復合材料風扇葉片成型關鍵技術探索研究

張媛媛 陳璐璐 蘇震宇 梁永收

摘 要 復合材料風扇葉片是商用大涵道比渦扇發(fā)動機的重要轉動部件，其重量和性能將直接影響發(fā)動機的推重比和性能。復合材料風扇葉片具有結構復雜、受載工況惡劣、制造質量要求高等特點，為了提升國產(chǎn)商用航空發(fā)動機復合材料風扇葉片成型質量，針對復合材料風扇葉片成型工藝關鍵技術難點問題，從葉片模具設計與材料選用、大厚度榫頭鋪層設計與鋪疊方法、固化工藝精細化控制及全型面擬合自適應加工等方面研究了制造工藝對葉片質量的影響，對比分析了不同工藝方法下葉片葉型尺寸、內(nèi)部纖維取向、制造缺陷、隨爐件力學性能水平的差異。結果表明，選用Invar鋼作為模具材料，改善榫頭鋪層插入層的設置位置、數(shù)量和鋪層順序，精細化控制固化溫度、壓力等關鍵工藝參數(shù)，全型面擬合自適應加工等方法有效提高了葉片成型質量和尺寸符合性。

關鍵詞 復合材料;風扇葉片;制造技術;鋪層;關鍵工藝

Research on Composite Fan Blade Manufacturing Technology

ZHANG Yuanyuan1， CHEN Lulu1， SU Zhenyu 2， LIANG Yongshou3

（1.AECC Commercial Aircraft Engine Co.， Ltd.， Shanghai 200241; 2.AVIC Composites

Co.， Ltd， Beijing 101300；3.Key Laboratory of High Performance Manufacturing

for Aero Engine （Northwestern Polytechnical University）， Ministry

of Industry and Information Technology， Xian 710072）

ABSTRACT Composite fan blade is an important rotating part of commercial high bypass ratio turbofan engines. The weight and performance of fan blade will directly affect the thrust-to-weight ratio and performance of the engine. The composite fan blade has the characteristics of complex structure， strict load conditions and high manufacturing quality requirements. In order to improve the molding quality of composite fan blade for domestic commercial aero-engine， the influence of manufacturing process on blade quality was studied from the aspects of mold design and material selection， design and laying method of large thickness dovetail layer， fine control of curing process and adaptive processing of full surface fitting. The differences of blade dimensions， internal fiber orientation， manufacturing defects and mechanical properties of furnace parts under different processing methods were compared and analyzed. The results show that using Invar steel as the mold material， improving the placement， quantity and sequence of mortise layers， fine controlling of curing temperature， pressure and other key process parameters， and the full-surface fitting and adaptive machining can effectively improve the forming quality and dimension conformity of blades.

KEYWORDS composite; fan blade; manufacturing technology; laminate; key process

1 引言

現(xiàn)代渦扇航空發(fā)動機正朝著大涵道比、大推力、低油耗、低噪聲、高安全性、高可靠性等方向不斷發(fā)展。為了增大發(fā)動機涵道比，就需要采用更大尺寸的風扇葉片，這使得發(fā)動機風扇段的重量占發(fā)動機總重量的比重不斷提升。傳統(tǒng)鈦合金實心風扇葉片已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高性能大涵道比渦扇發(fā)動機性能需求。因此，降低風扇葉片重量就成為發(fā)動機向高性能發(fā)展所必須解決的關鍵難題之一。

國外方面自JT9D發(fā)動機起，渦扇發(fā)動機風扇葉片經(jīng)歷了從實心金屬葉片到空心金屬葉片再到復合材料葉片的發(fā)展歷程，風扇葉片的重量逐步降低。以等效空心率（實際葉片重量/相同尺寸的實心鈦合金葉片重量）作為減重衡量標準，復合材料風扇葉片的等效空心率達到60%（英國羅爾斯·羅伊斯公司研制的鈦合金空心葉片等效空心率約為40%），減重效果明顯［1-4］。20世紀90年代，復合材料風扇葉片首次在商用發(fā)動機GE90上應用。在此后的三十年間，隨著復合材料設計和制造技術的突破，復合材料風扇葉片已完成了四次技術更迭。目前應用于GE9X發(fā)動機上的第4代復合材料風扇葉片，單臺葉片數(shù)量已由22片減少至16片，其三維復合彎掠葉型，也進一步降低了風扇葉尖轉速，改善了氣動特性，使風扇效率不斷提高。國內(nèi)此方面起步較晚，在國產(chǎn)發(fā)動機研制需求的牽引下，相關科研院所圍繞復合材料風扇葉片的設計、材料體系、制備工藝技術和考核驗證等方面開展了一些卓有成效的探索性研究工作。劉強等［5］研究了機織復合材料風扇葉片預制體扭轉定位控制技術及RTM成型技術；朱啟晨等［6］開展了復合材料風扇葉片鋪層設計研究，分析了鋪層角度、順序及鋪層結構的影響；劉洋等［7］研究了金屬加強邊結構形式對復合材料風扇葉片抗鳥撞能力的影響。

復合材料風扇葉片的成型制造工藝，主要涵蓋“模具設計-鋪層設計-料片鋪疊-固化成型-機械加工”等工序。本文針對復合材料風扇葉片成型工藝關鍵技術難點問題，從葉片模具設計與材料選用、大厚度榫頭鋪層設計與鋪疊方法、固化工藝精細化控制及全型面擬合自適應加工等方面分別研究了各環(huán)節(jié)制造工藝對零件質量的影響，提出了改進零件質量的措施，為未來復合材料風扇葉片成型技術的深入研究提供參考。

2 成型模具選材影響研究

窄體客機航空發(fā)動機的復合材料風扇葉片葉高約800mm，弦長最寬處約400mm，加之大扭轉雙曲率的結構特點，對其成型精度要求極高。為了保證葉片表面復合材料的結構完整性，葉身型面不能進行機加工，必須依靠模具實現(xiàn)凈尺寸成型，因此模具設計及模具材料的選用至關重要。

現(xiàn)有研究表明［8-11］，模具的材料、結構形式和表面狀態(tài)等均會通過影響成型過程中零件與模具的相互作用，影響零件的固化變形和成型精度。其中，最主要的影響是模具材料和零件材料熱膨脹系數(shù)的差異。在固化反應的升溫和保溫階段，模具受熱迅速膨脹，復合材料中的高分子聚合物由粘流態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，分子鏈相互交聯(lián)，固化度逐漸提高；降溫階段，模具迅速回彈，固化后的零件進入玻璃態(tài)，零件與模具的變形量差異逐漸增大，固化壓力釋放后，由于變形量的差異，導致模具對零件的約束能力降低，零件內(nèi)部分子鏈交聯(lián)過程中積聚的殘余應力將釋放并引起零件變形。基于上述原因，工程中常選用與零件熱膨脹系數(shù)相近的模具材料，減小零件與模具之間的變形量差異。目前，本研究嘗試選用Invar鋼作為模具選材，與傳統(tǒng)鋁、鋼等金屬材料不同，該材料的熱膨脹系數(shù)非常低，可有利于解決固化變形問題。

采用普通鋼模具和Invar鋼模具分別開展復合材料風扇葉片成型與尺寸測量分析，兩種模具對葉片成型質量的影響效果如圖1所示，圖1（a）為采用普通鋼的葉片型面測量結果，葉片最大變形量超過1mm；圖1（b）為采用Invar鋼的葉片型面測量結果。對比可見，采用Invar鋼模具成型的葉片，尺寸符合性改進效果良好，葉盆最大偏差量減少了0.7mm，葉背最大偏差量減少了0.4mm。因此，對于大尺寸、三維葉形復雜的風扇葉片，普通鋼模具將帶來較為嚴重的固化變形問題，而通過選用低膨脹系數(shù)材料的成型模具，可以顯著提升葉片型面制造精度。但Invar鋼材料成本昂貴，目前僅開展了初步研究探索。關于模具的精細化改進和優(yōu)化，應進一步考慮模具補償設計，并在零件設計構型固化及制造成熟度較高的階段進行應用。

3 插入層設計優(yōu)化及鋪疊方法研究

除大扭轉葉身型面精度控制問題外，復合材料風扇葉片制造中的另一個關鍵難點是榫頭區(qū)域的成型。與傳統(tǒng)航空航天復合材料零件多為薄壁件、鋪層形式簡單、層數(shù)較少不同，復合材料風扇葉片的榫頭區(qū)域是典型的變厚度結構，最厚處達到50mm以上，鋪層數(shù)量多達數(shù)百層，在成型過程中極易產(chǎn)生纖維屈曲、褶皺和局部尺寸超差等問題。同時，由于熱壓罐工藝的模具面只能保證單側葉片型面，另外一側葉片型面僅靠真空袋加壓自然形成，大厚度的榫頭區(qū)域對鋪疊方法和成型過程的工藝控制水平提出了很高的要求。未開展榫頭區(qū)域鋪層優(yōu)化前，榫頭區(qū)域成型質量如圖2（a）所示，存在明顯的纖維褶皺和屈曲，纖維取向與理論位置最大偏差量達到了3.5mm。這是由于纖維模量較高，預浸料鋪覆過程中的變形能力有限，當料片分切和鋪覆軌跡不合理時，預浸料的應力集中可能導致纖維偏離設計軌跡方向，進而造成纖維的屈曲和褶皺。因此，需要建立面向大厚度榫頭成型工藝需求的榫頭區(qū)域鋪層設計方法并通過優(yōu)化的鋪疊工藝實現(xiàn)榫頭區(qū)域的高質量制造。

榫頭區(qū)域鋪層設計優(yōu)化的主要措施，是將該區(qū)域的鋪層分為完整的結構層和成組的插入層，在遵循遞減鋪層設計經(jīng)驗準則的基礎上［12-15］，優(yōu)化插入鋪層組的設置位置、數(shù)量和鋪層順序，改變插入層坡度，進而改善相鄰結構層內(nèi)纖維的偏折量，提高榫頭區(qū)域鋪層的平衡性，降低丟層區(qū)域樹脂累積對葉片性能的影響?；诓迦雽觾?yōu)化的榫頭區(qū)域鋪層設計方法，開展預浸料切片與鋪覆仿真分析，通過改進下料程序和投影程序算法，解決預浸料在榫頭局部位置變形導致的纖維屈曲問題；通過優(yōu)化手工鋪疊操作方法，使料片精準定位，實現(xiàn)鋪疊角度與理論值偏差不超過2°；通過采用真空壓實和熱壓實相結合的方法，去除夾入在預浸料層間的空氣，實現(xiàn)對于榫頭尺寸精度和成型內(nèi)部質量的有效控制。插入層設計及鋪疊方法優(yōu)化后的榫頭區(qū)域成型質量如圖2（b）所示，通過采用面向工藝需求的插入層設計優(yōu)化及鋪疊方法，對鋪層定位、加壓方式、鋪疊方法等方面的工藝改進，有效地改善了前期工藝試驗件存在的纖維褶皺和屈曲現(xiàn)象。工藝優(yōu)化后榫頭典型位置的超聲C-掃描圖像和金相圖像如圖3所示。超聲C-掃描圖像表現(xiàn)較均勻，無明顯異常信號；金相圖像顯示無明顯異分層、夾雜、孔隙等缺陷，風扇葉片榫頭區(qū)域內(nèi)部成型質量較好。

4 固化工藝關鍵參數(shù)及穩(wěn)定性研究

固化過程是影響復合材料風扇葉片成型質量、殘余應力和尺寸精度的重要環(huán)節(jié)，涉及的主要參數(shù)包括升降溫速率、保溫平臺數(shù)量、保溫溫度、保溫時間、固化壓力等。對于復合材料風扇葉片而言，由于零件尺寸效應、設備系統(tǒng)精度的偏差以及參數(shù)之間的耦合效應，工程中關鍵工藝參數(shù)無法實現(xiàn)單點控制，因此本研究中選擇采用確定參數(shù)公差的合理范圍并有效實施監(jiān)控測量的方法，以實現(xiàn)產(chǎn)品質量穩(wěn)定可控。

在復合材料風扇葉片固化工藝研究過程中，通過對材料的基礎數(shù)據(jù)如預浸料的動態(tài)反應動力學測試、升溫粘度、保溫粘度等開展測試，初步確定材料的成型工藝參數(shù)；通過多批次材料級性能試驗獲得成型溫度、壓力、時間、工藝方法對于復合材料性能的影響；通過監(jiān)控多個材料批和工藝批隨爐件性能變化和成型關鍵工藝參數(shù)的波動情況，評價成型工藝穩(wěn)定化水平，最終形成復合材料風扇葉片制造過程控制標準。

本研究對風扇葉片連續(xù)18個工藝批次復合材料隨爐件層間剪切性能進行了測試，按公式（1）和公式（2）計算得到上控制線（UCL）和下控制線（LCL）。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果如圖4所示，在標準的嚴格控制下，原材料穩(wěn)定性和熱壓罐成型工藝一致性較好。后9個工藝批次層間剪切性能的標準差由前9個工藝批次的2.20減小至1.09，固化工藝控制能力持續(xù)提升。

UCL=μ+3σ/n（1）

LCL=μ-3σ/n（2）

式中：μ為樣本平均值，σ為標準偏差，n為樣本數(shù)量。

5 葉片自適應加工技術研究

通過上述介紹的葉片模具優(yōu)化、鋪層優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化等工作，葉片的制造精度取得了有效的提升。在此基礎上，仍然存在一定程度的尺寸偏差，嘗試在加工過程中進一步消減。葉片葉身型面為凈尺寸成型，其厚度方向的加工，集中在榫頭區(qū)域預設的機加層，較為傳統(tǒng)的方案是以成型基準作為加工基準，葉身固化變形帶來的葉身與榫頭位置度偏差無法降低。

為了進一步提高葉片加工的位置度和扭轉度，探索開展復合材料葉片自適應加工技術研究。通過測量手段準確獲得每個葉片的實際幾何形狀，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行加工工藝模型重構和加工程序編制，通過曲面配準方法將葉片的葉身曲面實際測量數(shù)據(jù)進行旋轉、平移，使其與理論模型在最優(yōu)化匹配的情況下建立空間位置關系，并依據(jù)實際葉身曲面加工葉片的榫頭。這種通過曲面配準方式加工的榫頭并不位于榫頭毛坯的中心，而是通過將理論榫頭在其毛坯里偏移、旋轉，以借用毛坯各部分余量的方式，進一步提高待加工榫頭與葉身之間的位置度。

采用按葉片成型基準加工與按自適應加工的尺寸偏差對比，如圖5所示。取葉片的葉尖、葉中、葉根三個典型截面，通過自適應技術加工的葉片與理論模型的最大偏移量分別為0.08mm、0.18mm和0.37mm；按傳統(tǒng)的成型基準方案加工的葉片與理論模型的最大偏移量分別為2.23mm、1.19mm和0.61mm。由此可見，葉片的自適應加工技術可以進一步有效提高葉片加工的位置度和扭轉度。

6 結語

航空發(fā)動機復合材料風扇葉片成型技術的關鍵難點包括模具設計、鋪層設計與鋪疊方法、固化工藝及加工工藝，本文通過對上述問題開展探索性研究，結論如下：

（1）選用低熱膨脹系數(shù)的Invar鋼材料作為成型模具，有效改善了風扇葉片固化變形問題；

（2）通過改善大厚度榫頭鋪層插入層的設置位置、數(shù)量和鋪層順序，結合真空壓實與熱壓實等工藝方法，將鋪疊角度誤差控制在2°以內(nèi)，有效提升了榫頭成型質量；

（3）通過精細化控制固化溫度、壓力等關鍵工藝參數(shù)，隨爐件性能標準差由2.20降至1.09，有效提升了復合材料性能穩(wěn)定性；

（4）采用自適應加工技術進一步提高了葉片的最終尺寸符合性。

目前，受制于研究限制，復合材料風扇葉片尚在攻關階段，未來還將進一步扎實優(yōu)化每個工藝過程，如可在原材料開發(fā)、工裝反變形設計、過程控制能力等核心技術方面開展進一步研究，以建立滿足國產(chǎn)大客發(fā)動機需求的復合材料風扇葉片制造能力。

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