陳 利 ，陳 冬 ，容治軍 ，孫 穎 ，孫 緋

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

自20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)第一代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)后，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展取得巨大的成就[1-4].風(fēng)扇葉片作為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在工作狀態(tài)下與流體表面接觸，需要承受較大的流動(dòng)載荷，當(dāng)每個(gè)葉片產(chǎn)生0.1°葉角差時(shí)，葉片的快速旋轉(zhuǎn)會(huì)使氣體阻塞和失速，甚至發(fā)生喘震破壞，因此渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與風(fēng)扇葉片的發(fā)展密切相關(guān)[5].傳統(tǒng)的金屬材料振動(dòng)性能不夠理想，葉片在工作中易產(chǎn)生震顫破壞，而且改善振動(dòng)性能的同時(shí)會(huì)增加葉片質(zhì)量，給葉片的制作帶來了很多困難[6].

葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的30%～35%，其中葉片質(zhì)量每減少1 kg，風(fēng)扇機(jī)匣的質(zhì)量相應(yīng)減少1 kg，傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量減少1 kg，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量將減少0.5 kg[7].以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和高比模量、良好的耐腐蝕性和疲勞耐久性以及整體成形性和非線性振動(dòng)等特征，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用先進(jìn)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)高效率和減重的唯一途徑[8].與鈦合金葉片相比，復(fù)合材料葉片數(shù)量減少50%，質(zhì)量減輕60%，具有高效率、低噪音、低油耗等優(yōu)勢(shì)，其抗鳥撞和吞鳥能力也得到了適航認(rèn)可[9].

增強(qiáng)織物作為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)骨架，它的作用類似于建筑物中的鋼筋結(jié)構(gòu)框架，不但影響復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，而且決定著葉片的承載能力、疲勞性能以及運(yùn)行穩(wěn)定性等[10].本文在介紹國內(nèi)外復(fù)合葉片發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)葉片用復(fù)合材料增強(qiáng)織物的研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，提出了未來渦輪葉片用增強(qiáng)織物的發(fā)展方向，以期為復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考.

1 復(fù)合材料葉片發(fā)展現(xiàn)狀

渦輪葉片的理想特性是：在軟物撞擊（鳥撞擊）試驗(yàn)之后保持葉型剖面；對(duì)高循環(huán)疲勞不敏感；當(dāng)發(fā)生葉片脫落時(shí)相鄰葉片損傷最?。粌纱尉S修之間的平均時(shí)間間隔最長(zhǎng)；安全裕度提高；一致/可重復(fù)加工性和尺寸穩(wěn)定性；風(fēng)扇葉片一體化[11].采用復(fù)合材料能夠更好地滿足以上要求，各國為此進(jìn)行了大量研究.

早在20世紀(jì)60年代末期，英國羅-羅（Rolls-Royce）公司就開始了關(guān)于復(fù)合材料葉片的研制，并率先采用鋪層方法制備碳纖維復(fù)合材料葉片，應(yīng)用于Conway42發(fā)動(dòng)機(jī)，于西非航線上進(jìn)行飛行鑒定，被暴風(fēng)雨擊傷造成葉片分層[12-13].隨后，美國普拉特-惠特尼（Pratt-Whitney）公司和通用電氣（GE）公司在1968年分別研制了碳纖維復(fù)合材料葉片用于JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)和TF-39發(fā)動(dòng)機(jī).1985年，GE公司利用改性環(huán)氧樹脂，在GE36風(fēng)扇研發(fā)中設(shè)計(jì)了一系列復(fù)合材料葉片.1991年，GE公司的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用碳纖維增強(qiáng)高韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料替代鈦合金材料制備掠形大流量寬弦葉片，至今安全飛行890×106h[14].

2006年，GE公司首次試車的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了18個(gè)高模量碳纖維IMT/8551-7預(yù)浸料熱壓成型的實(shí)芯復(fù)合材料葉片，并首次開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料機(jī)匣[15-16].至今，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)是世界上唯一采用復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣和葉片的渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其質(zhì)量更輕，有效載荷性能更好，耐久性更高，其飛行成本、油耗和噪聲更低[17].2008年，法國斯奈克瑪（SNECMA）公司和美國GE公司聯(lián)合的國際發(fā)動(dòng)機(jī)公司（CFM）研發(fā)了LEAP-X1C發(fā)動(dòng)機(jī)，首次采用樹脂傳遞模塑（RTM）工藝制備碳纖維三維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片，與現(xiàn)役CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)相比，LEAP-X1C發(fā)動(dòng)機(jī)油耗降低16%，二氧化碳排放量減少16%，氮氧化物排放量減少40%，并且更為安靜[18].2014年，英國羅-羅（Rolls-Royce）公司Advance和UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的碳-鈦合金混雜復(fù)合材料葉片成功通過了首次裝機(jī)試飛[19].三維織物增強(qiáng)高韌性樹脂復(fù)合材料葉片技術(shù)為葉片損傷容限的提高提供了更廣闊的設(shè)計(jì)空間.

圍繞復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，我國也開展了一些卓有成效的研究工作.2000年，航空材料研究院研發(fā)出二維編織復(fù)合材料葉片.2004年，北京航空航天大學(xué)和南京航空航天大學(xué)對(duì)RTM技術(shù)仿真和三維織物復(fù)合材料葉片的研究現(xiàn)狀分別作了綜述，呼吁我國盡早開展此方面研究[20].2016年，西安交通大學(xué)根據(jù)渦輪葉片在工作時(shí)的受力，設(shè)計(jì)出一種纖維定向增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片[21].巨大的全球航空市場(chǎng)使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量迅速擴(kuò)大，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的需求量十分可觀.

2 復(fù)合材料葉片增強(qiáng)織物的研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)和制備取得了多項(xiàng)研究成果，例如實(shí)心碳纖維葉片、實(shí)心混雜纖維葉片、超混雜葉片等.增強(qiáng)織物織造技術(shù)是制備復(fù)合材料葉片的核心技術(shù)之一，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和適用性，國外主要采用了2種復(fù)合材料葉片增強(qiáng)織物制備技術(shù).其中適用于B777、B787和A350等雙通道客機(jī)且具有較大推力和較大葉盤直徑的GE90、GEnx、Trent 1000和Trent XWB渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其增強(qiáng)織物采用IM/8551-7及IM7/M91預(yù)浸料，并運(yùn)用激光定位手工/自動(dòng)化成型.而最新開發(fā)的適用于B737、A320、C919等單通道客機(jī)、具有較小推力的LEAP-X渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其增強(qiáng)織物采用了IM7碳纖維預(yù)浸料和結(jié)合RTM自動(dòng)化技術(shù)成型的三維編織結(jié)構(gòu)[22].綜上所述，復(fù)合材料葉片增強(qiáng)織物的制造工藝主要包括預(yù)浸料鋪放（鋪層）技術(shù)和三維織物織造技術(shù)[23].

2.1 復(fù)合材料鋪層技術(shù)

復(fù)合材料鋪層技術(shù)是將二維纖維預(yù)浸料按設(shè)計(jì)角度、位置、層數(shù)精密鋪覆，形成三維紡織結(jié)構(gòu)[24].鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片的缺陷是厚度方向沒有纖維連接，導(dǎo)致葉片抗沖擊性能不理想，當(dāng)葉片受到外來異物沖擊時(shí)，容易產(chǎn)生分層破壞而導(dǎo)致葉片整體失效.

2.1.1 二維預(yù)浸料或織物鋪層復(fù)合材料

美國通用電氣公司GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片由400層預(yù)浸帶從葉根到葉尖逐漸鋪層制得；俄羅斯研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外殼機(jī)匣使用復(fù)合材料，葉片螺旋層區(qū)域由二維鋪層復(fù)合材料組成；日本JAXA宇航研究中心研制的鋪層復(fù)合材料葉片采用了反對(duì)稱鋪層方式，改善復(fù)合材料葉片的力學(xué)性能；捷克技術(shù)大學(xué)為往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶導(dǎo)流罩的軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的葉片和驅(qū)動(dòng)軸采用了碳/環(huán)氧復(fù)合材料.上述材料主要由二維預(yù)浸料或織物鋪層構(gòu)成.

2.1.2 混雜纖維復(fù)合材料和超混雜復(fù)合材料

單一纖維增強(qiáng)體復(fù)合材料存在自身缺陷，于是人們開發(fā)了用碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維甚至輕質(zhì)金屬材料混合的方法，這些方法是提高葉片的抗分層性能以及保護(hù)能力的有效途徑之一.為提高鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片的抗沖擊性能，F(xiàn)riedrich[25]提出了3種方案：①葉根和葉身表面采用碳纖維與玻璃纖維或芳綸纖維預(yù)浸料混雜，混雜比為4∶1，纖維鋪層結(jié)構(gòu)為[0°/22°/0°/-22°]；②14 層碳纖維或芳綸纖維預(yù)浸料制成葉芯，分別用碳纖維和芳綸纖維（或分別用碳纖維和玻璃纖維）預(yù)浸料交替包覆，交替包覆鋪層角為[0°/22°/0°/-22°]；③在碳纖維復(fù)合材料葉片葉尖處設(shè)計(jì)4層角度為80°和45°的芳綸纖維層.經(jīng)抗大鳥撞擊試驗(yàn)驗(yàn)證，3類7種鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片中，第①類和第③類混雜纖維鋪層復(fù)合材料葉片具有更好的抗沖擊性能.受到大鳥沖擊時(shí)，葉身表面和葉根部的玻璃纖維使葉片具有更高的失效應(yīng)變，采用芳綸纖維可在解決抗分層問題的同時(shí)有效提高葉尖的局部抗損壞能力.

1975年，通用電氣公司Carlson等[26]采用高性能纖維與金屬纖維的超混雜鋪層結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料葉片的整體性能，該設(shè)計(jì)將內(nèi)部網(wǎng)狀層與長(zhǎng)絲/基質(zhì)材料的層壓結(jié)構(gòu)相結(jié)合，與葉身邊緣呈45°方向配置鋪放類似于平紋布的金屬網(wǎng)，有效地保護(hù)了葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu).1979年，通用電氣公司Salemme等[27]再次設(shè)計(jì)了復(fù)合材料葉片的超混雜結(jié)構(gòu)，由碳纖維預(yù)浸料、金屬網(wǎng)、鎳鍍層組成，這種葉片前緣的混雜鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得葉片受外物撞擊時(shí)能夠吸收和傳導(dǎo)更多的能量，更好地保護(hù)葉身；而且在鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬網(wǎng)層起到連接上下預(yù)浸料層的作用，顯著提高葉片的層間性能；制備過程中，要求金屬纖維網(wǎng)層與碳纖維預(yù)浸料層在模具作用下協(xié)調(diào)扭曲變形并固化，最終在葉片前緣固化一層金屬網(wǎng)并在金屬網(wǎng)上鍍一層厚度為0.005～0.127 cm的鎳.這種設(shè)計(jì)類似于文獻(xiàn)[26]的超混雜結(jié)構(gòu).

2.2 復(fù)合材料三維織造技術(shù)

三維織物是指由多層紗線立體交織構(gòu)成的高厚織物，包括具有復(fù)雜形狀的中空結(jié)構(gòu)或三維薄殼結(jié)構(gòu)織物[28].三維織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料葉片是三維織造技術(shù)和現(xiàn)代復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高損傷容限復(fù)合材料的強(qiáng)烈需求推動(dòng)著復(fù)合材料技術(shù)的迅速發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸帶韌性的方法很難滿足高損傷容限的要求，在此背景下，三維織物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生.其中，三維織物結(jié)構(gòu)具有多向纖維束構(gòu)成的空間互鎖網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了沿厚度方向的力學(xué)性能[29]，從根本上克服了分層現(xiàn)象，具有較好的抗沖擊韌性和抗疲勞特性，并能夠直接成型多種復(fù)雜形狀，為設(shè)計(jì)和制造凈尺寸復(fù)合材料部件提供了新思路.

葉片如何在織造過程中形成與模具相近的近凈體，在自然狀態(tài)下預(yù)制件緊密地鋪覆在腔膜內(nèi)保持空間扭轉(zhuǎn)狀，一直是葉片用三維織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)需要解決的難題.2006年，美國國家宇航局（NASA）Dambrine等[30]提出了一種葉片預(yù)成型體的三維織造方法，如圖1所示.

圖1（a）為織物組織沿經(jīng)向的橫截面，共有10個(gè)類似的橫截面連接組成一個(gè)完整的循環(huán)結(jié)構(gòu)；圖1（b）為葉片厚度區(qū)域分布圖，從葉根到葉尖厚度逐漸減小，圖中虛線為等厚度分隔線.

2011年，斯奈克瑪動(dòng)力部件公司（Snecma）Coupet等[31]通過控制三維織物組織結(jié)構(gòu)、紗線細(xì)度的方法實(shí)現(xiàn)了葉片厚度的連續(xù)變化，如圖2所示.

圖1 葉片預(yù)成型體三維織物設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 3D fabric design diagram of blade preform

圖2 三維機(jī)織葉片預(yù)成型體減緯紗示意圖Fig.2 Weft subtraction diagram of 3D weaving blade preform

圖2中，沿Y方向作為織物厚度增加方向，其中右側(cè)8枚經(jīng)紗與7層緯紗形成多重緞紋織物，在織物厚度變化的過程中，分成兩個(gè)4枚經(jīng)紗和3層緯紗交織的多重緞紋結(jié)構(gòu)，這種分層織造使一根緯紗不參與織造從而實(shí)現(xiàn)減厚的效果.在減紗過程中，經(jīng)紗左右移動(dòng)使得織物結(jié)構(gòu)在減厚的同時(shí)改變織物寬度.

2017年，天津工業(yè)大學(xué)容治軍[32]織造了一種葉片用三維機(jī)織物，這種三維織物組織結(jié)構(gòu)類似多層緞紋組織，在厚度方向整體連接，直接降低紗線交織密度，紗線在經(jīng)緯向產(chǎn)生小范圍移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了葉片預(yù)成型體擁有良好變形性和可定型性的復(fù)合工藝要求，其組織循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 三維織物組織結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 3D fabric structure diagram

圖3中，沿X方向?yàn)榫暭?，Y方向?yàn)榻?jīng)紗，連接緯紗的直線為輔助線.緯紗的交錯(cuò)配置使兩個(gè)交織點(diǎn)間的經(jīng)紗段與水平方向的夾角約為3°，使得經(jīng)緯紗近似的呈水平分布且層層相連.

綜上所述，增強(qiáng)織物制造技術(shù)主要包括預(yù)浸料鋪放（鋪層）技術(shù)和三維織物織造技術(shù)[33]，值得注意的是，預(yù)浸料鋪放技術(shù)層間能較差，一直制約其發(fā)展，而三維織物織造技術(shù)更好的解決了這一難題.三維織物織造技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)包括：①可以靈活地設(shè)計(jì)整個(gè)增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)，比如葉片頂部更薄，根部更厚，減少鋪層設(shè)計(jì)分層缺陷的產(chǎn)生；②采取連續(xù)變截面設(shè)計(jì)能夠更好地承擔(dān)載荷；③擁有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，更高的損傷容限；④設(shè)計(jì)匹配性好的一次成型結(jié)構(gòu)，減少后續(xù)加工成本.

3 葉片用三維織物亟待解決的問題

三維織造技術(shù)[34]存在沿厚度方向的纖維，具有更好的綜合力學(xué)性能、更高的損傷容限等特性，但與傳統(tǒng)金屬材料和鋪層結(jié)構(gòu)相比，三維織物增強(qiáng)復(fù)合材料葉片織造技術(shù)在應(yīng)用中起步較晚，不夠成熟.因此，關(guān)于三維織造技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝控制還存在很多挑戰(zhàn)，許多研究工作需要開展：

（1）三維織物結(jié)構(gòu)靈活的可設(shè)計(jì)性，使其材料結(jié)構(gòu)多樣化.結(jié)合復(fù)合材料的失效判據(jù)，采用類“積木式”實(shí)驗(yàn)方法策略，建立整體化葉片預(yù)成型體微-細(xì)觀結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的定量表達(dá)，建立柔性化織造全過程的質(zhì)量控制依據(jù).制定與三維機(jī)織復(fù)合材料制備有關(guān)的系列工藝標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善三維織物結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì).

（2）結(jié)合現(xiàn)代化紡織技術(shù)，進(jìn)行多學(xué)科技術(shù)交流，進(jìn)一步提高三維織物自動(dòng)化制造技術(shù)，完善三維織物結(jié)構(gòu)材料-設(shè)計(jì)-工藝一體化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，盡早實(shí)現(xiàn)三維織物結(jié)構(gòu)快速-低成本織造技術(shù).

（3）葉片工作在極端載荷和惡劣環(huán)境下，受到鳥撞等外物撞擊、高周疲勞、振動(dòng)、材料缺陷等因素影響，作為準(zhǔn)確數(shù)值模擬仿真的基礎(chǔ)，建立用于制造葉片的三維機(jī)織復(fù)合材料按損傷容限設(shè)計(jì)的性能數(shù)據(jù)庫和按可靠性概率設(shè)計(jì)所需的統(tǒng)計(jì)性能數(shù)據(jù)庫.

（4）開展三維織物復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究，分析織物結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、鈦合金工藝對(duì)性能影響的試驗(yàn)驗(yàn)證工作.

4 結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外渦輪復(fù)合材料葉片的現(xiàn)狀和發(fā)展，采用樹脂基復(fù)合材料是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率最為有效的手段，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年的探索和努力，取得了一定的研究成果.相較三維織造技術(shù)，鋪層技術(shù)更為成熟，應(yīng)用廣泛，但是鋪層結(jié)構(gòu)較差的層間性能是制約其發(fā)展的重要因素，三維織物成功解決了層間性能缺陷，并為先進(jìn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法.如今新型制造技術(shù)日新月異，希望不久的將來三維織造技術(shù)成為新一代渦輪復(fù)合材料葉片增強(qiáng)材料的主流.