飞机发动机的风扇大叶片是如何制造的？
马氏体
2023-11-06 07:45
大涵道比涡轮风扇发动机是目前民用大飞机和军用大型运输机的主流动力装置。直径巨大的风扇由涡轮驱动，把发动机内高温高压燃气的能量大部分转化为风扇向后鼓风的动能，高效地推动飞机前进。
涵道比是由风扇直接经外涵道吹出的气流与流入发动机燃烧室的气流量之比，比值在4:1以上的称为大涵道比发动机。（具体原理请看：效率为王，风扇先行——涡轮风扇发动机）
风扇叶片在每分钟数千转的转速下工作，贡献了发动机80%以上的推力，承受着巨大的离心力和气动载荷，还要直面飞鸟等外物的冲击和风沙、雨雾的侵蚀。轻质高强耐腐蚀的钛合金是最早用于风扇叶片的材料（上图左：波音747所用的普惠JT9D-7发动机，上图右：空客A300所用的通用电气CF6-50D发动机），且采用整体锻造成型的实心结构。
在先进发动机的研制中，增大风扇直径（增大涵道比）、减轻风扇重量是提升发动机效率的重要技术手段，但这对风扇叶片材料及其制造工艺提出了更加严苛的要求。让我们来看看，国外航发巨头是怎么做的。
空心钛合金叶片
工艺：超塑成形/扩散连接（SPF/DB）
代表机型：罗尔斯·罗伊斯Trent XWB，用于空客A350XWB
空客A350 XWB是空客公司最新的双发远程宽体客机。XWB是“eXtra Wide Body”的缩写，代表了它直径5.96米、经济舱一排9座的宽大机身，载客量达三四百人，航程达到15000公里以上。它具有优越的燃油经济性，归功于先进的气动设计、高达53%的复合材料重量占比、以及高效的罗尔斯·罗伊斯Trent XWB发动机。（请看：空中的复合材料之王——空客A350XWB复合材料机身浅析）
罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce，简称“罗罗”）与造豪车的劳斯劳斯同源，1973年被拆分为航空发动机和汽车制造两家企业，后来劳斯劳斯被出售给德国宝马，而罗罗仍是一家英国企业，两者的英文名相同，为示区分而取不同的中文翻译。Trent（中文译作“遄达”）是罗罗的民用涡扇发动机品牌，“Trent XWB”顾名思义就是专为空客A350XWB开发的发动机。它的风扇直径达到3米，涵道比9.6:1，拥有22片空心钛合金叶片。
钛是一种难以锻造的金属，但是当某些钛合金具有均匀、细小（仅几微米）、等轴（各个方向的尺度接近）的晶粒组织时，在高温（高于熔点的绝对温度值的0.5倍，一般在700-1000℃）和较低的变形速率下，仅需较小的力量就能够实现延伸几倍乃至十几倍的均匀变形，即获得超塑性。这种变形主要是通过晶粒在晶界处的相互滑动而产生的，是把钛合金加工成复杂形状叶片的理论基础。
以减重为目的的空心结构，则是结合了扩散连接技术而制成的。在上下两层钛合金面板之间夹一层钛合金芯板，芯板表面涂有特定图案的止焊剂（氮化硼、氧化钇等陶瓷粉末）。在高温（对钛合金大约是800-1200℃）下加压，芯板上未涂止焊剂的表面与面板紧密贴合，两侧的钛原子发生相互扩散，填充了界面的空隙，使两块金属连接到一起。
接下来，在超塑成形的温度下，向夹芯坯料内吹入高压氩气（几十到上百个大气压的压力，仅相当于常规锻造压力的十分之一），把未焊接的部分撑开成桁架结构，并把面板向外压向模具，形成叶片的外形。这种超塑成形方式被称为气压成形或吹塑成形。
在实际加工过程中，扩散连接得到的平板坯料（上图右侧）首先经过扭弯、锻造成为曲面形状。
随后置于气压成形的模具内，加热，吹气，完成超塑成形。
上世纪80年代，罗罗公司开发出钛合金面板与钛合金蜂窝芯材的扩散连接技术，制造空心风扇叶片，90年代进一步开发出上述超塑成形/扩散连接（SPF/DB）技术以减轻叶片芯材重量。目前，罗罗把这类钛合金叶片的生产都放在了新加坡的工厂。
罗罗公司在Trent XWB发动机上采用了其独特的三转子结构，分别由高压涡轮带动高压压气机、中压涡轮带动中压压气机、低压涡轮带动风扇，使风扇和压气机可以工作在各自的最佳转速，从而提高效率。其他公司的涡扇发动机的风扇和低压压气机一般是由同一套涡轮驱动、同速旋转的，构成低压转子，但风扇和压气机难免互相迁就而影响效率（另有高压涡轮驱动高压压气机构成高压转子，被称为双转子结构）。值得一提的是，Trent XWB最后一级低压涡轮的钛铝合金叶片是由中国科学院金属研究所研制的，比通常使用的镍基高温合金更轻，又比传统钛合金更耐高温。
碳纤维复合材料叶片
工艺：预浸料手工铺放-热压罐成型
代表机型：通用电气GE90-115B，用于波音B777-300ER
波音B777-300ER是目前投入商用的最大的双发飞机，最大起飞重量352吨，可搭载近400名乘客。
相应地，它由目前已投入商用的最强大发动机——GE90-115B推动，由美国通用电气公司（GE）出品，曾经创造了58吨的推力记录（已被它的后继型号GE9X刷新）。
GE90-115B的风扇直径达到3.3米，涵道比9:1，有22片碳纤维复合材料风扇叶片。
制造叶片的原料是碳纤维预浸料，即浸渍了树脂的碳纤维带束或织物。
在叶片工厂里，成卷的预浸料被展开、裁切成特定的形状。
按照设计好的铺层设计方案，把1000多层预浸料片手工铺放到模具上。
铺放完成后套上真空袋，抽真空。
送入热压罐内，加热使树脂固化。真空袋内抽真空和热压罐加压的双重作用可以保证制件紧实。（碳纤维复合材料的具体生产过程请看：织无缝天衣）
在复合材料叶片的前、后缘和顶部包裹上钛合金包边，起到防护鸟撞的作用。
当然还有机加工、喷涂保护涂层等工序。至于为什么只在叶片前缘保留钛合金包边的银色、后面全部涂黑，就是为了好看。
相比于钛合金，复合材料叶片有显著的减重效果，而且由于风扇叶盘所承受的载荷减小，叶盘和轴的重量也可以随之减轻，使发动机整体减重数百公斤。
GE公司对复合材料风扇叶片的研究始于上世纪60年代末，一直到80年代才解决抗鸟撞的安全性问题，90年代开始实际应用于GE90系列发动机。
碳纤维复合材料叶片
工艺：三维机织-树脂传递模塑
代表机型：CFM公司LEAP-1A，用于空客A320neo
CFM公司是美国GE与法国航空发动机企业SNECMA（现为法国航空工业巨头赛峰集团Safran的子公司）的合资企业。从上世纪八十年代至今，CFM公司的CFM-56系列发动机是世界上最成功的大涵道比涡扇发动机，总产量超过3.3万台，曾驱动了绝大多数的波音B737系列和半数以上的空客A320系列。（上图为新一代的A320neo）
2008年，CFM公司发布供新一代窄体客机使用的LEAP系列发动机，包括用于空客A320neo的LEAP-1A（上图）、用于波音B737 MAX的LEAP-1B和用于中国商飞C919的LEAP-1C。
LEAP-1A发动机的风扇直径1.98米，涵道比11:1，有18片叶片，比用于旧型号A320的CFM56-5B发动机（涵道比5.4~6:1）的1.73米风扇直径明显增大，从而提高燃油效率，叶片材质也从钛合金升级为碳纤维复合材料以实现减重。叶片由赛峰集团制造。
碳纤维经过三维机织（使纤维在经、纬和垂向三个方向交织的织法），得到有一定厚度的碳纤维三维织物。
经过切割、扭转，得到曲面形状的叶片预制体，放入模具中。
用压力将树脂注入模具的腔体内，使树脂充分浸润碳纤维预制体后固化，得到复合材料叶片，这种工艺被称为树脂传递模塑（RTM）。
同样要在叶片前缘用钛合金包边，起到保护作用。
三维机织-树脂传递模塑技术是赛峰集团在2012年开始投入应用的。相比于上一种预浸料手工铺层工艺，三维机织可以使叶片拥有更好的抗分层、抗冲击能力，但是织造过程缓慢而昂贵，且制品的强度、刚度不足，尚不能用于宽体客机发动机的大尺寸风扇叶片。
空心铝合金叶片
工艺：锻造成型
代表机型：普拉特·惠特尼PW1500G，用于空客A220
空客A220原为加拿大庞巴迪公司的C系列客机，但在美国波音公司的围堵下，不得不以1美元的象征性价格卖给空客公司，赤裸裸地展示了西方高科技垄断企业打压竞争对手的险恶用心。（请看：1美元，从加拿大庞巴迪卖身空客）
空客A220所用的发动机型号为PW1500G，由美国另一家航空发动机巨头——普拉特·惠特尼（Pratt & Whitney，简称“普惠”，是美国联合技术公司UTC的子公司）推出，属于PW1000G系列齿轮传动涡扇发动机（GTF）。
在一般的双转子涡扇发动机中，风扇和低压压气机（增压级）连在同一根轴上，由低压涡轮直接驱动。由于风扇直径很大，无法达到太高的转速，涡轮和压气机的转速也就不得不低于其最佳转速，造成气流效率损失，只能增加级数，因而增加了发动机的重量；另一方面，风扇的转速要高于其最佳转速，风扇叶尖的线速度超过音速，带来阻力和噪音的问题。PW1000G发动机在低压压气机和风扇之间设置了一套减速比约为3：1的行星齿轮减速器，低压涡轮带动低压压气机以9160rpm的转速旋转（远高于同级别常规涡扇发动机的约4000~5000rpm），再通过减速齿轮驱动风扇以3250rpm的转速旋转，使两部分都能工作在最佳转速，从而实现降低油耗和噪音的效果。
降低的风扇转速还允许使用更大直径的风扇，更充分地转化发动机内高温高压燃气的能量，因而加省油。空客A220所用的PW1500G风扇直径1.85米，涵道比12:1；可用于空客A320neo的PW1100G风扇直径2.06米（20片叶片），涵道比12.5:1，是目前投入商用的最大涵道比涡扇发动机，而竞争对手LEAP-1A的直径1.98米，涵道比11:1。
转速降低的另一个好处是对风扇叶片的强度要求降低，可以使用比钛合金更轻、也更廉价的铝合金来制造。因此，PW1000G是第一种采用铝合金风扇叶片的涡扇发动机。
由先进铝锂合金锻造而成的叶片毛坯经过精密加工、包上防护包边，制成叶片成品。
为普惠锻造叶片毛坯的是美国Howmet Aerospace的克利夫兰工厂。这家企业原为美国的铝工业巨头——美国铝业（Alcoa）的子公司，后来被拆分、更名。克利夫兰工厂是美国航空锻件生产的重镇，1955年，美国铝业在美国空军重型压机计划（Heavy Press Program）的支持下，由梅斯塔公司（Mesta Machine）在此建造了一台5万吨（美吨，等于4.5万公吨）模锻液压机（上图），由联合工程公司（United Engineering）建造了一台3.5万吨（美吨，等于3.15万公吨）模锻液压机，与其他8台大吨位锻压机、挤压机一起，奠定了冷战期间美国航空工业领先世界的基础。（关于大吨位锻压机与航空工业的关系，请看：超级大力士的锤，打造飞机的腿）
盘点了国际上主要航空发动机制造商的风扇叶片生产工艺之后，让我们再来看看，我国的进展如何。
CJ-1000A“长江”发动机是我国为C919研制的国产动力，是我国第一款商用涡扇发动机，风扇直径1.95米，涵道比在9一级，总体水平稍逊色于LEAP-1C。今年初，CJ-1000A已经装上由运-20改装而来的发动机试飞平台，进行空中试验。
中国航空制造技术研究院（前身是中国航空工业集团北京航空制造工程研究所）承担了超塑成形/扩散连接钛合金空心风扇叶片的研制。从上世纪90年代开始摸索，到2011年正式组建研制团队，他们攻克了材料、工艺、装备、加工制造、试验测试等诸多难关，于2017年交付CJ-1000AX首台验证机的18件装机叶片，保障了2018年的验证机整机点火试验。
国外各大航发厂商都已经或即将使用复合材料风扇叶片，我们用空心钛合金叶片是否落后了呢？
答案是否定的。
随着近些年我国碳纤维、复合材料产业的快速发展，目前已经实现复合材料风扇叶片（左）、风扇流道板（中）、风扇包容机匣（右，围绕在风扇外、防止风扇叶片断裂后飞出的壳体）的装机应用，表明在风扇材料方面我国已经追赶上世界先进水平。
C919已经使用LEAP-1C发动机投入商业运营，但它的“心脏”岂能被掌握在别人手中。
先进航空发动机的研制，对一个国家的工业实力是巨大的考验，需要几十年的厚积薄发，但同时，它的需求牵引对提升科技和工业水平亦是巨大的助力。
不飞则已，一飞冲天，祝愿我们的先进商用航空发动机早日自由翱翔天际。
相关阅读：
虽无球差校正眼，但怀扫描透射心
从一闪而过的荧屏画面中解析工业生产流程
破解材料密码，见证中国科技进步
做一个比铁还硬、比钢还强的工业党
欢迎关注个人微信公众号“材闻窗外事”
参考资料和素材来源：
罗罗、GE、CFM、普惠公司相关视频
沈尔明,王刚,王宇,等. 鸟撞对商用发动机风扇叶片选材影响. 航空动力,2021(5):68-71.
M. Jackson. 10 - Superplastic forming and diffusion bonding of titanium alloys. Superplastic Forming of Advanced Metallic Materials. Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering. 2011: 227-246.
张向辉. 超塑成形/扩散连接技术在航空航天上的应用. 科技视界,2014(22):345-346.
周何,李小兵,张婷,等. 航空发动机复合材料风扇叶片制造工艺应用进展. 航空制造技术,2022,65(13):84-91.
尧丁,羽渊. 李志强:超塑之美的极致追求者. 科技创新与品牌,2019(12):32-35.
李金声,雷力明,张燕. 商用涡扇航空发动机关键制造技术. 航空动力,2022(6):39-42.
