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先进纤维增强树脂基复合材料在航空航天工业中的应用
来源：    作者：    发表时间：2010-05-19 16:42:54    随着气动热力学、结构力学和材料科学等的飞速发展，较高的性能、良好的经济性、极好的环保特性和很高的可靠性已经成为运输机用大涵道比涡扇发动机研制的主要目标，而较高的推重比、较低的油耗、较少的信号特征、极高的可靠性已经成为战斗机用小涵道比加力涡扇发动机研制的主要目标。

研究表明，在不改变目前航空涡扇发动机结构布局的前提下，上述目标要想取得突破，创新的材料和新颖的结构方案是极其关键的因素。树脂基复合材料以其具有：（1）制件质量轻、强度高，具有突出的比强度和比模量；（2）制件成型方便，成本较低；（3）成型工艺成熟等明显优势，并已经成为航空涡扇发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要候选材料，已经广泛地应用在大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的外涵机匣、转子叶片、静子叶片、包容机匣以及发动机短舱和反推力装置等部件上。

纤维增强树脂基复合材料部件的开发和应用

纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代。目前，英国的R·R公司、美国的GEAE公司和P&W公司、德国的MTU公司和法国的SNECMA公司都进行了大量的开发和验证工作，也都取得了很大的进展，已经将树脂基复合材料成功地应用到部分大涵道比和小涵道比航空涡扇发动机上。

1 GEAE公司

为了减轻发动机质量，降低生产成本，GEAE公司已经将先进的纤维增强树脂基复合材料应用到航空涡扇发动机的较多低温部件中，如外涵机匣、风扇转子叶片、包容机匣。公司还进行了应用于静子叶片、风扇框架、整流罩、叶冠等部件的大量开发和研究工作。

（1）外涵机匣。

20世纪70年代，在NASA赞助的安静清洁短途试验发动机（Quit Clean Short Haul Experiment Engine）研究计划下，GEAE公司开发了PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料外涵机匣，积累了一些经验和数据。20世纪70年代末、80年代初在空军材料试验室合同（F3361578-C-5086）下，GEAE公司作为主合同商与Rohr工业公司合作，选择TF34发动机的复杂的多种金属复合而成的机匣，验证了涡扇发动机复合材料风扇机匣低成本制造技术。

20世纪80年代，GEAE公司在NASA和美国海军的资助下，按照NAS3-21854号合同，选择碳纤维增强的PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料设计、制造和验证了F404发动机外涵机匣。F404发动机复合材料外涵机匣的壳体由实心复合材料层板组成，两端分别与钛合金法兰边铆接；所选的材料为联合碳化物公司的T300纤维织成的石墨纤维布，再用PMR-l5为基体的化学制剂浸泡制造外涵机匣的基本原理是在1个钢制圆筒模具外表面上，用真空热压袋制出圆柱形碳纤维增强的PMR15复合材料层压板壳。圆筒模具要便于铺设Gr/PMR预浸料，并且要保证完成的零件流道表面与模型一致。根据不同的强度、刚度和结构要求，层压板在厚度、材料方向上要有各种变化。成型之后，外涵壳体要切成上下2个半圆筒体，前后钛安装边铆接到位，纵向复合材料安装边及其他所有零件都装上，组成一台外涵机匣。经试验验证，该机匣满足了设计要求，并成功地替代了F404发动机的原钛合金机匣。经试验和使用验证，与原钛合金机匣相比，F404发动机复合材料外涵机匣质量减轻15%～20%，费用降低30%～35%，强度和寿命方面没有损失，且阻燃能力优良。
在F404发动机上取得成功后，该复合材料外涵机匣又推广应用到F414、F110-GE-132和F136发动机等小涵道比涡扇发动机，以及GE90-115B、GENX等大涵道比涡扇发动机和联合涡轮先进燃气发生器（JTAGG）验证机上。F136发动机树脂基复合材料外涵机匣与F110-GE-132发动机的相似，质量较金属材料的减轻9kg。

（2）风扇转子叶片。

20世纪60年代，GEAE公司研制的TF39发动机就曾尝试采用碳纤维增强的树脂基复合材料风扇叶片，因没有通过吞鸟（0.68kg）试验而失败。尔后，GEAE公司又相继在F103、QCSEE等发动机上开展了复合材料风扇叶片的应用研究；特别是装有复合材料风扇叶片的GE36UDF（无涵道风扇）发动机，在地面台架和飞行试验台上进行了700h的试验，并通过了吞入3.63kg鸟的试验。20世纪90年代，GEAE公司在上述工作经验和数据的基础上，成功地为GE90发动机开发了先进树脂基复合材料风扇转子叶片。GE90发动机风扇叶片的叶身和叶根由IM7中长碳纤维与增强的8551-7环氧树脂组成的称为“大力神”的8551-7/IM7复合材料制成一体叶片的压力面涂覆聚氨酯防腐涂层，叶身的吸力面涂覆一般的聚氨酯涂层；为了提高叶片抗大鸟撞击的能力，将钛合金薄片用3MAF191胶粘在叶片前缘上；为了避免工作中复合材料叶片脱层，在叶尖与后缘处采用Kevlar细线缝合。为了解决腐蚀问题，GE90发动机风扇的复合材料叶片采用小的叶尖切线速度；风扇叶片上涂覆已在CFM56、CF6等发动机上验证过的聚氨酯防腐涂层等防护措施。这样，该风扇叶片不但明显减轻了本身的质量，还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量，收到了成本低、抗振（抗颤振）性能好、抗损伤能力强等效果，进而达到了降低油耗和提高效率的目的。在GE90发动机上取得成功后，GEAE公司又将树脂基复合材料风扇转子叶片技术应用到了GENX发动机上。GENX发动机树脂基复合材料风扇转子具有叶片数量少（18片）、效率高、噪声低等特点。

    （3）包容机匣。

  GEAE公司开发的芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环技术已经逐步成熟，现在已经成功地应用于CF6－80C2、GE90、CFM56等发动机上。与不锈钢风扇机匣包容环相比，其质量减轻了35%～50%。CF6-80C2和GE90发动机采用相似的铝合金与Kevlar复合材料复合加工的风扇机匣包容环。GE90发动机风扇包容环在很薄的铝合金壳体上，缠绕几十层Kelver织成的条带，条带外面再覆以环氧树脂。采用铝机匣，并在其外表面纵横铣出许多减质的槽道，主要用于保持一定圆度的环腔。GE90发动机复合材料风扇叶片被设计成当叶片从叶根断裂被甩出、撞到包容环上时，在径向冲击的压缩负荷作用下容易碎断，变成几块碎片，这种设计对包容环特别有利。这种包容环包容能力强，厚度虽很大，但由于主要是用复合材料制作的，因此质量很轻。CFM56发动机风扇机匣由几节不锈钢环采用电子束焊焊接而成，并采用以Nomex为芯的玻璃纤维蜂窝夹层结构。为了增强其包容性，还特意加厚机匣壁和前安装边，并在机匣外壁上做出4圈特别的整体加强肋，以增强机匣的安全性，能起到包容碎片的作用。此外，GEAE公司还尝试将树脂基复合材料应用到其他部件上。如YF120发动机的风扇静子和静子叶片采用碳纤维增强的PMR-15基复合材料制造。在IHPTET计划下，在涡轮发动机疲劳设备（TEFF）上，进行了全尺寸AFR700B复合材料支板的静态拉伸试验，验证了采用树脂转换压模工艺制造AFR700B高温聚酰亚胺基复合材料部件的可行性，并具有扩大此类风扇支板零件的工作温度范围、质量减轻39%（与钛机匣相比）、成本降低40%（与钛机匣相比）等效果，并准备应用于F120发动机。

GEAE公司还采用碳纤维（T650-35）增强的VCAP-75基复合材料，加工了F110 IPE发动机原型机的后部整流部件，并在海平面条件（最高温度达到330℃）进行了300h的试验验证。试验结果表明，该部件材料性能良好，抗微裂纹特性优良，热氧化稳定性优于PMR-15的。

2 P&W公司

树脂基复合材料在P&W公司涡轮发动机上的应用始于20世纪70年代。至80年代，P&W公司首先从外部部件入手，尝试研究了喷管外部调节片、加力燃烧室筒体、风扇包容环、风扇机匣等部件。尔后，一直在开发和尝试用于其他一些低温部件。

1993年，P&W公司领导的研究小组在美国国防先进项目管理局（DARPA）起动的经济可承受的树脂基复合材料研究计划下，承担了推进系统经济可承受的复合材料（ACP）研究项目。该项研究的目的，是开发能够使未来超大涵道比发动机制件质量减轻和费用降低的先进加工工艺和技术。P&W公司负责部件的集成、组装和试验；NorthropGrumman公司负责开发发动机短舱（核心机整流锥和风扇进口整流锥）；DuPot公司负责开发风扇叶片包容结构、相关的材料和加工工艺；McDonnell Douglas公司负责将纤维放置在风扇整流锥门（FCD）上AlliantTech公司提供纤维放置技术；Dow-UT公司负责采用RTM工艺，加工风扇出口机匣（FEC）和风扇进口机结构件（FIC）。受投资决策的影响，美国国防先进项目管理局于1995年决定停止FY96～FY99的投资，因此，所有6个项目受到不同程度的影响：风扇出口机匣项目和风扇包容机匣2个项目停止研究；风扇转子叶片和风扇进口结构2个项目的研究和验证工作转移到JSF计划中进行；风扇整流罩门和核心机整流罩2个项目的研究与验证工作转移到C-17计划中进行。目前，P&W公司已经成功地将树脂基复合材料应用到外涵机匣、喷管外调节片、静子叶片等部件上。

（1）外部部件。

1975-1977年间，在美国海军赞助的研究计划下，P&W公司委托TRW和CHI公司设计并制造了树脂基复合材料发动机外部部件。这些部件包括采用玻璃纤维增强的NR-150B2与PMR-15基复合材料制造的盖板，采用连续玻璃纤维增强的NR-150B2与PMR-15基复合材料制造的油箱垫片和采用HT-5纤维增强的Kerimid 601基复合材料制造的传输管等。这些部件质量减轻和费用降低的潜力在F100发动机上得到了验证。

         （2) 喷管调节片

1976年，P&W公司在自己投资的研究计划下，开始尝试开发树脂基复合材料战斗机发动机喷管外调节片。汉密尔顿标准分公司（HSI）最初采用HMS/NR-160B2加工了15片喷管外调节片，并在F-15战斗机/F100发动机上成功地进行了飞行试验；尔后，在美国空军研究计划下采用C-6000/NR-150B2加工了52片喷管外调节片，在F100发动机和在F-15战斗机/F100发动机上成功地进行了地面和飞行试验。经验证，该调节片质量减轻22%，但由于NR-150B2很难获得，费用很高，最后改换成了PMR-15材料。经过多年的验证和发展，于20世纪90年代，碳纤维增强的PMR-15基复合材料喷管外调节片应用到了F100-PW-229发动机上。近期，P&W公司在研究采用AFR700B制造后机身多用途喷管等，以提高发动机的隐身性能。这种材料将可能应用于配装在F-22战斗机上的F119发动机的推力矢量喷管和IHPTET计划JTDE验证机发动机的球形收敛调节片喷管（SCFN）的外调节片上。F119发动机喷管周围的一些金属件也可能以陶瓷基复合材料来代替，以提高红外及雷达隐身能力。

      （3）风扇机匣。

树脂基复合材料风扇机匣技术在P&W公司已经发展得比较成熟。目前，PW4000发动机采用了RTM工艺加工的风扇机匣，PW2000和PW4000发动机采用了复合材料制造的风扇出口机匣内衬，F119和F135发动机采用了树脂基复合材料外涵机匣，都收到了减轻质量和降低成本的明显效果。采用碳纤维增强聚酰亚胺基复合材料的F119发动机外涵机匣由Dow-UT公司研发的先进树脂转移造型技术制造，工作温度为316℃，质量减轻15%～20%，成本降低30%～35%。这种制造技术可以制造形状复杂的进气机匣，其所有外部气流通道的表面粗糙度、最终尺寸精度可与经机械加工的钛合金进气机匣相媲美，并可使进气机匣减少零件总数和取消许多劳动密集的装配工序，因而可以大幅度减轻结构质量和降低成本。

美国空军还在研究AFR700B超高温树脂基复合材料。AFR700B以氟单体为基，耐温能力比PMR－15聚酰亚胺基复合材料的高出55℃，具有更高的热稳定性和工艺性，在371℃下可工作1000h，在316℃下可工作10000h，可用来取代钛合金。P&W公司正在采用该材料研制F119发动机外涵机匣等静止部件，以替代原部件；还正在研究将Avimid K热塑性复合材料用于F119发动机和综合高性能涡轮发动机验证机的中介机匣，希望使其足能承受347℃的高温及4×105Pa（4个大气压）的压力，并具有极好的热稳定性。

另外，P&W公司先是在经济可承受的树脂基复合材料研究计划（后转至JSF研究计划）下的ACP研究项目上与Dow-UT公司合作，采用RTM工艺制造风扇进口结构和风扇出口机匣。已经成功地验证了风扇出口机匣所具有的承受叶片掉块造成的动力载荷的能力、抗疲劳与损伤容限能力、抗鸟撞能力、抗硬体外来物损伤能力、抗冰雹能力和弯曲能力，但是，受不能继续投资的影响，风扇出口机匣在叶片飞出事件中可生存性的包容试验和加速耐久性试验停止；按PW4168发动机的几何形状确定了风扇进口的结构，加工了3个带整体A形安装边和后隔板安装边的内套筒方案验证部件；为F119发动机设计了复合材料风扇进口机匣（由Dow-UT复合材料产品公司采用先进RTM技术一次成形制造），现正在JSF计划下进行研究和验证经验证，与钛合金的相比较，该机匣费用降低了32%，质量减轻了44%。

     （4）扇叶片。

P&W公司已经将树脂基复合材料应用于涡扇发动机的风扇和压气机的叶片上。PW2000和PW4000发动机的风扇出口导向叶片的内外环和低压压气机的内环采用了注射成形的Ultem材料PW4056/4168/4084发动机风扇出口导向叶片采用了压制成型的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料PW4084和PW4168发动机压气机采用了3M公司的PR500环氧树脂基复合材料风扇静子，较钛合金的质量减轻了39%，成本降低了38%。P&W公司采用Dow-UT公司研发的先进树脂转移造型技术制造复合材料静子组件，即对风扇机匣上的44片静子叶片，按每4片一组成型，再由空心的内外环将11块连成一体，形成静子组件。P&W公司采用这一方法制造了PW4084直径为3.04m的全碳风扇静子、PW4168直径为2.71m的风扇静子和F119发动机的导向器叶片。另外，P&W公司还采用耐温能力比PMR-15树脂基复合材料高55℃的AFR700B高温树脂基复合材料研制F119发动机压气机静子。
   P&W公司在经济可承受的树脂基复合材料研究计划（后转至JS计划）的ACP研究项目下，开发和验证了采用2D纤维结构的复合材料风扇转子叶片。为了适应鸟撞试验的需要，对该叶片作了改进：在高应力区增加了材料；改变了叶根角和叶根曲度，以软化叶根到叶型的转变；采用3D编织和其他纤维结构加强结构韧性。目前，该叶片正按照JSF研究计划进行评估和验证，准备改进F119和F135发动机。

     （5) 风扇包容匣。

       在P&W公司，树脂基复合材料应用于涡扇发动机风扇包容机匣已经较为成熟。PW2000和PW400发动机采用复合材料制造了风扇包容环。PW4084等发动机采用芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环替代不锈钢，使质量减轻了35%～50%；其包容环结构与GE90发动机的基本相同。另外，P&W公司在经济可承受的树脂基复合材料研究计划的ACP研究项目下，开发和验证了风扇包容机匣。采用ATP技术加工了3个风扇包容机匣，形成等格栅结构的搭接肋。经验证，机匣实现了减轻质量的目标；冲击试验则表明，等格栅加强肋到壳体的界面成功地承受了叶片掉块的冲击。但由于1996年投资中断，没有进行进一步的性能试验。

此外，PW4168发动机采用了蜂窝夹层结构的复合材料的短舱、双马来酰亚胺核心机整流罩及碳纤维增强的环氧树脂复合材料反推力装置。

3 R·R公司

20世纪60年代，R·R公司开始开发玻璃纤维增强的树脂基复合材料部件。1977年投入使用的第一代垂直起飞战斗机的升力发动机RB162发动机，就采用了Kerimid60材料制造的压气机机匣、静子和转子叶片。虽然该发动机仅用于起飞时的几分钟，但是，到目前为止，仍是唯一采用全复合材料压气机的投入使用的航空发动机。

20世纪60年代，R·R公司开发了Hyfil结构的碳纤维增强的树脂基复合材料风扇叶片，并在Conway发动机上得到验证，但将这一结构放大并尝试应用于RB211发动机风扇叶片时没有通过抗鸟撞试验，最后不得不改用钛合金叶片。20世纪70年代，R·R公司在相对简单的部件，如RB211-524发动机的整流罩门上，应用了树脂基复合材料然后逐步扩展到整个发动机短舱；70年代后期，短舱和相关部件采用了碳纤维增强的树脂基复合材料部件。尔后，R·R公司在中小型涡扇发动机——Tay发动机和BR700发动机上采用了树脂基复合材料的外涵机匣。近期，R·R公司又将其进一步扩展到TRENT系列发动机的风扇出口导向叶片。R·R公司已经将芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环发展得较为成熟，应用到大多数TRENT发动机上。TRENT700发动机风扇包容环采用了类似RB211-535E4发动机的结构，但进行了一些改进；在铝制的环形壳体上缠绕多层用Kevlar材料织成的条带，然后用环氧树脂包覆。为了减轻铝壳体的质量且又具有一定的刚性，壳体上纵横交叉地铣出多道凹槽，形成具有格栅的薄机匣，称为“等格栅铝环”。这种新的包容环既具有较好的刚性，又具有足够的韧性，质量较轻（比RB211-535E4发动机的轻35%，比RB211-22B发动机的轻55%）。TRENT800发动机采用与GE90和PW4084发动机相同结构的芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环，替代了以前的不锈钢结构，使质量减轻了35%～50%。
R·R公司还在民用发动机验证计划中开发树脂基复合材料风扇机匣和风扇轴承支撑结构件，在军用发动机验证计划中开发碳纤维增强的树脂基复合材料中介机匣。

4 MTU公司

      (1) 驱动涡扇发动机开发的复合材料部件技术。MTU公司开展的齿轮驱动大涵道比涡扇发动机的研制工作，始于1985年起动的德国国家反转闭式整体桨扇发动机（CRISP）技术研究计划支持的CRISP项目。20世纪80年代中期，MTU公司在CRISP项目下开展了树脂基复合材料压气机静子叶片和转子叶片的设计、加工和验证工作。据资料ISABE-2005-1077报道，为了满足高性能压气机的高气动性能、高结构强度、轻质量，以及短寿命周期和低费用的要求，MTU公司近期设计了新的CFRP静子气动试验件。为了降低2个端壁的负荷，该静子采用：明显的弓形结构；从叶根到叶尖叶片前缘弯掠；叶片前缘采用端弯设计（考虑附面层影响）。经过数值计算，与用经验获得的静子结构相比，该静子的近节流特性几乎相同，峰值效率略有降低，喘振线附近的损失大大减小。这些技术为后来开展的齿轮驱动涡扇发动机——PW8000的低压压气机复合材料部件研究和验证打下了很好的基础。

      (2)  J200 发动机未来改进开发的纤维复合材料结构件。

     按照一项军用发动机技术研究计划（为改进EJ200发动机），2000年12月，MTU公司开始进行设计点总增压比为5.1的3级低压压气机试验件的试验。在从慢车到起飞的整个工作转速范围内，该试验件具有令人格外欣喜的喘振裕度和性能。进口导流叶片（IGV）具有由碳纤维增强塑料（CFRP）制作的可调襟叶。其前支板是固定的钛叶片，有供油和供气通道；钛支板起机械支承结构的作用，以至在直接的高速冲击下也有足够的抗鸟撞能力。与实心钛叶片设计相比，可调CFRP襟叶能减轻总质量7kg。采用树脂转换模技术，其加工费用与空心钛襟叶设计的加工费用相当。结构设计阶段和在相关的部件机械试验表明：CFRP襟叶的振动水平较低；耐磨能力足够；支板/襟叶设计合理，可以确保具有抗鸟撞和抗喘振能力。


     SNECMA公司开发的M88-2发动机的外涵机匣完全由PMR15树脂基复合材料制造，大大减轻了质量。该机匣前部3/5圆形扩散机匣分为上下两半，然后变成圆锥形；上下两半机匣由位于发动机水平中心面下的法兰组装在一起。为了发挥复合材料的抗疲劳特性，复合材料外涵机匣的周向和纵向均采用了复合材料翻边结构；为了减少外涵机匣安装座的连接件数量，安装座采用了铆接结构。

综上所述，经过几十年的发展，纤维增强的树脂基复合材料已经被美国、英国、法国等航空发动机技术先进国家广泛应用在航空涡扇发动机的低温部件上。回顾与总结此类部件的研制历程和应用情况，可以发现其发展具有以下特点。

1  耐高温能力提高，应用范围扩大

目前，应用在涡扇发动机部件上的较为成熟的纤维增强树脂基复合材料主要包括纤维增强PMR-15基复合材料和凯芙拉增强环氧树脂基复合材料等。由于耐温能力较差，这些材料还仅限于应用在工作温度较低的冷端部件上。为了扩大纤维增强树脂基复合材料的应用范围，世界航空发动机技术先进国家开发了耐更高温度的多种树脂基复合材料，如HT-S/L a R C-160、A S4/P M R-Ⅱ、T40R/PMR-Ⅱ、T40R/V-CAP-50、QuaHZ/AFR-700B、Celion6K/LaRC-RP46等，并在航空涡扇发动机或验证机上对其进行了验证。具体实例包括：在F110IPE发动机上，对VCAP-75基复合材料后整流部件进行了验证；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料支板进行了验证，并准备应用于F136发动机上；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料外涵机匣等静止部件进行了验证，并准备用于F119发动机上。

由航空涡扇发动机性能不断提高和质量不断减轻的明显发展趋势树脂基复合材料涡扇发动机部件发展特点决定,未来涡扇发动机不得不大量采用先进复合材料和相应的新颖结
构，因此，有理由相信，随着耐温能力更强的新型树脂基复合材料的验证和成熟，树脂基复合材料涡扇发动机部件的工作温度将得到提高，应用范围也将逐步扩大，最终将应用到工作温度稍高的核心机上。

2  制造技术自动化，成本降低

经过多年的开发和研究，国外树脂基复合材料制件的制造技术已经发展得较为成熟，部分实现了自动化。采用自动化纤维铺放技术，可以取代手工铺放，降低成本38%，减少劳动工时60%，减少零件数量80%采用自动化RTM成形技术，可以降低纤维铺放成本，制造出形状复杂的制件，提高生产的可重复性，并可将材料消耗降低到最低程度；采用先进的自动化纤维引导铺放、树脂膜浸渍和真空辅助RTM造型技术，可以实现复杂几何形状、大尺寸、厚截面和高精度的航空涡扇发动机部件的低成本制造。

与RTM相关的制造技术，如树脂膜浸渍技术（RFI）和真空辅助树脂转移造型（VARTM）技术尚在发展之中。2020年前，国外将进一步开发更加高效、可靠、低成本的制造方法和设备，探索研究具有良好加工性能和优良热稳定性的新聚合物合成技术。

3  设计与制造一体化，综合能力提高

复合材料的形成过程就是复合材料制件的加工过程。复合材料制件的应用不是简单的材料替代，而是需要设计、制造和材料研究人员针对特定的结构，共同选择和确定材料的组分比例与取向、制件的形状和质量等，使材料和制件在同一工艺操作过程中达到整体优化。
随着复合材料3D设计方法和设计制造一体化思想的形成和不断成熟，复合材料发动机部件将实现结构设计与材料选择的真正融合，综合性能潜力将得到充分发挥。

结束语

纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机部件上的应用，既是复合材料本身发展的需要，更是涡扇发动机增推减质的需要。由于具有质量轻、强度高等优越性能，且加工工艺较为成熟，纤维增强树脂基复合材料已经被航空发动机技术先进国家广泛地应用在涡扇发动机的低温部件上。

在纤维增强树脂基复合材料应用于涡扇发动机部件方面，我国已经开展了大量的开发和验证工作，并取得了较大的进展。北京航空制造工程研究所自行研制的以中等强度碳纤维为增强体、以648酚醛为基体的航空喷气发动机叶片是第1种国内自主开发的复合材料航空零件。该叶片长365mm，扭角为56°，根部有1个安装榫头槽，是用阴阳模一次成型出来的，基本上无需再加工。其质量是钛的56%，离心力减小，对盘的要求也降低了；其榫头拉断强度是设计载荷的5倍。由于碳纤维的铺层取向可以调整，因而叶片的扭角、特别是动载条件下的扭角是可作调整的，修正设计的裕度较大。北京航空制造工程研究所等单位合作开发和验证的树脂基复合材料外涵机匣已经成功地应用到某型航空发动机上。
尽管如此，在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用方面，我国较国外先进水平还有很大差距。因而，很好地借鉴国外已经验证的先进材料和制造技术，充分地吸取国外成功的管理经验，全面地做好高性能纤维增强树脂基复合材料的开发，以及先进制造技术的研究、设计与制造一体化方法的应用等工作，对加快我国在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用工作具有非常重要的意义。



先进纤维增强树脂基复合材料在航空航天工业中的应用
来源：    作者：    发表时间：2010-05-19 16:42:54    随着气动热力学、结构力学和材料科学等的飞速发展，较高的性能、良好的经济性、极好的环保特性和很高的可靠性已经成为运输机用大涵道比涡扇发动机研制的主要目标，而较高的推重比、较低的油耗、较少的信号特征、极高的可靠性已经成为战斗机用小涵道比加力涡扇发动机研制的主要目标。

研究表明，在不改变目前航空涡扇发动机结构布局的前提下，上述目标要想取得突破，创新的材料和新颖的结构方案是极其关键的因素。树脂基复合材料以其具有：（1）制件质量轻、强度高，具有突出的比强度和比模量；（2）制件成型方便，成本较低；（3）成型工艺成熟等明显优势，并已经成为航空涡扇发动机设计与制造商所青睐的高性能冷端部件的重要候选材料，已经广泛地应用在大涵道比涡扇发动机和小涵道比加力涡扇发动机的外涵机匣、转子叶片、静子叶片、包容机匣以及发动机短舱和反推力装置等部件上。

纤维增强树脂基复合材料部件的开发和应用

纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代。目前，英国的R·R公司、美国的GEAE公司和P&W公司、德国的MTU公司和法国的SNECMA公司都进行了大量的开发和验证工作，也都取得了很大的进展，已经将树脂基复合材料成功地应用到部分大涵道比和小涵道比航空涡扇发动机上。

1 GEAE公司

为了减轻发动机质量，降低生产成本，GEAE公司已经将先进的纤维增强树脂基复合材料应用到航空涡扇发动机的较多低温部件中，如外涵机匣、风扇转子叶片、包容机匣。公司还进行了应用于静子叶片、风扇框架、整流罩、叶冠等部件的大量开发和研究工作。

（1）外涵机匣。

20世纪70年代，在NASA赞助的安静清洁短途试验发动机（Quit Clean Short Haul Experiment Engine）研究计划下，GEAE公司开发了PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料外涵机匣，积累了一些经验和数据。20世纪70年代末、80年代初在空军材料试验室合同（F3361578-C-5086）下，GEAE公司作为主合同商与Rohr工业公司合作，选择TF34发动机的复杂的多种金属复合而成的机匣，验证了涡扇发动机复合材料风扇机匣低成本制造技术。

20世纪80年代，GEAE公司在NASA和美国海军的资助下，按照NAS3-21854号合同，选择碳纤维增强的PMR-15聚酰亚胺树脂基复合材料设计、制造和验证了F404发动机外涵机匣。F404发动机复合材料外涵机匣的壳体由实心复合材料层板组成，两端分别与钛合金法兰边铆接；所选的材料为联合碳化物公司的T300纤维织成的石墨纤维布，再用PMR-l5为基体的化学制剂浸泡制造外涵机匣的基本原理是在1个钢制圆筒模具外表面上，用真空热压袋制出圆柱形碳纤维增强的PMR15复合材料层压板壳。圆筒模具要便于铺设Gr/PMR预浸料，并且要保证完成的零件流道表面与模型一致。根据不同的强度、刚度和结构要求，层压板在厚度、材料方向上要有各种变化。成型之后，外涵壳体要切成上下2个半圆筒体，前后钛安装边铆接到位，纵向复合材料安装边及其他所有零件都装上，组成一台外涵机匣。经试验验证，该机匣满足了设计要求，并成功地替代了F404发动机的原钛合金机匣。经试验和使用验证，与原钛合金机匣相比，F404发动机复合材料外涵机匣质量减轻15%～20%，费用降低30%～35%，强度和寿命方面没有损失，且阻燃能力优良。
在F404发动机上取得成功后，该复合材料外涵机匣又推广应用到F414、F110-GE-132和F136发动机等小涵道比涡扇发动机，以及GE90-115B、GENX等大涵道比涡扇发动机和联合涡轮先进燃气发生器（JTAGG）验证机上。F136发动机树脂基复合材料外涵机匣与F110-GE-132发动机的相似，质量较金属材料的减轻9kg。

（2）风扇转子叶片。

20世纪60年代，GEAE公司研制的TF39发动机就曾尝试采用碳纤维增强的树脂基复合材料风扇叶片，因没有通过吞鸟（0.68kg）试验而失败。尔后，GEAE公司又相继在F103、QCSEE等发动机上开展了复合材料风扇叶片的应用研究；特别是装有复合材料风扇叶片的GE36UDF（无涵道风扇）发动机，在地面台架和飞行试验台上进行了700h的试验，并通过了吞入3.63kg鸟的试验。20世纪90年代，GEAE公司在上述工作经验和数据的基础上，成功地为GE90发动机开发了先进树脂基复合材料风扇转子叶片。GE90发动机风扇叶片的叶身和叶根由IM7中长碳纤维与增强的8551-7环氧树脂组成的称为“大力神”的8551-7/IM7复合材料制成一体叶片的压力面涂覆聚氨酯防腐涂层，叶身的吸力面涂覆一般的聚氨酯涂层；为了提高叶片抗大鸟撞击的能力，将钛合金薄片用3MAF191胶粘在叶片前缘上；为了避免工作中复合材料叶片脱层，在叶尖与后缘处采用Kevlar细线缝合。为了解决腐蚀问题，GE90发动机风扇的复合材料叶片采用小的叶尖切线速度；风扇叶片上涂覆已在CFM56、CF6等发动机上验证过的聚氨酯防腐涂层等防护措施。这样，该风扇叶片不但明显减轻了本身的质量，还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量，收到了成本低、抗振（抗颤振）性能好、抗损伤能力强等效果，进而达到了降低油耗和提高效率的目的。在GE90发动机上取得成功后，GEAE公司又将树脂基复合材料风扇转子叶片技术应用到了GENX发动机上。GENX发动机树脂基复合材料风扇转子具有叶片数量少（18片）、效率高、噪声低等特点。

    （3）包容机匣。

  GEAE公司开发的芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环技术已经逐步成熟，现在已经成功地应用于CF6－80C2、GE90、CFM56等发动机上。与不锈钢风扇机匣包容环相比，其质量减轻了35%～50%。CF6-80C2和GE90发动机采用相似的铝合金与Kevlar复合材料复合加工的风扇机匣包容环。GE90发动机风扇包容环在很薄的铝合金壳体上，缠绕几十层Kelver织成的条带，条带外面再覆以环氧树脂。采用铝机匣，并在其外表面纵横铣出许多减质的槽道，主要用于保持一定圆度的环腔。GE90发动机复合材料风扇叶片被设计成当叶片从叶根断裂被甩出、撞到包容环上时，在径向冲击的压缩负荷作用下容易碎断，变成几块碎片，这种设计对包容环特别有利。这种包容环包容能力强，厚度虽很大，但由于主要是用复合材料制作的，因此质量很轻。CFM56发动机风扇机匣由几节不锈钢环采用电子束焊焊接而成，并采用以Nomex为芯的玻璃纤维蜂窝夹层结构。为了增强其包容性，还特意加厚机匣壁和前安装边，并在机匣外壁上做出4圈特别的整体加强肋，以增强机匣的安全性，能起到包容碎片的作用。此外，GEAE公司还尝试将树脂基复合材料应用到其他部件上。如YF120发动机的风扇静子和静子叶片采用碳纤维增强的PMR-15基复合材料制造。在IHPTET计划下，在涡轮发动机疲劳设备（TEFF）上，进行了全尺寸AFR700B复合材料支板的静态拉伸试验，验证了采用树脂转换压模工艺制造AFR700B高温聚酰亚胺基复合材料部件的可行性，并具有扩大此类风扇支板零件的工作温度范围、质量减轻39%（与钛机匣相比）、成本降低40%（与钛机匣相比）等效果，并准备应用于F120发动机。

GEAE公司还采用碳纤维（T650-35）增强的VCAP-75基复合材料，加工了F110 IPE发动机原型机的后部整流部件，并在海平面条件（最高温度达到330℃）进行了300h的试验验证。试验结果表明，该部件材料性能良好，抗微裂纹特性优良，热氧化稳定性优于PMR-15的。

2 P&W公司

树脂基复合材料在P&W公司涡轮发动机上的应用始于20世纪70年代。至80年代，P&W公司首先从外部部件入手，尝试研究了喷管外部调节片、加力燃烧室筒体、风扇包容环、风扇机匣等部件。尔后，一直在开发和尝试用于其他一些低温部件。

1993年，P&W公司领导的研究小组在美国国防先进项目管理局（DARPA）起动的经济可承受的树脂基复合材料研究计划下，承担了推进系统经济可承受的复合材料（ACP）研究项目。该项研究的目的，是开发能够使未来超大涵道比发动机制件质量减轻和费用降低的先进加工工艺和技术。P&W公司负责部件的集成、组装和试验；NorthropGrumman公司负责开发发动机短舱（核心机整流锥和风扇进口整流锥）；DuPot公司负责开发风扇叶片包容结构、相关的材料和加工工艺；McDonnell Douglas公司负责将纤维放置在风扇整流锥门（FCD）上AlliantTech公司提供纤维放置技术；Dow-UT公司负责采用RTM工艺，加工风扇出口机匣（FEC）和风扇进口机结构件（FIC）。受投资决策的影响，美国国防先进项目管理局于1995年决定停止FY96～FY99的投资，因此，所有6个项目受到不同程度的影响：风扇出口机匣项目和风扇包容机匣2个项目停止研究；风扇转子叶片和风扇进口结构2个项目的研究和验证工作转移到JSF计划中进行；风扇整流罩门和核心机整流罩2个项目的研究与验证工作转移到C-17计划中进行。目前，P&W公司已经成功地将树脂基复合材料应用到外涵机匣、喷管外调节片、静子叶片等部件上。

（1）外部部件。

1975-1977年间，在美国海军赞助的研究计划下，P&W公司委托TRW和CHI公司设计并制造了树脂基复合材料发动机外部部件。这些部件包括采用玻璃纤维增强的NR-150B2与PMR-15基复合材料制造的盖板，采用连续玻璃纤维增强的NR-150B2与PMR-15基复合材料制造的油箱垫片和采用HT-5纤维增强的Kerimid 601基复合材料制造的传输管等。这些部件质量减轻和费用降低的潜力在F100发动机上得到了验证。

         （2) 喷管调节片

1976年，P&W公司在自己投资的研究计划下，开始尝试开发树脂基复合材料战斗机发动机喷管外调节片。汉密尔顿标准分公司（HSI）最初采用HMS/NR-160B2加工了15片喷管外调节片，并在F-15战斗机/F100发动机上成功地进行了飞行试验；尔后，在美国空军研究计划下采用C-6000/NR-150B2加工了52片喷管外调节片，在F100发动机和在F-15战斗机/F100发动机上成功地进行了地面和飞行试验。经验证，该调节片质量减轻22%，但由于NR-150B2很难获得，费用很高，最后改换成了PMR-15材料。经过多年的验证和发展，于20世纪90年代，碳纤维增强的PMR-15基复合材料喷管外调节片应用到了F100-PW-229发动机上。近期，P&W公司在研究采用AFR700B制造后机身多用途喷管等，以提高发动机的隐身性能。这种材料将可能应用于配装在F-22战斗机上的F119发动机的推力矢量喷管和IHPTET计划JTDE验证机发动机的球形收敛调节片喷管（SCFN）的外调节片上。F119发动机喷管周围的一些金属件也可能以陶瓷基复合材料来代替，以提高红外及雷达隐身能力。

      （3）风扇机匣。

树脂基复合材料风扇机匣技术在P&W公司已经发展得比较成熟。目前，PW4000发动机采用了RTM工艺加工的风扇机匣，PW2000和PW4000发动机采用了复合材料制造的风扇出口机匣内衬，F119和F135发动机采用了树脂基复合材料外涵机匣，都收到了减轻质量和降低成本的明显效果。采用碳纤维增强聚酰亚胺基复合材料的F119发动机外涵机匣由Dow-UT公司研发的先进树脂转移造型技术制造，工作温度为316℃，质量减轻15%～20%，成本降低30%～35%。这种制造技术可以制造形状复杂的进气机匣，其所有外部气流通道的表面粗糙度、最终尺寸精度可与经机械加工的钛合金进气机匣相媲美，并可使进气机匣减少零件总数和取消许多劳动密集的装配工序，因而可以大幅度减轻结构质量和降低成本。

美国空军还在研究AFR700B超高温树脂基复合材料。AFR700B以氟单体为基，耐温能力比PMR－15聚酰亚胺基复合材料的高出55℃，具有更高的热稳定性和工艺性，在371℃下可工作1000h，在316℃下可工作10000h，可用来取代钛合金。P&W公司正在采用该材料研制F119发动机外涵机匣等静止部件，以替代原部件；还正在研究将Avimid K热塑性复合材料用于F119发动机和综合高性能涡轮发动机验证机的中介机匣，希望使其足能承受347℃的高温及4×105Pa（4个大气压）的压力，并具有极好的热稳定性。

另外，P&W公司先是在经济可承受的树脂基复合材料研究计划（后转至JSF研究计划）下的ACP研究项目上与Dow-UT公司合作，采用RTM工艺制造风扇进口结构和风扇出口机匣。已经成功地验证了风扇出口机匣所具有的承受叶片掉块造成的动力载荷的能力、抗疲劳与损伤容限能力、抗鸟撞能力、抗硬体外来物损伤能力、抗冰雹能力和弯曲能力，但是，受不能继续投资的影响，风扇出口机匣在叶片飞出事件中可生存性的包容试验和加速耐久性试验停止；按PW4168发动机的几何形状确定了风扇进口的结构，加工了3个带整体A形安装边和后隔板安装边的内套筒方案验证部件；为F119发动机设计了复合材料风扇进口机匣（由Dow-UT复合材料产品公司采用先进RTM技术一次成形制造），现正在JSF计划下进行研究和验证经验证，与钛合金的相比较，该机匣费用降低了32%，质量减轻了44%。

     （4）扇叶片。

P&W公司已经将树脂基复合材料应用于涡扇发动机的风扇和压气机的叶片上。PW2000和PW4000发动机的风扇出口导向叶片的内外环和低压压气机的内环采用了注射成形的Ultem材料PW4056/4168/4084发动机风扇出口导向叶片采用了压制成型的碳纤维增强的环氧树脂基复合材料PW4084和PW4168发动机压气机采用了3M公司的PR500环氧树脂基复合材料风扇静子，较钛合金的质量减轻了39%，成本降低了38%。P&W公司采用Dow-UT公司研发的先进树脂转移造型技术制造复合材料静子组件，即对风扇机匣上的44片静子叶片，按每4片一组成型，再由空心的内外环将11块连成一体，形成静子组件。P&W公司采用这一方法制造了PW4084直径为3.04m的全碳风扇静子、PW4168直径为2.71m的风扇静子和F119发动机的导向器叶片。另外，P&W公司还采用耐温能力比PMR-15树脂基复合材料高55℃的AFR700B高温树脂基复合材料研制F119发动机压气机静子。
   P&W公司在经济可承受的树脂基复合材料研究计划（后转至JS计划）的ACP研究项目下，开发和验证了采用2D纤维结构的复合材料风扇转子叶片。为了适应鸟撞试验的需要，对该叶片作了改进：在高应力区增加了材料；改变了叶根角和叶根曲度，以软化叶根到叶型的转变；采用3D编织和其他纤维结构加强结构韧性。目前，该叶片正按照JSF研究计划进行评估和验证，准备改进F119和F135发动机。

     （5) 风扇包容匣。

       在P&W公司，树脂基复合材料应用于涡扇发动机风扇包容机匣已经较为成熟。PW2000和PW400发动机采用复合材料制造了风扇包容环。PW4084等发动机采用芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环替代不锈钢，使质量减轻了35%～50%；其包容环结构与GE90发动机的基本相同。另外，P&W公司在经济可承受的树脂基复合材料研究计划的ACP研究项目下，开发和验证了风扇包容机匣。采用ATP技术加工了3个风扇包容机匣，形成等格栅结构的搭接肋。经验证，机匣实现了减轻质量的目标；冲击试验则表明，等格栅加强肋到壳体的界面成功地承受了叶片掉块的冲击。但由于1996年投资中断，没有进行进一步的性能试验。

此外，PW4168发动机采用了蜂窝夹层结构的复合材料的短舱、双马来酰亚胺核心机整流罩及碳纤维增强的环氧树脂复合材料反推力装置。

3 R·R公司

20世纪60年代，R·R公司开始开发玻璃纤维增强的树脂基复合材料部件。1977年投入使用的第一代垂直起飞战斗机的升力发动机RB162发动机，就采用了Kerimid60材料制造的压气机机匣、静子和转子叶片。虽然该发动机仅用于起飞时的几分钟，但是，到目前为止，仍是唯一采用全复合材料压气机的投入使用的航空发动机。

20世纪60年代，R·R公司开发了Hyfil结构的碳纤维增强的树脂基复合材料风扇叶片，并在Conway发动机上得到验证，但将这一结构放大并尝试应用于RB211发动机风扇叶片时没有通过抗鸟撞试验，最后不得不改用钛合金叶片。20世纪70年代，R·R公司在相对简单的部件，如RB211-524发动机的整流罩门上，应用了树脂基复合材料然后逐步扩展到整个发动机短舱；70年代后期，短舱和相关部件采用了碳纤维增强的树脂基复合材料部件。尔后，R·R公司在中小型涡扇发动机——Tay发动机和BR700发动机上采用了树脂基复合材料的外涵机匣。近期，R·R公司又将其进一步扩展到TRENT系列发动机的风扇出口导向叶片。R·R公司已经将芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环发展得较为成熟，应用到大多数TRENT发动机上。TRENT700发动机风扇包容环采用了类似RB211-535E4发动机的结构，但进行了一些改进；在铝制的环形壳体上缠绕多层用Kevlar材料织成的条带，然后用环氧树脂包覆。为了减轻铝壳体的质量且又具有一定的刚性，壳体上纵横交叉地铣出多道凹槽，形成具有格栅的薄机匣，称为“等格栅铝环”。这种新的包容环既具有较好的刚性，又具有足够的韧性，质量较轻（比RB211-535E4发动机的轻35%，比RB211-22B发动机的轻55%）。TRENT800发动机采用与GE90和PW4084发动机相同结构的芳纶纤维缠绕的风扇机匣包容环，替代了以前的不锈钢结构，使质量减轻了35%～50%。
R·R公司还在民用发动机验证计划中开发树脂基复合材料风扇机匣和风扇轴承支撑结构件，在军用发动机验证计划中开发碳纤维增强的树脂基复合材料中介机匣。

4 MTU公司

      (1) 驱动涡扇发动机开发的复合材料部件技术。MTU公司开展的齿轮驱动大涵道比涡扇发动机的研制工作，始于1985年起动的德国国家反转闭式整体桨扇发动机（CRISP）技术研究计划支持的CRISP项目。20世纪80年代中期，MTU公司在CRISP项目下开展了树脂基复合材料压气机静子叶片和转子叶片的设计、加工和验证工作。据资料ISABE-2005-1077报道，为了满足高性能压气机的高气动性能、高结构强度、轻质量，以及短寿命周期和低费用的要求，MTU公司近期设计了新的CFRP静子气动试验件。为了降低2个端壁的负荷，该静子采用：明显的弓形结构；从叶根到叶尖叶片前缘弯掠；叶片前缘采用端弯设计（考虑附面层影响）。经过数值计算，与用经验获得的静子结构相比，该静子的近节流特性几乎相同，峰值效率略有降低，喘振线附近的损失大大减小。这些技术为后来开展的齿轮驱动涡扇发动机——PW8000的低压压气机复合材料部件研究和验证打下了很好的基础。

      (2)  J200 发动机未来改进开发的纤维复合材料结构件。

     按照一项军用发动机技术研究计划（为改进EJ200发动机），2000年12月，MTU公司开始进行设计点总增压比为5.1的3级低压压气机试验件的试验。在从慢车到起飞的整个工作转速范围内，该试验件具有令人格外欣喜的喘振裕度和性能。进口导流叶片（IGV）具有由碳纤维增强塑料（CFRP）制作的可调襟叶。其前支板是固定的钛叶片，有供油和供气通道；钛支板起机械支承结构的作用，以至在直接的高速冲击下也有足够的抗鸟撞能力。与实心钛叶片设计相比，可调CFRP襟叶能减轻总质量7kg。采用树脂转换模技术，其加工费用与空心钛襟叶设计的加工费用相当。结构设计阶段和在相关的部件机械试验表明：CFRP襟叶的振动水平较低；耐磨能力足够；支板/襟叶设计合理，可以确保具有抗鸟撞和抗喘振能力。


     SNECMA公司开发的M88-2发动机的外涵机匣完全由PMR15树脂基复合材料制造，大大减轻了质量。该机匣前部3/5圆形扩散机匣分为上下两半，然后变成圆锥形；上下两半机匣由位于发动机水平中心面下的法兰组装在一起。为了发挥复合材料的抗疲劳特性，复合材料外涵机匣的周向和纵向均采用了复合材料翻边结构；为了减少外涵机匣安装座的连接件数量，安装座采用了铆接结构。

综上所述，经过几十年的发展，纤维增强的树脂基复合材料已经被美国、英国、法国等航空发动机技术先进国家广泛应用在航空涡扇发动机的低温部件上。回顾与总结此类部件的研制历程和应用情况，可以发现其发展具有以下特点。

1  耐高温能力提高，应用范围扩大

目前，应用在涡扇发动机部件上的较为成熟的纤维增强树脂基复合材料主要包括纤维增强PMR-15基复合材料和凯芙拉增强环氧树脂基复合材料等。由于耐温能力较差，这些材料还仅限于应用在工作温度较低的冷端部件上。为了扩大纤维增强树脂基复合材料的应用范围，世界航空发动机技术先进国家开发了耐更高温度的多种树脂基复合材料，如HT-S/L a R C-160、A S4/P M R-Ⅱ、T40R/PMR-Ⅱ、T40R/V-CAP-50、QuaHZ/AFR-700B、Celion6K/LaRC-RP46等，并在航空涡扇发动机或验证机上对其进行了验证。具体实例包括：在F110IPE发动机上，对VCAP-75基复合材料后整流部件进行了验证；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料支板进行了验证，并准备应用于F136发动机上；在IHPTET计划验证机上，对AFR700B基复合材料外涵机匣等静止部件进行了验证，并准备用于F119发动机上。

由航空涡扇发动机性能不断提高和质量不断减轻的明显发展趋势树脂基复合材料涡扇发动机部件发展特点决定,未来涡扇发动机不得不大量采用先进复合材料和相应的新颖结
构，因此，有理由相信，随着耐温能力更强的新型树脂基复合材料的验证和成熟，树脂基复合材料涡扇发动机部件的工作温度将得到提高，应用范围也将逐步扩大，最终将应用到工作温度稍高的核心机上。

2  制造技术自动化，成本降低

经过多年的开发和研究，国外树脂基复合材料制件的制造技术已经发展得较为成熟，部分实现了自动化。采用自动化纤维铺放技术，可以取代手工铺放，降低成本38%，减少劳动工时60%，减少零件数量80%采用自动化RTM成形技术，可以降低纤维铺放成本，制造出形状复杂的制件，提高生产的可重复性，并可将材料消耗降低到最低程度；采用先进的自动化纤维引导铺放、树脂膜浸渍和真空辅助RTM造型技术，可以实现复杂几何形状、大尺寸、厚截面和高精度的航空涡扇发动机部件的低成本制造。

与RTM相关的制造技术，如树脂膜浸渍技术（RFI）和真空辅助树脂转移造型（VARTM）技术尚在发展之中。2020年前，国外将进一步开发更加高效、可靠、低成本的制造方法和设备，探索研究具有良好加工性能和优良热稳定性的新聚合物合成技术。

3  设计与制造一体化，综合能力提高

复合材料的形成过程就是复合材料制件的加工过程。复合材料制件的应用不是简单的材料替代，而是需要设计、制造和材料研究人员针对特定的结构，共同选择和确定材料的组分比例与取向、制件的形状和质量等，使材料和制件在同一工艺操作过程中达到整体优化。
随着复合材料3D设计方法和设计制造一体化思想的形成和不断成熟，复合材料发动机部件将实现结构设计与材料选择的真正融合，综合性能潜力将得到充分发挥。

结束语

纤维增强树脂基复合材料在航空涡扇发动机部件上的应用，既是复合材料本身发展的需要，更是涡扇发动机增推减质的需要。由于具有质量轻、强度高等优越性能，且加工工艺较为成熟，纤维增强树脂基复合材料已经被航空发动机技术先进国家广泛地应用在涡扇发动机的低温部件上。

在纤维增强树脂基复合材料应用于涡扇发动机部件方面，我国已经开展了大量的开发和验证工作，并取得了较大的进展。北京航空制造工程研究所自行研制的以中等强度碳纤维为增强体、以648酚醛为基体的航空喷气发动机叶片是第1种国内自主开发的复合材料航空零件。该叶片长365mm，扭角为56°，根部有1个安装榫头槽，是用阴阳模一次成型出来的，基本上无需再加工。其质量是钛的56%，离心力减小，对盘的要求也降低了；其榫头拉断强度是设计载荷的5倍。由于碳纤维的铺层取向可以调整，因而叶片的扭角、特别是动载条件下的扭角是可作调整的，修正设计的裕度较大。北京航空制造工程研究所等单位合作开发和验证的树脂基复合材料外涵机匣已经成功地应用到某型航空发动机上。
尽管如此，在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用方面，我国较国外先进水平还有很大差距。因而，很好地借鉴国外已经验证的先进材料和制造技术，充分地吸取国外成功的管理经验，全面地做好高性能纤维增强树脂基复合材料的开发，以及先进制造技术的研究、设计与制造一体化方法的应用等工作，对加快我国在纤维增强树脂基复合材料航空涡扇发动机部件的开发和应用工作具有非常重要的意义。

{:wu:}小白前来学习

不错。

看上面的图 以为是个水桶.......

排队学习，好像没一年吧

no news is good news～
ps：慢慢学习3楼的科普帖～

这是好消息。

多谢科普。不过据说性能不如31

嘿嘿嘿嘿 发表于 2010-10-7 07:21


    我咋听说比31强

都不怎么飞，当然没撒消息。。

嘿嘿嘿嘿 发表于 2010-10-7 07:21


一般的消息都说太行比阿勒三姨强吧。。。

嘿嘿嘿嘿 发表于 2010-10-7 07:21


    偶只盼推力、推比胜过毛发就ok

慢慢学习

沈飞那批有问题的11B回到部队了吗

贵宾们说，太行很杯具啊

一楼图咋看像被突突过了一样

据说年中发生过一次停车，据隔壁帖子的几位大大透露，装上TH后，飞机的飞行性能明显下降，特别是高空高速性能方面，所以还得继续努力啊！

回复 19# SSJ100


    太行当初设计是装J10，后来进度跟不上，变成AL31的替代和备用以及将来的全国产化，为此明明很多结构稍微改下尺寸就能获得更好的性能，结果为了适应现在飞机的结构，性能就这样了

希望太大,失望就.......我只要求太行能用就行,性能之类的追求等改进型或下一款机型完成吧

[美国《航宇日报》2010年9月17日报道]　　GE航空希望于10月在俄亥俄州的皮尔斯（Peebles），开始唯一一台安装有陶瓷基复合材料低压涡轮叶片的GE F414发动机的地面试验。使用该种材料叶片可以减少军用和民用发动机的重量，并有可能进一步提高发动机的燃油效率。之前已有陶瓷基复合材料（CMC）技术应用于包括热端零部件在内的发动机零部件上，GE已经将其应用到衬套、内机匣和静子叶片上。GE先进发动机系统部总裁戴尔•卡尔森表示，CMC应用在低压涡轮叶片的重要意义在于这是公司首次应用CMC材料制造旋转部件。该技术使得叶片质量为钛合金的一半，镍合金的1/3，这两种金属材料的优势是其高强度和耐热性，而陶瓷基复合材料也有隔热性能，能够减少内部冷却气流的流量。
　　一组CMC静子叶片能够承受来自低压系统500~1000磅的压力。CMC材料的脆度是其显著缺点，不过戴尔表示GE生产的低压涡轮叶片不存在此问题。该技术使得设计人员能够采用等容燃烧降低油耗，因为其耐压性增加并且可以持续工作。研究工作由海军能源初始合同资助。
　　GE同时在空军VAATE计划下研究CMC技术，GE和罗罗，合作参与了F136备选发动机的竞争，同时获得了VAATE计划技术验证合同。GE/斯奈克玛合资的CFM国际公司研发的LEAP-X发动机上也在静子部件上采用CMC材料。不过将其应用在F136和LEAP-X发动机旋转部件的研发工作进展较晚。

谁为谁狂. 发表于 2010-10-7 02:25


    那个似乎不是太行；
不过，真有坏消息也不说。

前阵子不是整顿吗？有没有什么关联？

damo56030 发表于 2010-10-7 10:03


    照TH现在的一项指标来看……如果这个指标不改进或10不改双发的话TH很难上到10上……一发双鸡只是远期目标……{:jian:}

no news is good news```

SSJ100 发表于 2010-10-7 09:51


    能用就好，持续改进吧

回复 25# gustov


   其实只要鹅毛再多封锁中国几年，太行就上10了:D

damo56030 发表于 2010-10-7 10:44


    光风车启动需要时速600KM以上这一项就足以把TH上10给否了……{:jian:}

好邪恶的零件

回复 29# gustov


    还是那句话，鹅毛再封锁个10年，什么问题都解决了:D

damo56030 发表于 2010-10-7 10:50


    现在上11是啥问题都没有……风车启动时速、地面启动耗时等对于11影响都不大……就是直径比31大……如果飞机不修形的话……肯定增加阻力……

堪用？能用？好用？

damo56030 发表于 2010-10-7 10:50

hehe,这话说得好像我国没有被封锁过一样。

事实是恰恰相反......

回复 34# costrave


    当时是什么问题，现在是什么问题:D

回复 33# gustov


    双发对发动机的要求是比单发可以低一些

回复 29# gustov


你说的这个问题听贵宾说的，似乎已经解决了吧。

希望太行早日行

小步快跑
偶希望15年内达到F119的水平

这是好消息。