉片、超混雜葉片等.增強織物織造技術(shù)是制備復(fù)合材料葉片的核心技術(shù)之一，根據(jù)發(fā)動機推力和適用性，國外主要采用了2種復(fù)合材料葉片增強織物制備技術(shù).其中適用于B777、B787和A350等雙通道客機且具有較大推力和較大葉盤直徑的GE90、GEnx、Trent 1000和Trent XWB渦扇發(fā)動機葉片，其增強織物采用IM/8551-7及IM7/M91預(yù)浸料，并運用激光定位手工/自動化成型.而最新開發(fā)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(fā)動機葉片，其增強織物采用了IM7碳纖維預(yù)浸料和結(jié)合RTM自動化技術(shù)成型的三維編織結(jié)構(gòu)[22].綜上所述，復(fù)合材料葉片增強織物的制造工藝主要包括預(yù)浸料鋪放（鋪層）技術(shù)和三維織物織造技術(shù)[23].

2.1 復(fù)合材料鋪層技術(shù)

復(fù)合材料鋪層技術(shù)是將二維纖維預(yù)浸料按設(shè)計角度、位置、層數(shù)精密鋪覆，形成三維紡織結(jié)構(gòu)[24].鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片的缺陷是厚度方向沒有纖維連接，導(dǎo)致葉片抗沖擊性能不理想，當(dāng)葉片受到外來異物沖擊時，容易產(chǎn)生分層破壞而導(dǎo)致葉片整體失效.

2.1.1 二維預(yù)浸料或織物鋪層復(fù)合材料

美國通用電氣公司GE90發(fā)動機風(fēng)扇葉片由400層預(yù)浸帶從葉根到葉尖逐漸鋪層制得；俄羅斯研制的航空發(fā)動機風(fēng)扇外殼機匣使用復(fù)合材料，葉片螺旋層區(qū)域由二維鋪層復(fù)合材料組成；日本JAXA宇航研究中心研制的鋪層復(fù)合材料葉片采用了反對稱鋪層方式，改善復(fù)合材料葉片的力學(xué)性能；捷克技術(shù)大學(xué)為往復(fù)式發(fā)動機驅(qū)動的帶導(dǎo)流罩的軸流風(fēng)機設(shè)計的葉片和驅(qū)動軸采用了碳/環(huán)氧復(fù)合材料.上述材料主要由二維預(yù)浸料或織物鋪層構(gòu)成.

2.1.2 混雜纖維復(fù)合材料和超混雜復(fù)合材料

單一纖維增強體復(fù)合材料存在自身缺陷，于是人們開發(fā)了用碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維甚至輕質(zhì)金屬材料混合的方法，這些方法是提高葉片的抗分層性能以及保護能力的有效途徑之一.為提高鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片的抗沖擊性能，F(xiàn)riedrich[25]提出了3種方案：①葉根和葉身表面采用碳纖維與玻璃纖維或芳綸纖維預(yù)浸料混雜，混雜比為4∶1，纖維鋪層結(jié)構(gòu)為[0°/22°/0°/-22°]；②14 層碳纖維或芳綸纖維預(yù)浸料制成葉芯，分別用碳纖維和芳綸纖維（或分別用碳纖維和玻璃纖維）預(yù)浸料交替包覆，交替包覆鋪層角為[0°/22°/0°/-22°]；③在碳纖維復(fù)合材料葉片葉尖處設(shè)計4層角度為80°和45°的芳綸纖維層.經(jīng)抗大鳥撞擊試驗驗證，3類7種鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片中，第①類和第③類混雜纖維鋪層復(fù)合材料葉片具有更好的抗沖擊性能.受到大鳥沖擊時，葉身表面和葉根部的玻璃纖維使葉片具有更高的失效應(yīng)變，采用芳綸纖維可在解決抗分層問題的同時有效提高葉尖的局部抗損壞能力.

1975年，通用電氣公司Carlson等[26]采用高性能纖維與金屬纖維的超混雜鋪層結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料葉片的整體性能，該設(shè)計將內(nèi)部網(wǎng)狀層與長絲/基質(zhì)材料的層壓結(jié)構(gòu)相結(jié)合，與葉身邊緣呈45°方向配置鋪放類似于平紋布的金屬網(wǎng)，有效地保護了葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu).1979年，通用電氣公司Salemme等[27]再次設(shè)計了復(fù)合材料葉片的超混雜結(jié)構(gòu)，由碳纖維預(yù)浸料、金屬網(wǎng)、鎳鍍層組成，這種葉片前緣的混雜鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計使得葉片受外物撞擊時能夠吸收和傳導(dǎo)更多的能量，更好地保護葉身；而且在鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬網(wǎng)層起到連接上下預(yù)浸料層的作用，顯著提高葉片的層間性能；制備過程中，要求金屬纖維網(wǎng)層與碳纖維預(yù)浸料層在模具作用下協(xié)調(diào)扭曲變形并固化，最終在葉片前緣固化一層金屬網(wǎng)并在金屬網(wǎng)上鍍一層厚度為0.005～0.127 cm的鎳.這種設(shè)計類似于文獻[26]的超混雜結(jié)構(gòu).

2.2 復(fù)合材料三維織造技術(shù)

三維織物是指由多層紗線立體交織構(gòu)成的高厚織物，包括具有復(fù)雜形狀的中空結(jié)構(gòu)或三維薄殼結(jié)構(gòu)織物[28].三維織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片是三維織造技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.進入21世紀，航空發(fā)動機對高損傷容限復(fù)合材料的強烈需求推動著復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶韌性的方法很難滿足高損傷容限的要求，在此背景下，三維織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)運而生.其中，三維織物結(jié)構(gòu)具有多向纖維束構(gòu)成的空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了沿厚度方向的力學(xué)性能[29]，從根本上克服了分層現(xiàn)象，具有較好的抗沖擊韌性和抗疲勞特性，并能夠直接成型多種復(fù)雜形狀，為設(shè)計和制造凈尺寸復(fù)合材料部件提供了新思路.

葉片如何在織造過程中形成與模具相近的近凈體，在自然狀態(tài)下預(yù)制件緊密地鋪覆在腔膜內(nèi)保持空間扭轉(zhuǎn)狀，一直是葉片用三維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計需要解決的難題.2006年，美國國家宇航局（NASA）Dambrine等[30]提出了一種葉片預(yù)成型體的三維織造方法，如圖1所示.

圖1（a）為織物組織沿經(jīng)向的橫截面，共有10個類似的橫截面連接組成一個完整的循環(huán)結(jié)構(gòu)；圖1（b）為葉片厚度區(qū)域分布圖，從葉根到葉尖厚度逐漸減小，圖中虛線為等厚度分隔線.

2011年，斯奈克瑪動力部件公司（Snecma）Coupet等[31]通過控制三維織物組織結(jié)構(gòu)、紗線細度的方法實現(xiàn)了葉片厚度的連續(xù)變化，如圖2所示.

圖1 葉片預(yù)成型體三維織物設(shè)計示意圖Fig.1 3D fabric design diagram of blade preform

圖2 三維機織葉片預(yù)成型體減緯紗示意圖Fig.2 Weft subtraction diagram of 3D weaving blade preform

圖2中，沿Y方向作為織物厚度增加方向，其中右側(cè)8枚經(jīng)紗與7層緯紗形成多重緞紋織物，在織物厚度變化的過程中，分成兩個4枚經(jīng)紗和3層緯紗交織的多重緞紋結(jié)構(gòu)，這種分層織造使一根緯紗不參與織造從而實現(xiàn)減厚的效果.在減紗過程中，經(jīng)紗左右移動使得織物結(jié)構(gòu)在減厚的同時改變織物寬度.

2017年，天津工業(yè)大學(xué)容治軍[32]織造了一種葉片用三維機織物，這種三維織物組織結(jié)構(gòu)類似多層緞紋組織，在厚度方向整體連接，直接降低紗線交織密度，紗線在經(jīng)緯向產(chǎn)生小范圍移動，實現(xiàn)了葉片預(yù)成型體擁有良好變形性和可定型性的復(fù)合工藝要求，其組織循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 三維織物組織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 3D fabric structure diagram

圖3中，沿X方向為緯紗，Y方向為經(jīng)紗，連接緯紗的直線為輔助線.緯紗的交錯配置使兩個交織點間的經(jīng)紗段與水平方向的夾角約為3°，使得經(jīng)緯紗近似的呈水平分布且層層相連.

綜上所述，增強織物制造技術(shù)主要包括預(yù)浸料鋪放（鋪層）技術(shù)和三維織物織造技術(shù)[33]，值得注意的是，預(yù)浸料鋪放技術(shù)層間能較差，一直制約其發(fā)展，而三維織物織造技術(shù)更好的解決了這一難題.三維織物織造技術(shù)主要優(yōu)點包括：①可以靈活地設(shè)計整個增強織物結(jié)構(gòu)，比如葉片頂部更薄，根部更厚，減少鋪層設(shè)計分層缺陷的產(chǎn)生；②采取連續(xù)變截面設(shè)計能夠更好地承擔(dān)載荷；③擁有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，更高的損傷容限；④設(shè)計匹配性好的一次成型結(jié)構(gòu)，減少后續(xù)加工成本.

3 葉片用三維織物亟待解決的問題

三維織造技術(shù)[34]存在沿厚度方向的纖維，具有更好的綜合力學(xué)性能、更高的損傷容限等特性，但與傳統(tǒng)金屬材料和鋪層結(jié)構(gòu)相比，三維織物增強復(fù)合材料葉片織造技術(shù)在應(yīng)用中起步較晚，不夠成熟.因此，關(guān)于三維織造技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝控制還存在很多挑戰(zhàn)，許多研究工作需要開展：

（1）三維織物結(jié)構(gòu)靈活的可設(shè)計性，使其材料結(jié)構(gòu)多樣化.結(jié)合復(fù)合材料的失效判據(jù)，采用類“積木式”實驗方法策略，建立整體化葉片預(yù)成型體微-細觀結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的定量表達，建立柔性化織造全過程的質(zhì)量控制依據(jù).制定與三維機織復(fù)合材料制備有關(guān)的系列工藝標準，進一步完善三維織物結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計.

（2）結(jié)合現(xiàn)代化紡織技術(shù)，進行多學(xué)科技術(shù)交流，進一步提高三維織物自動化制造技術(shù)，完善三維織物結(jié)構(gòu)材料-設(shè)計-工藝一體化行業(yè)標準，盡早實現(xiàn)三維織物結(jié)構(gòu)快速-低成本織造技術(shù).

（3）葉片工作在極端載荷和惡劣環(huán)境下，受到鳥撞等外物撞擊、高周疲勞、振動、材料缺陷等因素影響，作為準確數(shù)值模擬仿真的基礎(chǔ)，建立用于制造葉片的三維機織復(fù)合材料按損傷容限設(shè)計的性能數(shù)據(jù)庫和按可靠性概率設(shè)計所需的統(tǒng)計性能數(shù)據(jù)庫.

（4）開展三維織物復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究，分析織物結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、鈦合金工藝對性能影響的試驗驗證工作.

4 結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外渦輪復(fù)合材料葉片的現(xiàn)狀和發(fā)展，采用樹脂基復(fù)合材料是提高發(fā)動機效率最為有效的手段，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的探索和努力，取得了一定的研究成果.相較三維織造技術(shù)，鋪層技術(shù)更為成熟，應(yīng)用廣泛，但是鋪層結(jié)構(gòu)較差的層間性能是制約其發(fā)展的重要因素，三維織物成功解決了層間性能缺陷，并為先進復(fù)合材料設(shè)計提供了新的思路和方法.如今新型制造技術(shù)日新月異，希望不久的將來三維織造技術(shù)成為新一代渦輪復(fù)合材料葉片增強材料的主流.