發(fā)動機是飛機的“心臟”，要想使飛機具有優(yōu)良的性能,，發(fā)動機是至關(guān)重要的因素,。因此，飛機制造商在研發(fā)新機型時,，往往要同發(fā)動機廠商密切合作,，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)動機,，以保證新機型在市場競爭中脫穎而出,。為此，發(fā)動機制造商千方百計地把最先進的設(shè)計,、材料和制造工藝運用到產(chǎn)品中去,，以滿足飛機制造商的要求。
近20年來,，發(fā)動機制造商推出了一系列先進的渦扇發(fā)動機,，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)動機,，CFM公司的Leap系列發(fā)動機,，普惠的PW1000G系列齒輪渦扇發(fā)動機等。這些發(fā)動機大都采用了新技術(shù),、新材料和新工藝,，代表了未來發(fā)動機制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
預浸料鋪疊成型技術(shù)
早在1970年代,，羅羅就開始著手采用復合材料來制造風扇葉片,，但未獲成功。GE是首家成功將碳纖維風扇葉片運用到產(chǎn)品中的制造商。1970年代以來,，GE在一系列項目上進行試驗,，為該材料在GE90上大量使用打下了基礎(chǔ)。
1995年,，使用碳纖維風扇葉片的GE90發(fā)動機作為波音777客機的動力裝置投入服役,。此后，GE又將該技術(shù)用于GEnx發(fā)動機,。隨著波音777和波音787客機銷量的上升,，GE90和GEnx這兩種發(fā)動機也取得了巨大成功。
為實現(xiàn)碳纖維風扇葉片的量產(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,。公司首要任務是制造GE90發(fā)動機的寬弦風扇葉片,，自1994年9月交付首批葉片以來，至今已交付了20000多件GE90風扇葉片,。18年來,，該葉片從未發(fā)生過故障，F(xiàn)AA對其不設(shè)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)過固化后再進行最終加工。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(nèi),，在超聲切割設(shè)備上按照工藝要求進行切割,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)上進行鋪疊,，形成預成型件,。所謂激光投射系統(tǒng)，就是采用一系列精心設(shè)計的反光鏡和電流計把靜止的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N按照設(shè)定路線快速運動的光束,，繪出一個圖形,，起到替代樣板的作用，可使制造時間大大縮短。
預成型件移出超凈間后,，送入熱壓罐進行固化,。采用實時高分辨率數(shù)字式超聲或X光成像系統(tǒng)可對經(jīng)過固化的零件的完整性進行評估。全沉浸超聲系統(tǒng)的脈沖回波和直通傳送可隨著極復雜的零件外形提供二維或三維實時圖像,。兩臺CT系統(tǒng)可提供實時數(shù)字式X光圖像來對厚的疊層進行評估,。該公司還具備設(shè)計、制造和修理復材工具的能力,。材料鑒定和質(zhì)量保證實驗室具備對預浸件,、樹脂和經(jīng)固化的成品進行全面鑒定的能力。
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,，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,。作為動力供應商的CFM公司則相應地研制了Leap系列發(fā)動機。試驗表明,，預浸層料鋪疊技術(shù)對Leap發(fā)動機的風扇葉片并不適用,，這是因為Leap發(fā)動機的風扇直徑較小，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(cè)彎曲,，葉尖處較薄�,！翱棛C”由計算機控制,，8件葉片共需用32萬多米長的纖維，編織出的葉片是干的,。
葉片在高壓噴水切割設(shè)備上進行切邊后被裝入一個特制的模具,，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)進行固化，無需抽真空,，在176℃溫度下保持5小時,。葉片需進行X光和聲學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,，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,。預計到2020年，Leap系列發(fā)動機產(chǎn)量將達到年產(chǎn)1500臺,，工廠將實行三班倒,，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已破土動工，計劃于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臺織機，各配備200名員工,。預計僅風扇葉片一項,，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,，有70名技術(shù)人員專門研發(fā)碳纖維風扇葉片的自動化制造工藝技術(shù)和設(shè)備,。羅羅公司計劃將碳纖維風扇葉片用于其正在為波音777X大型客機研制的RB3025渦扇發(fā)動機。
復材制造風扇機匣
除了采用復合材料制造風扇葉片之外,，GE還采用復合材料來制造GEnx發(fā)動機的風扇機匣和其他一些零部件。復材風扇機匣由GKN宇航公司制造,，可使每臺發(fā)動機減輕160千克,。復合材料制造的風扇機匣和風扇葉片都成功地經(jīng)受了嚴格的包容試驗、鳥撞試驗和天氣試驗的考驗,。
包容試驗就是在一個風扇葉片的根部設(shè)置一定量的炸藥,，在發(fā)動機運行過程中引爆,，如果風扇機匣未被葉片碎片擊穿，碎片得以從外涵道排出,，就說明機匣具有足夠的強度,。在鳥撞試驗中，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臺進行,，在經(jīng)歷了一個小時、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(tǒng)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,，采用鋁化鈦來制造發(fā)動機零件,，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公司用鋁化鈦來制造GEnx發(fā)動機的第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)動機的重量減少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,，然后再用于結(jié)構(gòu)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程通常包括下列三個主要步驟：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反應而成,、在相對低溫下燒結(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行加工,。如需要,，還可進行浸漬等處理工序。
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。試驗證明,，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)動機上安裝了一個CMC渦輪導向葉片,，還在F414發(fā)動機上裝用CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片進行過試驗,。在民用發(fā)動機方面，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)動機上采用CMC渦輪導向葉片,，而在GE9X發(fā)動機上采用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,，按GE90-115發(fā)動機計算,，如果使用新材料，整臺發(fā)動機可減重455千克,，占發(fā)動機總重量的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，專門制造陶瓷基復材發(fā)動機零件,。
