發(fā)動(dòng)機是飛機的“心臟”，要想使飛機具有優(yōu)良的性能，發(fā)動(dòng)機是至關(guān)重要的因素。因此，飛機制造商在研發(fā)新機型時(shí)，往往要同發(fā)動(dòng)機廠(chǎng)商密切合作，要求其研發(fā)推力、功率符合新機型要求，并且推重比、燃油消耗率、噪聲和污染排放等各項性能指標都更加優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機，以保證新機型在市場(chǎng)競爭中脫穎而出。為此，發(fā)動(dòng)機制造商千方百計地把最先進(jìn)的設計、材料和制造工藝運用到產(chǎn)品中去，以滿(mǎn)足飛機制造商的要求。
近20年來(lái)，發(fā)動(dòng)機制造商推出了一系列先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機，其中包括GE和普惠合作研制的GP7200，GE的GE90、GEnx、GE9X，羅羅的Trent系列發(fā)動(dòng)機，CFM公司的Leap系列發(fā)動(dòng)機，普惠的PW1000G系列齒輪渦扇發(fā)動(dòng)機等。這些發(fā)動(dòng)機大都采用了新技術(shù)、新材料和新工藝，代表了未來(lái)發(fā)動(dòng)機制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
預浸料鋪疊成型技術(shù)
早在1970年代，羅羅就開(kāi)始著(zhù)手采用復合材料來(lái)制造風(fēng)扇葉片，但未獲成功。GE是首家成功將碳纖維風(fēng)扇葉片運用到產(chǎn)品中的制造商。1970年代以來(lái)，GE在一系列項目上進(jìn)行試驗，為該材料在GE90上大量使用打下了基礎。
1995年，使用碳纖維風(fēng)扇葉片的GE90發(fā)動(dòng)機作為波音777客機的動(dòng)力裝置投入服役。此后，GE又將該技術(shù)用于GEnx發(fā)動(dòng)機。隨著(zhù)波音777和波音787客機銷(xiāo)量的上升，GE90和GEnx這兩種發(fā)動(dòng)機也取得了巨大成功。
為實(shí)現碳纖維風(fēng)扇葉片的量產(chǎn)，GE和斯奈克瑪合資組建了西凡公司。該公司的工廠(chǎng)設在美國德克薩斯州的圣馬可斯市，廠(chǎng)房面積約為25000平方米。公司首要任務(wù)是制造GE90發(fā)動(dòng)機的寬弦風(fēng)扇葉片，自1994年9月交付首批葉片以來(lái)，至今已交付了20000多件GE90風(fēng)扇葉片。18年來(lái)，該葉片從未發(fā)生過(guò)故障，FAA對其不設置壽命期限。
西凡公司采用的技術(shù)主要是將預浸料條片鋪疊成預成型件，經(jīng)過(guò)固化后再進(jìn)行最終加工。葉片通常由數百層以上的單向料帶和纖維組成，跟部厚度可達100毫米，而在葉尖則僅有6毫米。工廠(chǎng)配置的主要設施包括冷凍室、超凈室、熱壓罐、加工中心、材料實(shí)驗室等。
生產(chǎn)該材料的主要工作流程為：預浸料收到后儲存在冷凍室內，在超聲切割設備上按照工藝要求進(jìn)行切割,然后轉移到超凈室。按照產(chǎn)品要求，層材在激光投射系統上進(jìn)行鋪疊，形成預成型件。所謂激光投射系統，就是采用一系列精心設計的反光鏡和電流計把靜止的激光束轉變?yōu)橐环N按照設定路線(xiàn)快速運動(dòng)的光束，繪出一個(gè)圖形，起到替代樣板的作用，可使制造時(shí)間大大縮短。
預成型件移出超凈間后，送入熱壓罐進(jìn)行固化。采用實(shí)時(shí)高分辨率數字式超聲或X光成像系統可對經(jīng)過(guò)固化的零件的完整性進(jìn)行評估。全沉浸超聲系統的脈沖回波和直通傳送可隨著(zhù)極復雜的零件外形提供二維或三維實(shí)時(shí)圖像。兩臺CT系統可提供實(shí)時(shí)數字式X光圖像來(lái)對厚的疊層進(jìn)行評估。該公司還具備設計、制造和修理復材工具的能力。材料鑒定和質(zhì)量保證實(shí)驗室具備對預浸件、樹(shù)脂和經(jīng)固化的成品進(jìn)行全面鑒定的能力。
三維編織技術(shù)
近年來(lái)，空客和波音都開(kāi)始發(fā)展新一代單通道客機，空客推出了A320neo系列，波音則推出波音737MAX系列，中國商飛公司也在研制C919客機。作為動(dòng)力供應商的CFM公司則相應地研制了Leap系列發(fā)動(dòng)機。試驗表明，預浸層料鋪疊技術(shù)對Leap發(fā)動(dòng)機的風(fēng)扇葉片并不適用，這是因為L(cháng)eap發(fā)動(dòng)機的風(fēng)扇直徑較小，葉片相對較短，撓性不足。
為此，負責低壓部件的斯奈克瑪公司與美國奧爾巴尼工程復材公司（AEC）合作，研發(fā)出一種三維編織技術(shù)，將碳纖維編織出一種多層的整體葉片，葉跟處較厚，兩側彎曲，葉尖處較薄�！翱棛C”由計算機控制，8件葉片共需用32萬(wàn)多米長(cháng)的纖維，編織出的葉片是干的。
葉片在高壓噴水切割設備上進(jìn)行切邊后被裝入一個(gè)特制的模具，閉合后樹(shù)脂以125PSI的壓力注入，完成樹(shù)脂轉移模壓過(guò)程（RTM）。然后，葉片置入爐內進(jìn)行固化，無(wú)需抽真空，在176℃溫度下保持5小時(shí)。葉片需進(jìn)行X光和聲學(xué)檢驗以確定是否存在空穴。葉片表面用氧化鋁噴砂，使表面毛糙，然后涂漆以防侵蝕，最后再包上鈦合金前緣。葉片成品重4千克，僅為鈦合金葉片的1/8。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，該技術(shù)終于在2011年獲得成功，葉片經(jīng)受了鳥(niǎo)撞試驗，開(kāi)始小批量生產(chǎn)。
為了增加產(chǎn)量，AEC公司和斯奈克瑪公司商定將在美國和法國各組建一家新的工廠(chǎng)。預計到2020年，Leap系列發(fā)動(dòng)機產(chǎn)量將達到年產(chǎn)1500臺，工廠(chǎng)將實(shí)行三班倒，達到每30分鐘就能產(chǎn)出一件葉片。目前，投資1億美元、占地9000平方米的美國新工廠(chǎng)已破土動(dòng)工，計劃于2014年投產(chǎn)。法國的新工廠(chǎng)則將在2015年投產(chǎn)。生產(chǎn)高峰期每家工廠(chǎng)將配備20～30臺織機，各配備200名員工。預計僅風(fēng)扇葉片一項，年收入可達3～5億美元。
為了在該項技術(shù)方面追趕，羅羅與GKN公司合資成立了一家名為斯他爾（CTAL）的公司。雙方共投資1480萬(wàn)英鎊（其中一半由英國政府提供），在英國南部的懷特島上建立試驗工廠(chǎng)，有70名技術(shù)人員專(zhuān)門(mén)研發(fā)碳纖維風(fēng)扇葉片的自動(dòng)化制造工藝技術(shù)和設備。羅羅公司計劃將碳纖維風(fēng)扇葉片用于其正在為波音777X大型客機研制的RB3025渦扇發(fā)動(dòng)機。
復材制造風(fēng)扇機匣
除了采用復合材料制造風(fēng)扇葉片之外，GE還采用復合材料來(lái)制造GEnx發(fā)動(dòng)機的風(fēng)扇機匣和其他一些零部件。復材風(fēng)扇機匣由GKN宇航公司制造，可使每臺發(fā)動(dòng)機減輕160千克。復合材料制造的風(fēng)扇機匣和風(fēng)扇葉片都成功地經(jīng)受了嚴格的包容試驗、鳥(niǎo)撞試驗和天氣試驗的考驗。
包容試驗就是在一個(gè)風(fēng)扇葉片的根部設置一定量的炸藥，在發(fā)動(dòng)機運行過(guò)程中引爆，如果風(fēng)扇機匣未被葉片碎片擊穿，碎片得以從外涵道排出，就說(shuō)明機匣具有足夠的強度。在鳥(niǎo)撞試驗中，復材葉片經(jīng)受了中型（2.5磅）和大型（8磅）異物的沖擊。天氣試驗在GE公司位于俄亥俄州皮波爾斯市的室外試車(chē)臺進(jìn)行，在經(jīng)歷了一個(gè)小時(shí)、雨量為225加侖/分鐘的暴雨試驗和15分鐘的冰雹試驗后，葉片完好無(wú)損。
用鋁化鈦造低壓渦輪葉片
鋁化鈦（TiAl）是一種金屬間化合物，重量輕，耐高溫、耐氧化。該材料在600°C下的優(yōu)良機械性能和耐腐蝕性使其可以取代傳統的鎳基超級合金。鋁化鈦的密度約為4克/立方厘米，只有鎳基合金的一半。因此，采用鋁化鈦來(lái)制造發(fā)動(dòng)機零件，例如低壓渦輪葉片和高壓壓氣機葉片等，對提高發(fā)動(dòng)機的推重比很有效。
GE是這項新材料的先行者。GE公司用鋁化鈦來(lái)制造GEnx發(fā)動(dòng)機的第6級和第7級低壓渦輪葉片，葉片由美國精密鑄件公司和意大利阿維奧公司負責鑄造，由莫勒制造公司飛機分部負責加工。
另一項可用于葉片的金屬間化合物是硅化鈮(NbSi), 用該材料來(lái)制造渦輪葉片，與高性能鎳基合金如Rene 80相比，可使每臺發(fā)動(dòng)機的重量減少45～135千克。除了顯著(zhù)減輕重量外，用于渦輪葉片的冷卻氣流也可大大減少。該材料目前還在研究階段，待條件成熟后，硅化鈮可能首先用于低壓渦輪葉片的前幾級，然后再用于結構復雜的高壓渦輪葉片。
陶瓷基復合材料的應用
陶瓷基復合材料（CMC）是一種用陶瓷纖維加強的陶瓷材料。陶瓷基體和纖維可以由任何陶瓷材料組成，碳和碳纖維也可看做是一種陶瓷材料。
陶瓷基復材零件的制造過(guò)程通常包括下列三個(gè)主要步驟：按照零件所需的形狀鋪放并固定纖維、滲入基體材料和最終加工。
在第一步中，纖維按照通常采用的技術(shù)進(jìn)行鋪放和固定，諸如纖維鋪放、纏繞、編織和捆扎，形成預成型件。
在第二步中，有5種方法可用來(lái)將陶瓷基體填充到預成型件的纖維之間：即從一種氣體混合物中沉積而成、從一種陶瓷聚合物高溫分解而成、從一系列元素的化學(xué)反應而成、在相對低溫下燒結而成和用陶瓷粉電泳沉積而成。
第三步加工包括鉆孔、銑削、磨削和研磨等，需采用金剛鉆工具。CMC也可采用高壓水噴射和激光進(jìn)行加工。如需要，還可進(jìn)行浸漬等處理工序。
陶瓷基復材具有重量輕、性能好、需要的冷卻氣流少等優(yōu)點(diǎn)。試驗證明，該材料比傳統材料更能承受高溫，而重量只有鎳基合金的1/3。
GE已在F136軍用發(fā)動(dòng)機上安裝了一個(gè)CMC渦輪導向葉片，還在F414發(fā)動(dòng)機上裝用CMC渦輪轉子葉片進(jìn)行過(guò)試驗。在民用發(fā)動(dòng)機方面，則考慮用于燃燒室、高壓轉子葉片以及排氣段等。如果用于燃燒室筒體，該材料的重量只有傳統金屬的一半，卻仍可承受1200°C的高溫，NOx排放減少20%，所需冷卻空氣減少50%。如果用于葉片，其重量可比金屬零件減少70%。GE考慮在Leap發(fā)動(dòng)機上采用CMC渦輪導向葉片，而在GE9X發(fā)動(dòng)機上采用CMC渦輪轉子葉片。如獲成功，則不但葉片重量減少很多，渦輪盤(pán)、渦輪軸和軸承的重量也將顯著(zhù)減少。
據估計，按GE90-115發(fā)動(dòng)機計算，如果使用新材料，整臺發(fā)動(dòng)機可減重455千克，占發(fā)動(dòng)機總重量的6%。GE計劃投資1.25億美元在美國北卡羅萊納州的阿希維爾組建面積為11613平米的工廠(chǎng)，專(zhuān)門(mén)制造陶瓷基復材發(fā)動(dòng)機零件。
