復(fù)合材料增材制造技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用前景

郭步高 吳東波 劉 根

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

材料的研制與直升機(jī)的更新?lián)Q代密不可分，而航空領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊蟾鼮榭量蹋溯p質(zhì)高強(qiáng)外，還需要良好的耐高溫/低溫、耐腐蝕以及抗疲勞等性能。自第三代直升機(jī)誕生以來，隨著制造水平的穩(wěn)步提升，傳統(tǒng)的木質(zhì)和金屬結(jié)構(gòu)件已逐漸被復(fù)合材料所取代，而機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用量也成為評(píng)價(jià)直升機(jī)技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一[1]。

目前，絕大部分復(fù)合材料都在使用傳統(tǒng)的成型方法，較為常用的復(fù)材成型方法有手糊成型、噴射成型、模壓成型以及RTM 成型等。其中，手糊成型歷史悠久，其加工成本低，但精度和穩(wěn)定性難以保持且效率較低。噴射成型損耗大且可控性差。模壓成型及RTM 成型都需要昂貴的模具，不易制作外形復(fù)雜的零件[2]。

隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來，個(gè)性化和數(shù)字化的生產(chǎn)模式孕育而生，在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料成型技術(shù)發(fā)展迅速。隨著增材制造技術(shù)在金屬材料成型上的發(fā)展，越來越多的人將目光投向了復(fù)合材料。增材制造的核心思想是“離散-堆積”，狹義上來說，它是一種以激光、電子束以及電弧等為熱源，熔化粉材、絲材，逐層堆積并形成實(shí)體的技術(shù)；廣義上來說，任何逐層累積的加法制造都屬于增材制造領(lǐng)域，這種新型成型方式不需要模具和鑄鍛設(shè)備，成型快且自動(dòng)化水平高，理論上適合成型各種形狀復(fù)雜的零件。針對(duì)直升機(jī)上各種復(fù)雜且數(shù)量眾多的零部件，將增材制造技術(shù)引入復(fù)合材料成型領(lǐng)域可以有效地克服傳統(tǒng)復(fù)材成型方式帶來的弊端，此外，獨(dú)特的成型方式在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面也有非常重要的作用。

1 復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

自1970 年以來，復(fù)合材料憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞性好、減振性能好、電磁防護(hù)性能好以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸提高了其在航空領(lǐng)域的使用率[1-3]。按照基體材料對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行分類，大致可以分為金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料以及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料。其中，樹脂基復(fù)合材料的用量最大，達(dá)到90%以上。與傳統(tǒng)的金屬材料（例如鋁合金、鋼以及鈦合金等）相比（如圖1 所示），復(fù)合材料在比強(qiáng)度和比模量方面的優(yōu)勢(shì)比較明顯。此外，復(fù)合材料在改善飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量以及提高隱身能力等方面都有自己特有的貢獻(xiàn)，而這些復(fù)合材料大多是由碳纖維、樹脂、金屬以及陶瓷等材料復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)材料。其中，碳纖維增強(qiáng)材料是復(fù)合材料領(lǐng)域的標(biāo)志性產(chǎn)品，它提高了復(fù)合材料的可用性和強(qiáng)度。

圖1 直升機(jī)常用復(fù)合材料與金屬的比強(qiáng)度與比剛度

隨著直升機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)水平及材料的發(fā)展，國內(nèi)外直升機(jī)水平也得到了迅猛發(fā)展。從最初的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)到如今的第三代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，材料從木質(zhì)材料到全金屬材料再到如今的復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)輕量化是目前直升機(jī)研發(fā)制造的熱點(diǎn)。直升機(jī)與固定翼飛機(jī)最大的差異就是提供升力的方式不同，直升機(jī)特有的旋翼使它能夠完成水平移動(dòng)、垂直起落以及空中懸停等動(dòng)作。旋翼作為直升機(jī)的關(guān)鍵部件，主要由槳葉（至少2 片）和槳轂組成，對(duì)槳葉的設(shè)計(jì)也有較高的要求，除去各種復(fù)雜氣動(dòng)要求之外，還需要滿足疲勞、降噪和動(dòng)力等方面的要求，這就對(duì)槳葉材料提出了較高的要求，而復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)的金屬材料，其綜合性能更好，與鈦合金結(jié)構(gòu)件相比，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)減輕了30%。與鋁合金結(jié)構(gòu)件相比，其壽命提高了50%[4]。

機(jī)體作為直升機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以將各類部件連接到一起，主要包括駕駛艙、座艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、尾梁及尾翼等部件，雖然在承載方面沒有過高的要求，但需要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)剛度及抗墜毀能力[5]。復(fù)合材料可設(shè)計(jì)程度較高，可以滿足多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的要求，例如目前復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常用于制作曲面罩體，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)一體化成型的目標(biāo)。對(duì)于不同部件的具體性能要求也不相同，這樣才能凸顯復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，部分起落裝置和機(jī)體內(nèi)部的座椅、框架等也使用了復(fù)合材料。

20 世紀(jì)中后期，隨著材料水平的進(jìn)步，復(fù)合材料和合金也逐步在直升機(jī)中應(yīng)用[6]。其中，美國涌現(xiàn)出許多著名直升機(jī)，例如中/重型運(yùn)輸機(jī)CH-47“支奴干”，其機(jī)身為半硬殼結(jié)構(gòu)，而駕駛艙、機(jī)艙及旋翼為金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料占比約為10%。自誕生以來，該直升機(jī)經(jīng)歷了多次改型，由金屬旋翼轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａт撔?，未來還將使用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料；UH-60“黑鷹”在主槳上采用了Nomex 蜂窩芯以及復(fù)合材料蒙皮，尾槳?jiǎng)t由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成。此外，駕駛艙門、整流罩等曲面結(jié)構(gòu)也是由玻璃纖維等復(fù)合材料組成；蘇聯(lián)的米-28“浩劫”的復(fù)合材料占比達(dá)到了機(jī)體質(zhì)量的25%；法國“海豚”的機(jī)身使用樹脂基復(fù)合材料的比例也達(dá)到了25%。從20 世紀(jì)90 年代開始，各國第四代戰(zhàn)機(jī)陸續(xù)誕生，第四代戰(zhàn)機(jī)大面積使用了復(fù)合材料和新材料，只在某些關(guān)鍵部件使用金屬構(gòu)件，有效地提高了直升機(jī)的性能，也加快了飛機(jī)的飛行速度。為了應(yīng)對(duì)21 世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，美國RAH-66“科曼奇”也采用了大量復(fù)合材料，復(fù)合材料的占比達(dá)到50%以上。與國外的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)水平不同的是，我國的直-20 使用了大量的復(fù)合材料，在旋翼系統(tǒng)上使用了5 片先進(jìn)復(fù)合材料槳葉及鈦合金主槳轂；此外，主機(jī)身及內(nèi)部結(jié)構(gòu)上也使用了很多復(fù)合材料，復(fù)合材料的使用面積占全機(jī)的50%以上。除了軍用直升機(jī)以外，民用直升機(jī)在近幾年也取得了許多進(jìn)步。2010 年3 月，國產(chǎn)大型民用直升機(jī)AC313 首飛，起飛質(zhì)量達(dá)13 t，復(fù)合材料的使用面積占全機(jī)的50%。其中，旋翼系統(tǒng)采用了先進(jìn)的復(fù)合材料槳葉，擁有較高的疲勞強(qiáng)度，可以延長使用壽命?？湛虷160 作為首架機(jī)身完全采用復(fù)合材料的民用直升機(jī)，其機(jī)身更輕，除了降噪和高承載外，在抗腐蝕和抗疲勞方面的性能也很好。目前，直升機(jī)上復(fù)合材料的使用量可達(dá)50%～80%（如圖2 所示），復(fù)合材料在直升機(jī)上的大規(guī)模應(yīng)用已成發(fā)展的趨勢(shì)。

圖2 軍用、民用主要直升機(jī)機(jī)型復(fù)合材料占比

2 復(fù)合材料增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

根據(jù)原材料的不同，可以將增材制造分為金屬、有機(jī)和無機(jī)非金屬；根據(jù)原材料的不同形態(tài)，可以將增材制造分為粉末（送粉/鋪粉）和絲材（送絲）；根據(jù)熱源的不同，又可以將增材制造分為激光、電子束、電弧和光等，如圖3 所示。在增材制造方式中，能夠用于制造復(fù)合材料的主要有熔融沉積技術(shù)（FDM）、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、光固化立體成型技術(shù)（SLA）以及直接墨水書寫技術(shù)（DIW）。其中，SLS 與金屬的選區(qū)燒結(jié)相似，主要應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料，用熱源（激光、紫外線、電子束以及電弧等）對(duì)復(fù)合材料粉末進(jìn)行選區(qū)燒結(jié)，一層結(jié)束后再刮入下一層，逐層累積，從而得到實(shí)體。而FDM 所需要的材料為絲材，SLA 和DIW 所需要的材料為溶液。

圖3 增材制造技術(shù)的分類

熔融沉積技術(shù)（FDM）是將一定比例的纖維與樹脂合成絲材，再將絲材送入加熱裝置中，隨后以連續(xù)液滴的形式從噴嘴中擠出，按照設(shè)定好的路徑堆積成型。其中，纖維和樹脂的比例和種類是可調(diào)節(jié)的。西安交通大學(xué)的Ming 等人[7]提出了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性樹脂基復(fù)合材料3D 打印的工藝（如圖4 所示），可以將其分為3 個(gè)獨(dú)立的模塊，包括絲材制備、預(yù)成型體成型和成型體固化，基于FDM 原理打印出來的構(gòu)件（纖維含量為52%）的力學(xué)性能大幅提高；其中，拉伸強(qiáng)度及模量分別達(dá)到1 325.14 MPa 和100.28 GPa。除了提前制備好復(fù)合材料絲材之外，GOH G.D 等人[8]將干纖維送入噴嘴，在擠出的同時(shí)引入基體，加熱并原位浸漬纖維，再按照路徑打印得到產(chǎn)品，如圖5 所示。

圖4 基于FDM 原理的3D 打印設(shè)備

圖5 基于FDM 原理的預(yù)浸漬/原味浸漬示意圖

光固化立體成型技術(shù)（SLA）是使用光源將樹脂槽中的液態(tài)光敏樹脂快速固化，降低工作臺(tái)的高度，繼續(xù)第二層掃描固化，直至產(chǎn)品成型。美國西北大學(xué)的David A. Walker 等人[9]在《Science》中提出了一種高速、大尺度且高產(chǎn)能的光固化3D 打印技術(shù)（HARP），該技術(shù)通過垂直打印的方式，用紫外線將液態(tài)樹脂固化，支持多種材料，可以消除光固化3D 打印時(shí)產(chǎn)生的巨大熱量，突破了技術(shù)的限制，未來將應(yīng)用于航空、汽車及醫(yī)療等領(lǐng)域，如圖6 所示。但是從短期來看，由于光固化3D 打印技術(shù)受光敏樹脂性能的限制，因此打印的復(fù)合材料的力學(xué)性能較差，目前主要有2 種改善方式，一種是在光敏樹脂成型時(shí)對(duì)樹脂改性，另一種則是通過加入增強(qiáng)纖維，達(dá)到提升力學(xué)性能的效果。宋星等人[10]采用光固化3D 打印玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，結(jié)果表明，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的玻璃纖維比沒有經(jīng)過處理的玻璃纖維的性能有了大幅提高；其中，拉伸強(qiáng)度提高了50%，彎曲強(qiáng)度提高了143%?？傮w來說，一旦開發(fā)出高性能材料，就可以實(shí)現(xiàn)大尺度打印的目標(biāo)。

圖6 適用于多種樹脂

直接墨水書寫技術(shù)（DIW）是將導(dǎo)電膠、水凝膠等粘性墨水按照規(guī)劃的路徑從噴嘴中擠出并形成指定的產(chǎn)品。哈佛大學(xué)的J.A.Lewis 教授[11]首次實(shí)現(xiàn)了以熱固性樹脂為原料的3D 打印，在環(huán)氧樹脂中加入納米黏土、碳纖維和碳化硅晶須，制成了具有流變行為的墨水，通過控制纖維長徑比和噴嘴直徑就可以控制填料的取向。如圖7 所示，打印出來的蜂窩結(jié)構(gòu)經(jīng)低溫預(yù)固化后轉(zhuǎn)移至高溫固化，得到的部件楊氏模量可達(dá)24.5 GPa。

圖7 直接墨水書寫技術(shù)的成型原理

香港城市大學(xué)的呂堅(jiān)院士課題組[12]在《Science Advances》上提出將納米復(fù)合材料作為墨水，利用墨水直接書寫技術(shù)（Direct ink writing）打印出可以自變形的陶瓷結(jié)構(gòu)，該方法不需要昂貴的激光、紫外線等光源，只需要加熱就可以制造出高比強(qiáng)度且大尺度的陶瓷結(jié)構(gòu)，未來還可以將其應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上，具體過程如圖8 所示。

圖8 利用墨水直接書寫技術(shù)4d 打印的彈性體衍生陶瓷（標(biāo)尺：1 cm）

3 未來發(fā)展趨勢(shì)

近年來，在復(fù)合材料領(lǐng)域出現(xiàn)了很多新興技術(shù)，而增材制造技術(shù)也是熱點(diǎn)方向之一，將兩者結(jié)合起來，摒棄傳統(tǒng)成型方式的不足，一場(chǎng)新的復(fù)合材料革命正在悄然進(jìn)行。而復(fù)合材料在直升機(jī)領(lǐng)域的運(yùn)用前景巨大，尤其是熱固性復(fù)合材料以及高性能纖維增強(qiáng)材料（在結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用是必不可少的），未來復(fù)合材料增材制造技術(shù)可能會(huì)朝以下3 個(gè)方向發(fā)展。

3.1 擴(kuò)大材料庫

無論是粉材還是絲材，又或者是預(yù)浸料和光固化材料，現(xiàn)有可增材的材料品種還無法滿足各領(lǐng)域所對(duì)應(yīng)的不同性能的產(chǎn)品，尤其是直升機(jī)部件，其必須由高性能纖維復(fù)合材料制成，需要同時(shí)滿足強(qiáng)度、抗疲勞、抗腐蝕以及耐高溫等多種性能，這對(duì)材料的種類有較高的要求，同金屬材料增材制造技術(shù)相似，未來都需要開拓、建立材料庫。例如碳纖維、碳納米管等一系列復(fù)合材料，其綜合力學(xué)性能優(yōu)異，為增材制造提供了一種巨大的可能——設(shè)計(jì)制造一體化。如何制備不同比例樹脂與纖維的絲材、如何增加光敏樹脂的種類以及如何推進(jìn)熱塑性復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用等都將是未來一段時(shí)間內(nèi)需要重點(diǎn)突破的課題。

3.2 克服現(xiàn)存的難題

就目前的研究來看，復(fù)合材料增材制造技術(shù)尚不成熟，普遍還存在以下3 個(gè)問題：1） 制造周期較長。雖然比手工鋪貼效率略高，但由于增材制造設(shè)備精度高，因此會(huì)導(dǎo)致速率受限，常用于制造一些小部件。未來針對(duì)大部件，可以在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上采用多頭增材，以縮短制造周期。2） 固化變形較大。不同于模壓成型和RTM 成型，在模具的限制下復(fù)材件難以變形，在沒有模具的條件下，如果增材制造的復(fù)材件是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則固化時(shí)變形程度較大，未來在規(guī)劃路徑及過程控制上可以減小固化變形。3） 沖擊強(qiáng)度較低。相比于預(yù)浸料制備的復(fù)材件，增材制造帶給復(fù)材件最明顯的一個(gè)特征就是強(qiáng)度降低，這與其特定的工藝相關(guān)，會(huì)降低層間結(jié)合力，從而降低構(gòu)件的損傷容限，如何使其強(qiáng)度不低于常規(guī)合金所能達(dá)到的水平是必須要解決的問題。

3.3 數(shù)字化智能化發(fā)展

采用數(shù)字化智能化設(shè)備替代手工鋪層是未來復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)，憑借增材制造自下而上的成型特點(diǎn)和不需要模具的優(yōu)點(diǎn)，考慮經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性以及可追溯性等因素，大力發(fā)展復(fù)合材料數(shù)字化、智能化增材制造設(shè)備具有重要意義?，F(xiàn)有的設(shè)備多數(shù)還只是停留在自動(dòng)化水準(zhǔn)，需要人為干涉，不確定性強(qiáng)，數(shù)字化、智能化的推進(jìn)迫在眉睫，例如數(shù)字制造與監(jiān)控檢測(cè)的結(jié)合將有效地提高復(fù)材構(gòu)件的質(zhì)量。

4 結(jié)語

隨著民用直升機(jī)的推廣，未來直升機(jī)產(chǎn)業(yè)也將更加繁榮。增材制造技術(shù)帶來的創(chuàng)新思維也必將引發(fā)復(fù)合材料領(lǐng)域的變革，這種快速成型的制造方法避免了傳統(tǒng)復(fù)材成型的局限，能夠精確地控形、控性。伴隨數(shù)字化及智能化機(jī)器的應(yīng)用，該方法應(yīng)用前景廣闊。但是，在直升機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零部件還存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但隨著近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究，從小尺寸非結(jié)構(gòu)件到大尺寸非結(jié)構(gòu)件直至未來的大尺寸結(jié)構(gòu)件，復(fù)合材料增材制造技術(shù)會(huì)越來越完善。