宽弦风扇叶片技术的发展

<p>　　宽弦风扇叶片是现代军民用航空发动机的关键技术之一。它具有增加发动机压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点，日益受到航空发动机制造商的重视，并已在一些发动机上应用这项技术。我国在这项技术研究中也取得了长足的进展 <br/>　　随着航空技术的飞速发 展，航空发动机采用的新技术也在不断增加，宽弦空心风扇叶片就是其中的关键技术之一。<br/>　　 宽弦风扇叶片具有增加压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点。西方主要航空发动机公司相继在新型宽体商用客机上分别采用了带有宽弦风扇叶片的涡扇发动机，如先进的高涵道比(7.9)、大推力(300千牛以上)的PW4084、GE90和遄达800等发动机。<br/>　　 风扇叶片的发展经历了几代设计计算和制造工艺的逐步改进，其生产技术、质量控制、可靠性均已形成规模。总体来讲，其发展可分为以下几个阶段。 <br/>　　窄弦实心风扇叶片<br/>　　早期的风扇叶片出现于60年代初期，主要用钛合金材料制造，在叶身上距叶尖1/3处有向两侧伸出的阻尼凸肩（减振凸台），凸肩在叶片之间相互抵紧形成一个加强环。<br/>　　 这种设计可以在一定程度上增加叶片刚性和自振频率，如CFM56-5发动机的风扇直径为1.3米，风扇叶片长为0.6米，用钛合金整体锻件加工而成。这个时期叶片的特点为窄弦、带凸肩、实心结构。<br/>　　 从性能和工艺等方面来看，带凸肩的实心风扇叶片不适应更大推力发动机对风扇叶片的性能要求。原因之一是由于气流流过凸肩处会产生分离，使气流效率降低，且实心叶片重量过大；其二是叶片的加工工艺性不好，制造成本过高。<br/>　　第一代宽弦空心风扇叶片<br/>　　针对早期窄弦实心风扇叶片存在的缺点，罗-罗公司于80年代首先研究成功了钛合金面板和蜂窝芯板，经过扩散钎焊制成宽弦无凸肩风扇叶片，即第一代宽弦空心风扇叶片，并应用在RB211-535E4和V2500发动机上。其叶片弦长比原来增加了40%左右。此种风扇叶片的优点是：采用宽弦设计后，风扇转子叶片数量减少了1/3；转子重量减轻了10%～30%；蜂窝芯结构还可改善叶片的减振特性；与带阻尼凸肩的窄弦风扇叶片相比，叶栅通道面积加大，喘振裕度变宽，级效率提高，寿命增加。<br/>　　 另外，风扇叶片在使用前经过严格的鸟撞考核试验。V2500发动机在使用中曾遭受多次飞鸟撞击事件，但仍安全无恙，证明此种宽弦风扇叶片的结构设计和制造技术的成功。 <br/>　　第二代宽弦空心风扇叶片<br/>　　罗-罗公司在第一代宽弦叶片的基础上，于1994年研究成功第二代宽弦空心风扇叶片。这种叶片采用钛合金三层结构的超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合工艺制成，风扇叶片芯部采用建筑上所用的三角形桁架结构，取代了第一代宽弦风扇叶片的内部蜂窝芯板。<br/>　　 这种三角形桁架结构不仅轻质，而且能承力，每片叶片重量比蜂窝芯叶片轻15%。该种叶片已经用于波音777和A330飞机的"遄达"发动机上。<br/>　　 该发动机风扇直径为2.79米，叶尖速度为457米/秒，每片宽弦叶片重量仅9千克，气动设计和制造技术均处于当今世界领先水平。<br/>　　 美国普惠公司在同期研制生产的PW4000系列涡扇发动机，风扇原先由38片钛合金窄弦带凸肩实心叶片组成。<br/>　　 PW4084发动机是在PW4000系列基础上研制的增推型发动机，风扇直径达到2.8米，叶尖速度为387米/秒，风扇叶片的设计也采用宽弦空心结构，使叶片的数量减少至22片。其宽弦风扇叶片用两块经过加工的钛合金带筋厚板，首先采用扩散连接(DB)工艺连接，然后应用超塑成形(SPF)工艺使叶片成形，最后数控加工出叶根与叶型。<br/>　　树脂基复合材料宽弦风扇叶片<br/>　　在钛合金宽弦风扇叶片技术发展的同时，美国GE公司为GE90发动机进行了高韧性环氧树脂复合材料宽弦实心风扇叶片的研究。其风扇直径为3.24米，风扇叶尖速度390米/秒，风扇叶片长1.1米，弦宽0.61米。<br/>　　 设计和制造这种全复合材料风扇叶片是冒很大技术风险的，GE公司研究了一种8551-7/IM7增韧环氧/石墨纤维预浸带缠绕的宽弦风扇叶片。<br/>　　 为提高叶片抗分层性能和抗剪强度，在环氧中加入凯芙拉(kevlar)微粒，前缘镶嵌钛条，后缘用kevlar线缝合。采用模压成形法制造出此种树脂基全复合材料的宽弦风扇叶片。<br/>　　 用高韧环氧复合材料制造的风扇叶片，抗颤振性能、抗鸟撞能力和低噪音指标都达到适航证的合格标准。带有高韧环氧复合材料宽弦风扇叶片的GE90发动机已用于波音777飞机，在1995年投入航线运营。 <br/>　　钛基复合材料宽弦风扇叶片<br/>　　新一代航空航天飞行器结构设计中"选择强化"的设计思想导致了钛基复合材料－钛合金混杂结构的出现。<br/>　　 钛基复合材料（TMC）采用连续纤维来增强金属基体。连续纤维不仅可以提高材料的高温强度和刚度，还可以提高其韧性。<br/>　　 普惠公司正在研究这种连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料宽弦风扇叶片，称之为第三代宽弦风扇叶片。这是一种刚度更高、重量更轻、耐撞击的空心风扇叶片，可使发动机风扇再减重约14%。英国等在其军用发动机预先研究计划中，已开展碳化硅纤维增强的钛基复合材料整体叶环转子(bling)的研究；日本进行了SCS-6/Ti-15-3实心压气机叶片的研究。<br/>　　 钛基复合材料风扇叶片的制造过程是：首先将碳化硅纤维（SCS-6）制成预制带，方法是将单方向排列的SCS-6与钛丝编织成纤维布，钛箔和纤维布间隔叠放，按照叶片不同部位的厚度要求确定叠放层数，然后用热等静压法进行碳化硅纤维预制带的扩散连接。<br/>　　 第二步将SCS-6预制带和钛合金(Ti-6Al-4V)制成TMC楔型面板，经X射线、超声探伤、金相和尺寸检查合格后，按风扇叶片要求的叠层次序制备叶片毛坯组件，最后采用SPF/DB工艺成形出宽弦空心叶片，叶片面板厚度从根部到叶尖递减。<br/>　　 目前钛合金宽弦空心风扇叶片最佳和有效的制造方法是SPF/DB工艺技术。罗-罗公司从1994年起利用SPF/DB技术，研究和生产了用于遄达系列发动机的宽弦空心风扇叶片。 <br/>　　国外宽弦风扇叶片在军用发动机上的应用<br/>　　推重比为10一级的涡扇发动机，如F119、EJ200、M88等的研制已基本完成。<br/>　　 由于宽弦空心结构的风扇叶片具有先进的气动性能、抗振能力和减重效益，以及先进的SPF/DB组合工艺技术，使制造成本大为降低，所以，宽弦空心风扇叶片也被新一代高推重比军用涡扇发动机所采用。<br/>　　 罗-罗公司等欧洲四国为新一代欧洲战斗机合作研制的推重比为10一级的EJ200涡扇发动机，采用了宽弦无凸肩的钛合金风扇叶片，无需可变弯度进口导流叶片，简化了发动机结构。<br/>　　 普惠公司为适应美国先进战术战斗机F-22的性能需要，研制了F119-PW-100涡扇发动机。为了提高F119的级载荷和扩大喘振边界，普惠公司已将PW4084发动机采用的宽弦无凸肩空心风扇叶片的设计应用在F119的第一级钛合金风扇叶片上，增大了叶片的强度和损伤容限。 <br/>　　宽弦风扇叶片的技术特点<br/>　　对宽弦风扇叶片而言，除制造工艺之外，还有以下几个特点。<br/>　　 三维粘性设计CFD<br/>　　 在20世纪90年代研究的发动机的宽弦风扇叶片设计中，开始采用三维粘性CFD（计算流体力学）设计，并设计出带后掠或前后掠的宽弦风扇叶片。掠形风扇叶片能大大削弱叶片通道中的激波强度，提高空气流量2%以上，增大了风扇效率，提高发动机推力5%以上。<br/>　　 圆弧榫齿<br/>　　 常规风扇叶片榫齿均作成直线形，如果宽弦叶片设计成较宽大的平行四边形叶根平台来包容叶身下部截面的弧形轮廓，就必须增大风扇盘直径才能排开所有叶片。而将叶根平台做成与叶根截面形状基本一致，即其轮廓也呈弧形，就可以降低榫齿最大宽度，从而减小风扇盘直径和重量。这种圆弧榫齿的宽弦风扇叶片已经在罗-罗公司的发动机上获得成功应用。<br/>　　 整体叶盘结构<br/>　　 整体叶盘结构是进一步提高发动机部件效率的新型结构，即将叶片和风扇盘采用一定的焊接方法连接成一体，省去常规风扇盘连接的榫齿和榫槽，大大简化结构和重量，此技术已经在先进军用发动机如F119和EJ200的三级风扇、高压压气机的整体叶盘转子进行了验证。<br/>　　 整体叶盘目前主要采用线性摩擦焊、电子束焊、固态扩散焊等方法连接。随着新的连接技术和维修技术的出现，可以预见SPF/DB的宽弦风扇叶片直接与叶盘焊接的整体结构的出现。 <br/>　　国内宽弦风扇叶片技术的进展<br/>　　 SPF/DB成形技术<br/>　　 宽弦风扇叶片设计是高推重比军用发动机的一个技术方向。<br/>　　 根据高推重比发动机研制的需要，结合宽弦空心风扇叶片结构设计和SPF/DB技术发展，在"九五"期间国内针对钛合金宽弦风扇叶片进行了SPF/DB技术探索和验证性试验研究。经过几年努力，研究出了空心风扇转子叶片的制造方法，建立了与制造此种叶片相关的一系列工艺路线，研究出三层、四层结构的空心叶片样件。1995年研究出了某新型涡扇发动机的钛合金四层结构SPF/DB空心整流叶片，并已装机通过了地面试车考验。<br/>　　 鉴于罗-罗公司采用SPF/DB技术研究成功该种叶片，同时依据国内超塑成形技术多年的研究成果和试验条件，1999年国内采用叶身"扩散连接+热扭转+超塑成形"三次热循环和榫头焊接的工艺路线，研究成功了钛合金三层结构SPF/DB宽弦空心风扇叶片模拟件。<br/>　　 这种叶片的叶盆和叶背采用一定厚度的钛合金厚板，中间加强芯板采用双面带有止焊剂图形涂层的钛板。 <br/>　　 叶片毛坯进行高压水切割，将机加工榫头与SPF/DB空心叶身定位后，进行电子束焊接，按叶型数据对叶片毛坯进行数控加工、抛修加工和叶型检测，完成宽弦空心风扇叶片模拟件的制造。叶片尺寸大于200毫米×120毫米，最大扭角56度，整体扩散焊合率大于95%。<br/>　　 SPF/DB模拟与分析<br/>　　 由于超塑成形工艺过程的复杂性和不可视性，成形过程的控制和预计较为困难，随着非线形有限元分析法的发展与成熟，我国的一些商业软件，已经能够进行SPF/DB工艺过程的有限元模拟仿真。宽弦叶片内加强筋格的位置、数量、夹角，以及叶片面板与芯板的厚度比例，是SPF/DB宽弦叶片设计制造成功的关键之一。<br/>　　 宽弦叶片由叶尖到叶身根部每个叶型剖面是变化的，而且叶型剖面上大于三层钛板厚度的空心部分的高度也是变化的。通过计算分析，可以模拟超塑成形的变形过程，优化工艺设计，减少试验工作量。此类SPF/DB宽弦叶片的叶型模具设计是空心风扇叶片研究的另一个关键环节。叶片模具的设计中必须解决两个问题：第一是叶片毛坯与模具型腔的定位关系，第二是空心叶片成形后的厚度余量控制与模具型腔的设计关系。<br/>　　 钛基复合材料的SPF/DB技术<br/>　　 由于在TMC中作为基体材料的钛合金具有超塑性，而且有良好的扩散连接性能，可以采用先进的SPF/DB工艺制造这些高性能结构，以取得显著技术和经济效益。为进一步提高钛合金宽弦空心风扇叶片的刚度和强度，国内在"九五"期间还进行了纤维增强的钛基复合材料-钛合金混杂结构技术研究。<br/>　　 作为金属基复合材料，由于材料加工性能差，如果先用纤维增强制成金属基复合材料，再通过成形加工得到产品，就会带来一系列新的问题，所以最佳的产品加工工艺路线是金属基复合材料的制备和成品的制造同步实现。基于上述观点，对纤维增强的TMC-钛合金混杂结构制造技术进行了试验研究。<br/>　　 研究中的钛基复合材料增强体使用国产气相沉积(CVD)钨芯碳化硅(SiC)纤维，表面有碳涂层。钛基复合材料的基体为Ti-15-3合金，选择SiC/Ti-15-3-Ti-15-3板的SPF/DB三层桁架结构进行典型工艺试验。<br/>　　 首先采用编织方法将 SiC纤维纺织成预制带，然后将SiC/Ti-15-3复合材料进行"箔-纤维-箔"顺序铺叠，并将预制件按SPF/DB工艺方法封焊成口袋式毛坯，最后置于模具中一起加热升温，在一个热循环中完成真空热压复合-扩散连接和超塑成形工艺，得到SiC纤维强化TMC面板的三层桁架结构。<br/>　　 由于基体材料的超塑性有利于TMC复合过程，在超塑变形条件下复合能得到较好的复合质量。金相检查表明，面板上纤维分布较均匀，纤维与基体复合、芯板-面板之间扩散质量均较好，扩散面上未见分界线。<br/>　　 "十五"期间国内已经开始利用TC4钛合金、TMC材料的SPF/DB技术，开展TMC材料的宽弦空心风扇叶片制造技术研究。</p><p>　　宽弦风扇叶片是现代军民用航空发动机的关键技术之一。它具有增加发动机压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点，日益受到航空发动机制造商的重视，并已在一些发动机上应用这项技术。我国在这项技术研究中也取得了长足的进展 <br/>　　随着航空技术的飞速发 展，航空发动机采用的新技术也在不断增加，宽弦空心风扇叶片就是其中的关键技术之一。<br/>　　 宽弦风扇叶片具有增加压气机喘振裕度、抗外物损伤、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量等优点。西方主要航空发动机公司相继在新型宽体商用客机上分别采用了带有宽弦风扇叶片的涡扇发动机，如先进的高涵道比(7.9)、大推力(300千牛以上)的PW4084、GE90和遄达800等发动机。<br/>　　 风扇叶片的发展经历了几代设计计算和制造工艺的逐步改进，其生产技术、质量控制、可靠性均已形成规模。总体来讲，其发展可分为以下几个阶段。 <br/>　　窄弦实心风扇叶片<br/>　　早期的风扇叶片出现于60年代初期，主要用钛合金材料制造，在叶身上距叶尖1/3处有向两侧伸出的阻尼凸肩（减振凸台），凸肩在叶片之间相互抵紧形成一个加强环。<br/>　　 这种设计可以在一定程度上增加叶片刚性和自振频率，如CFM56-5发动机的风扇直径为1.3米，风扇叶片长为0.6米，用钛合金整体锻件加工而成。这个时期叶片的特点为窄弦、带凸肩、实心结构。<br/>　　 从性能和工艺等方面来看，带凸肩的实心风扇叶片不适应更大推力发动机对风扇叶片的性能要求。原因之一是由于气流流过凸肩处会产生分离，使气流效率降低，且实心叶片重量过大；其二是叶片的加工工艺性不好，制造成本过高。<br/>　　第一代宽弦空心风扇叶片<br/>　　针对早期窄弦实心风扇叶片存在的缺点，罗-罗公司于80年代首先研究成功了钛合金面板和蜂窝芯板，经过扩散钎焊制成宽弦无凸肩风扇叶片，即第一代宽弦空心风扇叶片，并应用在RB211-535E4和V2500发动机上。其叶片弦长比原来增加了40%左右。此种风扇叶片的优点是：采用宽弦设计后，风扇转子叶片数量减少了1/3；转子重量减轻了10%～30%；蜂窝芯结构还可改善叶片的减振特性；与带阻尼凸肩的窄弦风扇叶片相比，叶栅通道面积加大，喘振裕度变宽，级效率提高，寿命增加。<br/>　　 另外，风扇叶片在使用前经过严格的鸟撞考核试验。V2500发动机在使用中曾遭受多次飞鸟撞击事件，但仍安全无恙，证明此种宽弦风扇叶片的结构设计和制造技术的成功。 <br/>　　第二代宽弦空心风扇叶片<br/>　　罗-罗公司在第一代宽弦叶片的基础上，于1994年研究成功第二代宽弦空心风扇叶片。这种叶片采用钛合金三层结构的超塑成形/扩散连接（SPF/DB）组合工艺制成，风扇叶片芯部采用建筑上所用的三角形桁架结构，取代了第一代宽弦风扇叶片的内部蜂窝芯板。<br/>　　 这种三角形桁架结构不仅轻质，而且能承力，每片叶片重量比蜂窝芯叶片轻15%。该种叶片已经用于波音777和A330飞机的"遄达"发动机上。<br/>　　 该发动机风扇直径为2.79米，叶尖速度为457米/秒，每片宽弦叶片重量仅9千克，气动设计和制造技术均处于当今世界领先水平。<br/>　　 美国普惠公司在同期研制生产的PW4000系列涡扇发动机，风扇原先由38片钛合金窄弦带凸肩实心叶片组成。<br/>　　 PW4084发动机是在PW4000系列基础上研制的增推型发动机，风扇直径达到2.8米，叶尖速度为387米/秒，风扇叶片的设计也采用宽弦空心结构，使叶片的数量减少至22片。其宽弦风扇叶片用两块经过加工的钛合金带筋厚板，首先采用扩散连接(DB)工艺连接，然后应用超塑成形(SPF)工艺使叶片成形，最后数控加工出叶根与叶型。<br/>　　树脂基复合材料宽弦风扇叶片<br/>　　在钛合金宽弦风扇叶片技术发展的同时，美国GE公司为GE90发动机进行了高韧性环氧树脂复合材料宽弦实心风扇叶片的研究。其风扇直径为3.24米，风扇叶尖速度390米/秒，风扇叶片长1.1米，弦宽0.61米。<br/>　　 设计和制造这种全复合材料风扇叶片是冒很大技术风险的，GE公司研究了一种8551-7/IM7增韧环氧/石墨纤维预浸带缠绕的宽弦风扇叶片。<br/>　　 为提高叶片抗分层性能和抗剪强度，在环氧中加入凯芙拉(kevlar)微粒，前缘镶嵌钛条，后缘用kevlar线缝合。采用模压成形法制造出此种树脂基全复合材料的宽弦风扇叶片。<br/>　　 用高韧环氧复合材料制造的风扇叶片，抗颤振性能、抗鸟撞能力和低噪音指标都达到适航证的合格标准。带有高韧环氧复合材料宽弦风扇叶片的GE90发动机已用于波音777飞机，在1995年投入航线运营。 <br/>　　钛基复合材料宽弦风扇叶片<br/>　　新一代航空航天飞行器结构设计中"选择强化"的设计思想导致了钛基复合材料－钛合金混杂结构的出现。<br/>　　 钛基复合材料（TMC）采用连续纤维来增强金属基体。连续纤维不仅可以提高材料的高温强度和刚度，还可以提高其韧性。<br/>　　 普惠公司正在研究这种连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料宽弦风扇叶片，称之为第三代宽弦风扇叶片。这是一种刚度更高、重量更轻、耐撞击的空心风扇叶片，可使发动机风扇再减重约14%。英国等在其军用发动机预先研究计划中，已开展碳化硅纤维增强的钛基复合材料整体叶环转子(bling)的研究；日本进行了SCS-6/Ti-15-3实心压气机叶片的研究。<br/>　　 钛基复合材料风扇叶片的制造过程是：首先将碳化硅纤维（SCS-6）制成预制带，方法是将单方向排列的SCS-6与钛丝编织成纤维布，钛箔和纤维布间隔叠放，按照叶片不同部位的厚度要求确定叠放层数，然后用热等静压法进行碳化硅纤维预制带的扩散连接。<br/>　　 第二步将SCS-6预制带和钛合金(Ti-6Al-4V)制成TMC楔型面板，经X射线、超声探伤、金相和尺寸检查合格后，按风扇叶片要求的叠层次序制备叶片毛坯组件，最后采用SPF/DB工艺成形出宽弦空心叶片，叶片面板厚度从根部到叶尖递减。<br/>　　 目前钛合金宽弦空心风扇叶片最佳和有效的制造方法是SPF/DB工艺技术。罗-罗公司从1994年起利用SPF/DB技术，研究和生产了用于遄达系列发动机的宽弦空心风扇叶片。 <br/>　　国外宽弦风扇叶片在军用发动机上的应用<br/>　　推重比为10一级的涡扇发动机，如F119、EJ200、M88等的研制已基本完成。<br/>　　 由于宽弦空心结构的风扇叶片具有先进的气动性能、抗振能力和减重效益，以及先进的SPF/DB组合工艺技术，使制造成本大为降低，所以，宽弦空心风扇叶片也被新一代高推重比军用涡扇发动机所采用。<br/>　　 罗-罗公司等欧洲四国为新一代欧洲战斗机合作研制的推重比为10一级的EJ200涡扇发动机，采用了宽弦无凸肩的钛合金风扇叶片，无需可变弯度进口导流叶片，简化了发动机结构。<br/>　　 普惠公司为适应美国先进战术战斗机F-22的性能需要，研制了F119-PW-100涡扇发动机。为了提高F119的级载荷和扩大喘振边界，普惠公司已将PW4084发动机采用的宽弦无凸肩空心风扇叶片的设计应用在F119的第一级钛合金风扇叶片上，增大了叶片的强度和损伤容限。 <br/>　　宽弦风扇叶片的技术特点<br/>　　对宽弦风扇叶片而言，除制造工艺之外，还有以下几个特点。<br/>　　 三维粘性设计CFD<br/>　　 在20世纪90年代研究的发动机的宽弦风扇叶片设计中，开始采用三维粘性CFD（计算流体力学）设计，并设计出带后掠或前后掠的宽弦风扇叶片。掠形风扇叶片能大大削弱叶片通道中的激波强度，提高空气流量2%以上，增大了风扇效率，提高发动机推力5%以上。<br/>　　 圆弧榫齿<br/>　　 常规风扇叶片榫齿均作成直线形，如果宽弦叶片设计成较宽大的平行四边形叶根平台来包容叶身下部截面的弧形轮廓，就必须增大风扇盘直径才能排开所有叶片。而将叶根平台做成与叶根截面形状基本一致，即其轮廓也呈弧形，就可以降低榫齿最大宽度，从而减小风扇盘直径和重量。这种圆弧榫齿的宽弦风扇叶片已经在罗-罗公司的发动机上获得成功应用。<br/>　　 整体叶盘结构<br/>　　 整体叶盘结构是进一步提高发动机部件效率的新型结构，即将叶片和风扇盘采用一定的焊接方法连接成一体，省去常规风扇盘连接的榫齿和榫槽，大大简化结构和重量，此技术已经在先进军用发动机如F119和EJ200的三级风扇、高压压气机的整体叶盘转子进行了验证。<br/>　　 整体叶盘目前主要采用线性摩擦焊、电子束焊、固态扩散焊等方法连接。随着新的连接技术和维修技术的出现，可以预见SPF/DB的宽弦风扇叶片直接与叶盘焊接的整体结构的出现。 <br/>　　国内宽弦风扇叶片技术的进展<br/>　　 SPF/DB成形技术<br/>　　 宽弦风扇叶片设计是高推重比军用发动机的一个技术方向。<br/>　　 根据高推重比发动机研制的需要，结合宽弦空心风扇叶片结构设计和SPF/DB技术发展，在"九五"期间国内针对钛合金宽弦风扇叶片进行了SPF/DB技术探索和验证性试验研究。经过几年努力，研究出了空心风扇转子叶片的制造方法，建立了与制造此种叶片相关的一系列工艺路线，研究出三层、四层结构的空心叶片样件。1995年研究出了某新型涡扇发动机的钛合金四层结构SPF/DB空心整流叶片，并已装机通过了地面试车考验。<br/>　　 鉴于罗-罗公司采用SPF/DB技术研究成功该种叶片，同时依据国内超塑成形技术多年的研究成果和试验条件，1999年国内采用叶身"扩散连接+热扭转+超塑成形"三次热循环和榫头焊接的工艺路线，研究成功了钛合金三层结构SPF/DB宽弦空心风扇叶片模拟件。<br/>　　 这种叶片的叶盆和叶背采用一定厚度的钛合金厚板，中间加强芯板采用双面带有止焊剂图形涂层的钛板。 <br/>　　 叶片毛坯进行高压水切割，将机加工榫头与SPF/DB空心叶身定位后，进行电子束焊接，按叶型数据对叶片毛坯进行数控加工、抛修加工和叶型检测，完成宽弦空心风扇叶片模拟件的制造。叶片尺寸大于200毫米×120毫米，最大扭角56度，整体扩散焊合率大于95%。<br/>　　 SPF/DB模拟与分析<br/>　　 由于超塑成形工艺过程的复杂性和不可视性，成形过程的控制和预计较为困难，随着非线形有限元分析法的发展与成熟，我国的一些商业软件，已经能够进行SPF/DB工艺过程的有限元模拟仿真。宽弦叶片内加强筋格的位置、数量、夹角，以及叶片面板与芯板的厚度比例，是SPF/DB宽弦叶片设计制造成功的关键之一。<br/>　　 宽弦叶片由叶尖到叶身根部每个叶型剖面是变化的，而且叶型剖面上大于三层钛板厚度的空心部分的高度也是变化的。通过计算分析，可以模拟超塑成形的变形过程，优化工艺设计，减少试验工作量。此类SPF/DB宽弦叶片的叶型模具设计是空心风扇叶片研究的另一个关键环节。叶片模具的设计中必须解决两个问题：第一是叶片毛坯与模具型腔的定位关系，第二是空心叶片成形后的厚度余量控制与模具型腔的设计关系。<br/>　　 钛基复合材料的SPF/DB技术<br/>　　 由于在TMC中作为基体材料的钛合金具有超塑性，而且有良好的扩散连接性能，可以采用先进的SPF/DB工艺制造这些高性能结构，以取得显著技术和经济效益。为进一步提高钛合金宽弦空心风扇叶片的刚度和强度，国内在"九五"期间还进行了纤维增强的钛基复合材料-钛合金混杂结构技术研究。<br/>　　 作为金属基复合材料，由于材料加工性能差，如果先用纤维增强制成金属基复合材料，再通过成形加工得到产品，就会带来一系列新的问题，所以最佳的产品加工工艺路线是金属基复合材料的制备和成品的制造同步实现。基于上述观点，对纤维增强的TMC-钛合金混杂结构制造技术进行了试验研究。<br/>　　 研究中的钛基复合材料增强体使用国产气相沉积(CVD)钨芯碳化硅(SiC)纤维，表面有碳涂层。钛基复合材料的基体为Ti-15-3合金，选择SiC/Ti-15-3-Ti-15-3板的SPF/DB三层桁架结构进行典型工艺试验。<br/>　　 首先采用编织方法将 SiC纤维纺织成预制带，然后将SiC/Ti-15-3复合材料进行"箔-纤维-箔"顺序铺叠，并将预制件按SPF/DB工艺方法封焊成口袋式毛坯，最后置于模具中一起加热升温，在一个热循环中完成真空热压复合-扩散连接和超塑成形工艺，得到SiC纤维强化TMC面板的三层桁架结构。<br/>　　 由于基体材料的超塑性有利于TMC复合过程，在超塑变形条件下复合能得到较好的复合质量。金相检查表明，面板上纤维分布较均匀，纤维与基体复合、芯板-面板之间扩散质量均较好，扩散面上未见分界线。<br/>　　 "十五"期间国内已经开始利用TC4钛合金、TMC材料的SPF/DB技术，开展TMC材料的宽弦空心风扇叶片制造技术研究。</p>