干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用

2023年7月31日 15:17
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干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖1

 樹脂基復合材料因其比強度比剛度高，可設計性好，阻尼減振性能優異，易于整體化成型等優點已成為新型航空發動機重要的結構材料。本文選取風扇葉片，包容機匣，聲襯和襯套等典型航空發動機部件，,介紹了樹脂基復合材料在國外民用航空發動機的應用狀況。之后論述了樹脂基復合材料在航空發動機結構優化，經濟性，環保性等方面的優勢?；谖⒓{材料混雜技術，3D打印技術和超材料技術分析了航空發動機樹脂基復合材料發展的新趨勢。最后從"設計-材料-工藝-評價"角度就未來樹脂基復合材料在我國民用航空發動機應用發展提出了一些思考。

近些年美國通用電氣公司(USA, general electric company, GE或通用電氣)、美國普拉特·惠特尼公司(USA, pratt & whitney group, P&W或普·惠)、英國羅爾斯·羅伊斯公司(UK, rolls-royce group, R·R或羅·羅)等在樹脂基復合材料發動機部件應用方面取得了較大進展。以普·惠公司為例，1970年首先在JT9D發動機上使用玻璃纖維/環氧樹脂復合材料制備了風扇整流錐。為了進一步減重，1981年采用芳綸纖維/環氧樹脂復合材料制備了JT9D-TR4發動機整流錐。之后樹脂基復合材料被大量應用于普·惠發動機上，如PW4084發動機樹脂傳遞模塑工藝(resin transfer moulding, RTM)制備的碳纖維/環氧樹脂風扇葉片墊塊、PW4168發動機雙馬樹脂復合材料整流罩和碳纖維/環氧樹脂復合材料反推力裝置等短艙部件。圖1中列出了目前國外民用渦扇發動機樹脂基復合材料應用部位、材料體系及制備工藝。圖中1~12依次為渦扇發動機電控單元匣、進氣道消聲襯板、風扇葉片、進氣整流錐、進氣整流罩、發動機檢視門、反推力裝置、壓氣機整流罩、外涵道、出口導流葉片、風扇機匣、發動機短艙等部件。以下將對國外民用航空發動機典型樹脂基復合材料部件應用發展狀況進行詳細分析。

1 風扇葉片

20世紀七十年代，羅·羅公司最早嘗試將碳纖維樹脂基復合材料應用于RB211發動機風扇葉片。但由于所使用復合材料基體韌性較低，最終未能通過風扇葉片鳥撞測試，導致該型發動機沿用了傳統鈦合金風扇葉片。
隨著低質量、高進氣效率、大涵道比航空發動機的研發及樹脂基復合材料性能的提高，上世紀90年代通用電氣公司選取美國赫氏公司(USA, Hexcel Corporation) HexPly 8551-7韌性環氧樹脂為基體，IM7碳纖維為增強纖維，采用單向預浸料模壓工藝制備GE90發動機進氣風扇葉片。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3M公司(USA, 3M Company) AF191膠黏劑粘接鈦合金薄片增強葉片抗沖擊性能。葉片根部具有自潤滑特氟龍耐磨層（圖2（a））。此后通用電氣公司GEnx和GE9X型發動機均采用樹脂基復合材料風扇葉片。
在適用于單通道客機的中小推力發動機方面，傳統CFM56系列發動機采用鈦合金風扇葉片及合金鋼金屬機匣。為進一步減輕發動機重量，降低燃油消耗，美國通用電氣和法國賽風集團(France, Safran Group)旗下斯奈克瑪公司(SNECMA)合資成立的CFM國際公司(USA & France, CFM international company, CFMI)開發了LEAP系列發動機。LEAP系列發動機風扇葉片采用3D整體編織技術制備了具有三維交織結構且近似零尺寸誤差的纖維預成型體（圖2（b））。通過樹脂傳遞模塑工藝灌注樹脂實現纖維浸潤和樹脂固化（圖3）。其中纖維三維編織結構可有效提高葉片抗沖擊性能。
2020年1月上旬，羅·羅公司在英國布里斯托開始了名為“超級風扇”(UltraFan?)的發動機原型機制造。該發動機采用全樹脂基復合材料風扇葉片和機匣。風扇葉片由碳纖維/韌性樹脂預浸料鋪貼固化而成。葉片前緣采用與GE90風扇葉片相似的鈦合金包邊起抗腐蝕和異物沖擊作用。羅·羅公司預計該型發動機裝機服役后，可實現飛機整體減重700 kg，相比第一代遄達系列發動機更為省油，降低至少25%的二氧化碳排放。

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖2

圖1  樹脂基復合材料在民用渦扇發動機的應用

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖3
圖2   GE90（a）及 LEAP系列航空發動機復合材料風扇葉片（b）

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖4
圖3  LEAP系列發動機樹脂基復合材料風扇葉片制造過程
(a) 三維纖維預成型體制備；(b) 纖維預成型體裝模；
(c) 樹脂灌注固化；(d) 葉片成品件

2  風扇機匣

發動機運轉過程中葉片因遭受撞擊或疲勞斷裂時，風扇機匣對脫落葉片起包容作用，避免其對飛機其他部分造成損害。因而風扇機匣是維系飛機服役安全可靠的重要部件。
早期渦扇發動機風扇葉片多為鈦合金材質，一旦脫落對風扇機匣的沖擊能量較大。風扇機匣多采用鋁合金、鈦合金或高強度合金鋼制造，以增加結構厚度提高包容效果，稱為硬包容。之后研發出以環形金屬機匣殼體為內襯，外部依次纏繞若干圈芳綸纖維編織條帶為保護層的復合結構機匣，依靠芳綸纖維層易于發生大變形吸能的特點捕獲碎片，故而稱為軟包容。
由于發動機風扇涵道比日趨增大，風扇部分在發動機總重中占比變大，高性能輕量化的要求越發迫切。伴隨著GE90系列發動機復合材料風扇葉片的成熟使用，在后續GEnx型發動機上GE公司研發了全復合材料風扇機匣。該機匣采用自動化二維三軸編織技術將日本東麗公司(Japan, Toray Industries, Inc) TORAYC T700碳纖維按0°及±60°三個方向編織成厚度為7.62 mm纖維預成型體。利用樹脂傳遞模塑工藝灌注CYCOM PR520環氧樹脂(比利時索爾維集團(Belgium, Solvay Group)旗下氰特公司(Cytec Industries )產品)固化成型。法國賽風集團旗下斯奈克瑪公司也采用了增強纖維3D編織技術及樹脂傳遞模塑工藝制備了LEAP系列發動機復合材料風扇機匣，如圖4所示。

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖5

圖4  民用渦扇發動機風扇機匣結構變化

3 聲襯

進氣 風扇噪聲已成為現代大涵道比航空發動機噪聲的主要來源。在進氣道內鋪設聲襯是航空發動機消聲降噪的重要方式之一。聲襯所具有的穿孔板蜂窩結構可視為數個并聯的亥姆霍茲共振結構。當其共振頻率與噪聲頻率匹配時起到消聲效果。傳統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雜、尺寸較大、結構增重較多的問題。
基于以上問題，赫氏公司開發了商品名為Acousti-Cap的隔帽內嵌式蜂窩，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隔膜的作用。蜂窩聲阻抗特性可以由以下3個因素調節：（a）蜂窩腔中隔帽數量；（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，聲襯整體結構強度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產的多型航空發動機，不僅減輕了質量而且實現了多達30%的噪聲衰減。
傳統進氣道消聲板為拼接分片式設計，拼接造成進氣道壁面聲阻抗不連續削弱了消聲效果。受益于復合材料進氣道無拼接聲襯設計，歐洲空中客車公司(Airbus)早期A320飛機發動機進氣道聲襯拼縫為3片15 cm，之后A340-600飛機發動機為2片7.5 cm寬。采用樹脂基復合材料整體成型工藝后，A380飛機發動機為環形無拼接聲襯（圖6）。

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖6

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

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖7
圖6  民用航空發動機進氣道拼接式與無拼接式消聲板

4 襯套

傳統樹脂基復合材料基體耐溫性能較低，通常應用于航空發動機冷端結構及外部覆蓋件。以聚酰亞胺樹脂為代表的耐高溫樹脂基體研發使樹脂基復合材料用于航空發動機近熱端部件成為可能。聚酰亞胺襯套是樹脂基復合材料在壓氣機等耐溫要求較高部位的典型應用之一。襯套用聚酰亞胺復合材料不僅滿足長期工作溫度280 ℃左右，短時經受400 ℃以上的耐溫要求，同時具有良好的熱尺寸穩定性、自潤滑性、低摩擦系數、優異的耐磨損性能和力學性能。美國杜邦公司(USA, DuPont Company)開發了Vespel系列聚酰亞胺復合材料，其中包括石墨填充聚酰亞胺復合材料（如Vespel SP-21、SP-22等）及碳纖維織物增強聚酰亞胺復合材料（如：Vespel CP-8000、CP-0664等）。該系列聚酰亞胺復合材料已應用于羅·羅公司BR710型、普·惠公司PW6000系列等多型航空發動機壓氣機可調靜子葉片襯套，如圖7所示。

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圖7  航空發動機聚酰亞胺復合材料襯套

5 反推力裝置

材料和結構同時成型是樹脂基復合材料區別于金屬材料的特點之一。這為航空發動機大型復雜部件的整體化設計、一體化制造提供了可能。美國奈賽公司(USA, Nexcelle)摒棄了傳統的分離式子系統設計理念，在中國商飛公司(China, commercial aircraft corporation of china, Ltd., COMAC) C919大型客機裝備的LEAP-1C發動機上開發了集成式推進系統（integrated propulsion system, IPS）。其中包括一體式復合材料進氣整流罩和整體復合材料“O型”滑動反推裝置，如圖8所示。

干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用的圖9

圖8  LEAP-1C發動機一體式整流罩和“O型”滑動反推裝置

展望
經過數十年的發展，樹脂基復合材料在民用渦扇發動機上得到了廣泛的應用。樹脂基復合材料不僅降低了航空發動機結構質量，在發動機可靠性、經濟性和環保性方面也起到了積極的推動作用。其用量已成為衡量航空發動機先進性的重要標志。
國外在航空發動機復合材料應用方面已經積累了大量試驗數據和服役經驗，在多型航空發動機上已獲得較為成熟的應用。相比而言，我國在民用航空發動機樹脂基復合材料部件研發應用方面還存在一定差距。需要從結構設計、原材料、制造工藝、驗證評價等諸多方面進行趕超。相信隨著國內樹脂基復合材料技術的日益進步，我國樹脂基復合材料在民用渦扇發動機的應用必將迎來突破性發展。

原文: 民用航空發動機樹脂基復合材料應用進展

文章來源：碳纖維技術及裝備研究室

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