摘 要 本文介绍了复合材料风扇叶片在商用大涵道比发动机上的应用现状，机织复合材料风扇叶片作为第四代复合材料风扇叶片已在国外LEAP 发动机上得到了应用。机织复合材料风扇叶片的原材料为T800级碳纤维和高韧性短时效环氧液体成型树脂，具有抗冲击性能强、抗分层能力强等特点，但也具有预制体变形控制困难、树脂注射时间短等技术难点。国内开展了机织复合材料风扇叶片RTM 成型技术研究，并在预制体扭转变形技术、高效RTM 成型工艺控制技术等方面获得了长足的进步。关键词 机织；复合材料；风扇叶片；RTM 机织复合材料风扇叶片成型技术研究
刘强，赵龙，黄峰，孙煜，张宇
（中国航空制造技术研究院复材中心，中航复合材料有限责任公司，北京 101300）
ABSTRACT In this paper, the application status of woven composite fan blades on commercial high bypass ratio engines was introduced, and the woven composite fan blades as the fourth generation of composite fan blades have been applied to foreign LEAP engine. The raw materials of the woven composite fan blade were T800 grade carbon fiber and high toughness short-acting epoxy liquid molding resin, which have the characteristics of superior impact tolerance and delamination resistance, but also have difficulties in deformation control of the preform and short injection time of the resin and s
o on. The research on RTM forming technology of woven composite fan blades has been carried out in China already, and great progress has been made in the aspects of preformed torsional deformation technology and high-efficiency RTM molding process control technology.KEYWORDS woven ；composite ；fan blade ；RTM
Molding Process of Woven Composite Fan Blades
LIU Qiang,ZHAO Long, HUANG Feng,SUN Yu,ZHANG Yu
(AVIC Manufacturing Technology Institute,AVIC Composites Co.,LTD)
非人类1 引言
大涵道比涡扇发动机是大型飞机的核心部分，是决定大型飞机是否具有竞争力的关键。大涵道比涡扇发动机用途广泛，市场巨大，其经济、社会效益显著，对国民经济发展和科技进步具有重大推动作用和战略意义。为了达到发动机的高推重比、低耗油率、低噪声、低维修成本的需要，世界各主要发动机厂商都在大力推广复合材料在大涵道比涡扇发动机上的使用，原因在于复合材料具有金属材料无法比拟的低密度、高比强度和高比刚度。
1971年，美国GE 公司开始研制复合材料风扇叶片，但设计和制造技术不够成熟；与此同时，英
国RR 公司也在1970年开展了复合材料风扇叶片的研发工作，所采用的复合材料的性能不能满足叶片的刚度及韧性要求。因此，当时的GE 和RR 都未能实现复合材料风扇叶片在航空发动机上的工程化应用。
此后，随着树脂基复合材料及其制造技术的不断发展，复合材料风扇叶片的研制条件在20世纪90年代已日趋成熟。目前，国外已进行商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表为B777配套的GE90系列发动机、为B787配套的GEnx 发动机、为中国商飞C919、B737max、A320neo 配套的LEAP-X 发动机，即将实现商业化应用的有为B787、A350配套的TRENT“超扇”发动机，为
第4期2019年9月
No. 4 68Sep. , 2019
FIBER COMPOSITES
纤维复合材料
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4期值得注意的是，国外最先采用复合材料风扇叶片的并不是匹配单通道客机的具有较小直径风扇叶片的商用涡扇发动机（如CFM56、V2500等），而是匹配B777级别双通道客机的具有较大直径风扇叶片的GE90商用涡扇发动机。经分析，其原因可能是较大尺寸的风扇叶片不但设计裕度大，叶片可以
设计得更强，而且在受到外物冲击（简称FOD）时能够产生足够的弹性变形吸收冲击能量，防止叶片损坏，较易通过鸟撞试验；而较小尺寸风扇叶片由于设计裕度有限，而且受小尺寸限制刚性过强而无法产生足够的弹性变形，在同样的材料和成型工艺下较难通过FOD 试验，采用三维机织的LEAP-X 发动机复合材料风扇叶片较好解决了这个技术问题。LEAP-X 发动机复合材料风扇叶片最显著的特点是三维机织结构大大提升了复合材料的损伤容限与抗外物损伤性能，而RTM 技术可以制备形状复杂、尺寸精确的制件，可以严格控制纤维体积含量，保证制品具有良好的表面质量，且具有较好的集成性。与CFM 公司同等推力水平的采用更多金属结构的CFM56发动机相比，采用三维机织/RTM 技术成型叶片的LEAP 发动机重量降低了1000磅以上，燃油效率提高16%，NOX 排放量低60%，噪声水平低10-15dB，而可靠性维持CFM56的水平。与同样采用复合材料风扇叶片设计的GE90发动机相比，LEAP-X 发动机叶盘直径减少了50英寸以上，但同样具备满足适航要求的抗鸟撞能力。目前，CFM 公司分别在美国和墨西哥建设复合材料叶片厂，已达到5万片/年的产量，产生了巨大的经济和社会效益[10]。
3 机织复合材料风扇叶片成型技术
航空工业复材技术中心是国内率先开展机织复合材料风扇叶片RTM 成型技术的单位之一。经过
多年的研究，对于机织复合材料风扇叶片的材料体系国产化、预制体扭转变形控制技术、高效RTM 成型技术均有了长足的进步。3.1 机织复合材料风扇叶片材料体系
由于发动机对复合材料风扇叶片有较高的抗冲击(即鸟撞)要求，因此，国外采用高强T800级碳纤维（IM7）和具有高韧性特征的专用液体成型树脂进行成型，例如LEAP-X 发动机采用的材料体系为IM7/PR520。该类树脂的特点是韧性好，抗冲击
B777-X 配套的GE9X 发动机。其中GE90、GEnx、TRENT“超扇”、GE9X 发动机具有较大的推力，主要为双通道商用客机提供飞行动力，风扇叶片尺寸较大，风扇叶片采用预浸料/热压罐工艺研制。而最新开发的LEAP-X 发动机是首个为单通道商用客机提供飞行动力的发动机，因此风扇叶片的尺寸也小于GE90、GEnx 等发动机的风扇叶片，风扇叶片采用机织/RTM 工艺研制[1-9]。
2 机织复合材料风扇叶片国外应用现状
由于中等推力发动机对更小、更轻的风扇叶片提出了更高的强度要求，作为GE 公司在CFM 国际公司的合伙人，Snecma 公司将采用新的碳纤维增强复合材料结构制造工艺用于CFM56系列的下一代继任发动机——LEAP-X。与GE90和GEnx 风扇叶片采用铺设多层预浸碳纤维薄层的方式不同，Snecma 公司采用RTM 工艺来制造LEAP 发动机的复合材料风扇叶片，其特点是叶片高压成型前将碳纤维织造成三维机织结构，然后注入树脂，如图1所示。回首黄土地
图1 LEAP-X 发动机复合材料风扇叶片
1995年旧金山
LEAP-X 发动机风扇叶片采用了法国Snecma 公司的专利3-D WOVEN /RTM 技术成型，也是世界上首个通过FOD 试验的中小推力涡扇发动机复合材料风扇叶片。该复合材料风扇叶片主要包含三维机织预制体织造技术、预成型技术、RTM 成型技术、预制体切割技术等。由于自动化程度高，叶片制造的全过程仅需24小时即可完成，成型效率高，质量一致性好。
机织复合材料风扇叶片成型技术研究
702019年
纤维复合材料3.2 机织复合材料风扇叶片预制体扭转定位控制技术
（a）展平状态 （b）扭转状态
图2 机织叶片预制体的两种形态
机织复合材料风扇叶片预制体的扭转变形定位技术是机织叶片预制体制备完成后进行扭转变形并在模具中定位使预制体获得最终形态的技术。在三维机织风扇叶片结构预制体的制造过程中，由于技
置设计轴向和弦向定位线，作为整个叶片预制体的定位和变形控制基准，实现叶片机织预制体的过程
指标优异，具体见表1。
表1 国外几种常见的RTM 树脂浇铸体性能对比司的cycom890，Hexcel 公司的RTM6），PR520树脂的G IC 性能明显优于通用RTM 树脂。目前国内针对T800级碳纤维已有如威海拓展、江苏恒神等多家碳纤维生产厂家可以提供类似产品，而PR520级别的高韧性液体成型树脂国内尚属空白。航空工业复材目前已开发出了发动机专用的高韧性ACTECH1304树脂，其树脂浇铸料和机织复合材料主要性能已基本达到国外同类材料PR520水平。具体见表2。
从表2可以看出，国产高韧性ACTECH1304树脂已基本达到进口PR520材料水平。
图5 机织复合材料风扇叶片树脂流动模拟
（a）叶身局部 （b）榫头局部图6 国内自主开发的机织复合材料风扇叶片
4 结语
由于机织复合材料叶片性能优异，特别是多维立体结构赋予其良好的抗分层和抗鸟撞能力，使其在使用中不亚于任何一种金属叶片或其他类型的复合材料叶片。另外，机织复合材料风扇叶片的生产未来可实现全自动化生产，具有生产效率高、成本低和质量一致性好等优点，是未来我国大涵道比发动机转子叶片的重要发展方向。航空工业复材正在与国内多家科研单位、高校、企业等合作致力研发机织复合材料风扇叶片，经过多年的技术攻关，已攻克了机织复合材料风扇叶片相关的高韧性材料体系开发、预制体扭转定位技术、高效RTM 成型技术和超声检测技术等，并开发出机织复合材料风扇叶片样件，正在进行相关的验证试验，未来将有希望应用于我国商用大涵道比发动机上。
机织复合材料风扇叶片采用的预制体为多维立体结构织物，机织预制体如果采用通用液体成型树脂成型，其复合材料力学性能偏低，其主要原因为机织预制体结点应力较大，通用液体成型树脂呈脆性，易产生微裂纹现象，从而无法充分发挥多维立体结构的性能。目前国外采用了特种的高韧性液体成型树脂PR520成型机织复合材料风扇叶片，该树脂的韧性能够满足机织结构复合材料的需求，复合材料性能优异。但成型工艺苛刻，注射温度高达165+5
℃，而注射时间不到30min，对机织叶片预制体成型而言是巨大的工艺挑战，见图4。如果采用常规的RTM 技术成型，采用树脂升温-脱泡-注射-固化的流程进行，前期的工艺操作即将注射时间消耗殆尽，而无法实现预制体的成型。
图4 PR520树脂的粘度-温度曲线
本关键技术是针对增韧液体成型树脂和机织复合材料风扇叶片预制体的特点，开发一种新型高效RTM 成型工艺技术，具体实施途径是对RTM 的成型工艺流程，尤其是树脂升温、脱泡过程和工艺准
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纤维复合材料
红统一图库 彩图2018（上接第67页）
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豫公网安备41160202000603
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