發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，要想使飛機(jī)具有優(yōu)良的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)是至關(guān)重要的因素。因此，飛機(jī)制造商在研發(fā)新機(jī)型時(shí)，往往要同發(fā)動(dòng)機(jī)廠商密切合作，要求其研發(fā)推力、功率符合新機(jī)型要求，并且推重比、燃油消耗率、噪聲和污染排放等各項(xiàng)性能指標(biāo)都更加優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)，以保證新機(jī)型在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商千方百計(jì)地把最先進(jìn)的設(shè)計(jì)、材料和制造工藝運(yùn)用到產(chǎn)品中去，以滿足飛機(jī)制造商的要求。
近20年來，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商推出了一系列先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)，CFM公司的Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)，普惠的PW1000G系列齒輪渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)等。這些發(fā)動(dòng)機(jī)大都采用了新技術(shù)、新材料和新工藝，代表了未來發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
預(yù)浸料鋪疊成型技術(shù)
早在1970年代，羅羅就開始著手采用復(fù)合材料來制造風(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(yùn)用到產(chǎn)品中的制造商。1970年代以來，GE在一系列項(xiàng)目上進(jìn)行試驗(yàn)，為該材料在GE90上大量使用打下了基礎(chǔ)。
1995年，使用碳纖維風(fēng)扇葉片的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)作為波音777客機(jī)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(jī)。隨著波音777和波音787客機(jī)銷量的上升，GE90和GEnx這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)也取得了巨大成功。
為實(shí)現(xiàn)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。該公司的工廠設(shè)在美國德克薩斯州的圣馬可斯市，廠房面積約為25000平方米。公司首要任務(wù)是制造GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的寬弦風(fēng)扇葉片，自1994年9月交付首批葉片以來，至今已交付了20000多件GE90風(fēng)扇葉片。18年來，該葉片從未發(fā)生過故障，F(xiàn)AA對(duì)其不設(shè)置壽命期限。
西凡公司采用的技術(shù)主要是將預(yù)浸料條片鋪疊成預(yù)成型件，經(jīng)過固化后再進(jìn)行最終加工。葉片通常由數(shù)百層以上的單向料帶和纖維組成，跟部厚度可達(dá)100毫米，而在葉尖則僅有6毫米。工廠配置的主要設(shè)施包括冷凍室、超凈室、熱壓罐、加工中心、材料實(shí)驗(yàn)室等。
生產(chǎn)該材料的主要工作流程為：預(yù)浸料收到后儲(chǔ)存在冷凍室內(nèi)，在超聲切割設(shè)備上按照工藝要求進(jìn)行切割,然后轉(zhuǎn)移到超凈室。按照產(chǎn)品要求，層材在激光投射系統(tǒng)上進(jìn)行鋪疊，形成預(yù)成型件。所謂激光投射系統(tǒng)，就是采用一系列精心設(shè)計(jì)的反光鏡和電流計(jì)把靜止的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N按照設(shè)定路線快速運(yùn)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(yù)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(shù)字式超聲或X光成像系統(tǒng)可對(duì)經(jīng)過固化的零件的完整性進(jìn)行評(píng)估。全沉浸超聲系統(tǒng)的脈沖回波和直通傳送可隨著極復(fù)雜的零件外形提供二維或三維實(shí)時(shí)圖像。兩臺(tái)CT系統(tǒng)可提供實(shí)時(shí)數(shù)字式X光圖像來對(duì)厚的疊層進(jìn)行評(píng)估。該公司還具備設(shè)計(jì)、制造和修理復(fù)材工具的能力。材料鑒定和質(zhì)量保證實(shí)驗(yàn)室具備對(duì)預(yù)浸件、樹脂和經(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，空客和波音都開始發(fā)展新一代單通道客機(jī)，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(jī)。作為動(dòng)力供應(yīng)商的CFM公司則相應(yīng)地研制了Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)表明，預(yù)浸層料鋪疊技術(shù)對(duì)Leap發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片并不適用，這是因?yàn)長(zhǎng)eap發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑較小，葉片相對(duì)較短，撓性不足。
為此，負(fù)責(zé)低壓部件的斯奈克瑪公司與美國奧爾巴尼工程復(fù)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(cè)彎曲，葉尖處較薄。“織機(jī)”由計(jì)算機(jī)控制，8件葉片共需用32萬多米長(zhǎng)的纖維，編織出的葉片是干的。
葉片在高壓噴水切割設(shè)備上進(jìn)行切邊后被裝入一個(gè)特制的模具，閉合后樹脂以125PSI的壓力注入，完成樹脂轉(zhuǎn)移模壓過程（RTM）。然后，葉片置入爐內(nèi)進(jìn)行固化，無需抽真空，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(yàn)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)受了鳥撞試驗(yàn)，開始小批量生產(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。預(yù)計(jì)到2020年，Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量將達(dá)到年產(chǎn)1500臺(tái)，工廠將實(shí)行三班倒，達(dá)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已破土動(dòng)工，計(jì)劃于2014年投產(chǎn)。法國的新工廠則將在2015年投產(chǎn)。生產(chǎn)高峰期每家工廠將配備20～30臺(tái)織機(jī)，各配備200名員工。預(yù)計(jì)僅風(fēng)扇葉片一項(xiàng)，年收入可達(dá)3～5億美元。
為了在該項(xiàng)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(yàn)工廠，有70名技術(shù)人員專門研發(fā)碳纖維風(fēng)扇葉片的自動(dòng)化制造工藝技術(shù)和設(shè)備。羅羅公司計(jì)劃將碳纖維風(fēng)扇葉片用于其正在為波音777X大型客機(jī)研制的RB3025渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。
復(fù)材制造風(fēng)扇機(jī)匣
除了采用復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片之外，GE還采用復(fù)合材料來制造GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣和其他一些零部件。復(fù)材風(fēng)扇機(jī)匣由GKN宇航公司制造，可使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減輕160千克。復(fù)合材料制造的風(fēng)扇機(jī)匣和風(fēng)扇葉片都成功地經(jīng)受了嚴(yán)格的包容試驗(yàn)、鳥撞試驗(yàn)和天氣試驗(yàn)的考驗(yàn)。
包容試驗(yàn)就是在一個(gè)風(fēng)扇葉片的根部設(shè)置一定量的炸藥，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中引爆，如果風(fēng)扇機(jī)匣未被葉片碎片擊穿，碎片得以從外涵道排出，就說明機(jī)匣具有足夠的強(qiáng)度。在鳥撞試驗(yàn)中，復(fù)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(yàn)在GE公司位于俄亥俄州皮波爾斯市的室外試車臺(tái)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(yàn)和15分鐘的冰雹試驗(yàn)后，葉片完好無損。
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(jī)械性能和耐腐蝕性使其可以取代傳統(tǒng)的鎳基超級(jí)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，采用鋁化鈦來制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件，例如低壓渦輪葉片和高壓壓氣機(jī)葉片等，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比很有效。
GE是這項(xiàng)新材料的先行者。GE公司用鋁化鈦來制造GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的第6級(jí)和第7級(jí)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(fù)責(zé)鑄造，由莫勒制造公司飛機(jī)分部負(fù)責(zé)加工。
另一項(xiàng)可用于葉片的金屬間化合物是硅化鈮(NbSi), 用該材料來制造渦輪葉片，與高性能鎳基合金如Rene 80相比，可使每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量減少45～135千克。除了顯著減輕重量外，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(jí)，然后再用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高壓渦輪葉片。
陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用
陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是一種用陶瓷纖維加強(qiáng)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(fù)材零件的制造過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(yù)成型件。
在第二步中，有5種方法可用來將陶瓷基體填充到預(yù)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(yīng)而成、在相對(duì)低溫下燒結(jié)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(fù)材具有重量輕、性能好、需要的冷卻氣流少等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)證明，該材料比傳統(tǒng)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(jī)上安裝了一個(gè)CMC渦輪導(dǎo)向葉片，還在F414發(fā)動(dòng)機(jī)上裝用CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行過試驗(yàn)。在民用發(fā)動(dòng)機(jī)方面，則考慮用于燃燒室、高壓轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jī)上采用CMC渦輪導(dǎo)向葉片，而在GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)上采用CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片。如獲成功，則不但葉片重量減少很多，渦輪盤、渦輪軸和軸承的重量也將顯著減少。
據(jù)估計(jì)，按GE90-115發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算，如果使用新材料，整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可減重455千克，占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的6%。GE計(jì)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，專門制造陶瓷基復(fù)材發(fā)動(dòng)機(jī)零件。
