复合材料在航空_发动机上的应用

复合材料在航空发动机上的应用

树脂基复合材料在发动机的外涵机匣、静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等部件上得到大量应用；金属基复合材料具有优于传统金属材料的比强度、比刚度、耐高温和结构稳定性，在不久的将来将取代镍、钛合金，成为未来航空发动机的主要材料；金属间化合物具有密度低、刚度高、高温强度好和防火能力强等特点,早已被列为先进航空发动机的候选材料

传统的航空发动机材料（镍合金和钛合金）虽然仍有进一步发展的余地，但其发展潜力已经有限，很难满足未来军民用航空发动机更加苛刻的温度和重量要求。随着航空发动机性能不断提高，特别是重量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多地依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进材料。经过多年的研究和发展，由于树脂基复合材料、金属基复合材料和金属间化合物具有优良的低温性能，现已成为航空发动机风扇和压气机等冷端部件的候选材料。

树脂基复合材料

树脂基复合材料耐高温能力较低，但其比强度和比模量高、耐疲劳与耐腐蚀性好、阻噪能力强，加之这种材料和其工艺比较成熟，已经在航空发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵机匣、静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等部件上得到大量应用。

外涵机匣

与常规的钛合金风扇外涵机匣相比，在保证能够执行所有功能和承受整台发动机的静态与飞行载荷的前提下，甲树脂基复合材料制造外涵机匣能够明显减轻发动机的重量，减少发动机的研制成本。

GE公司的F404发动机最早由钛合金的外涵机匣改进为PMR15复合材料的外涵机匣，达到了重量减轻30%和成本减少30%的效果。之后，GE公司又进一步将这一技术应用到F414增推型发动机、F110-GE-132发动机、GE90-115B发动机、GenX发动机、F136发动机和联合涡轮先进燃气发生器（JTAGG）验证机上。其中，F136发动机采用与F110-GE-132发动机相似的复合材料外涵机匣，重量减轻9千克；JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料，重量较铝合金的减轻26%。

美国普惠公司的F119和F135发动机以及法国斯奈克玛公司的M88发动机都采用了树脂基复合材料制造的外涵机匣，M88的喷管鱼鳞片也是用树脂基复合材料制造的，其减轻重量和降低成本的效果都很明显。

静子叶片

与钛合金静子叶片相比，树脂基复合材料静子叶片能够减轻重量50%，降低成本50%以上。另外，对于特定的应用来说，通过优化纤维取向，复合材料静子叶片的固有频率可以被修正，以加大其许用机械和气动设计空间。

普惠公司的PW4084和PW4168发动机风扇静子叶片采用3M公司的PR500环氧树脂基复合材料，其中，PW4084发动机直径为3.04米的静子重量减轻39%、成本减少38%。F119发动机压气机采用耐温能力比PMR15树脂基复合材料高55℃的AFR700B高温树脂基复合材料静子叶片。AFR700 B高温树脂基复合材料由美国空军资助研究，在371℃下可工作1000小时，在316℃下可工作10000小时，并可明显减轻静子的重量。

为降低成本和重量，德国MTU公司在PW8000发动机的高速低压压气机的进口导流叶片和第1

级或第2级可调静子叶片采用了PMC复合材料。这些叶片的抗外物损伤能力、抗振动特性、抗腐蚀性和结构完整性已经得到验证。从1996年起，该公司在继续累计试验的同时，还在开发静子叶片的防腐系统、经纤维压合的三维增强模压成型工艺等。

转子叶片

复合材料的低密度和高强度特性不仅能减轻重量，而且能使转子叶片具有革命性的3维气动设计形状，如掠形叶片、弓形叶片。除了能降低制造成本外，复合材料转子叶片还具有在脱落事故中表现出来的非破坏特性，进而降低了包容要求。

GE90发动机的风扇叶片叶高1.219米，叶根宽0.304米，采用钛合金空心叶片，其作用于轮盘

上的离心力太大，使轮盘无法承受。为此，GE公司的GE90系列发动机采用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复合材料制成的风扇转子叶片。叶片的压力面涂有聚氨脂防腐涂层，叶身的吸力面涂有一般的聚氨脂涂层。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胶层开胶，在叶尖与后缘处用凯芙拉细线进行缝合。叶片的根部为三角形的榫头，榫头承受压力的表面涂有低摩擦系数的耐磨材料。风扇叶片采用该材料和工艺不但明显减轻叶片本身的重量，还能减轻其包容系统、盘以及整个转子系统的重量，具有成本低、抗振（抗颤振）性能好、抗损伤能力强等特点。目前，GE公司的GenX和GE90-115B 发动机采用了高流量弯掠复合材料风扇叶片和有机物基复合材料风扇机匣，还计划将在IHPTET计划下研究的2级带有金属基复合材料和复合空心叶型的高压比风扇用在F414增推型发动机上。

普惠公司、MTU公司和菲亚特公司联合研制的先进涵道式桨扇发动机（ADP）首次应用了树脂基复合材料弯掠转子叶片。并于1996年在Darmstadt 技术大学的单级跨声速压气机试验器上，对由钛合金盘上29片复合材料叶片组成的转子组合件进行了低循环疲劳和高循环疲劳试验，验证了其结构完整性。目前该叶片还在进一步研究中。

另外，为改进F119和F135发动机，普惠公司正在开发复合材料风扇转子叶片技术。在联合一次性使用涡轮发动机（JETEC）计划中，带冠前掠叶片风扇在轮缘处采用了2道纤维缠绕的有机物基复合材料的整体叶冠支撑件，与常规盘相比，重量大大减轻。在欧洲的发动机公司，RB211发动机采用了碳纤维增强的环氧树脂复合材料风扇叶片，欧洲4国也在为改进EJ200发动机研究复合材料的整体叶环结构。

包容机匣

与常规的不锈钢材料的风扇机匣包容环相比，树脂基复合材料风扇机匣包容环具有重量轻和包容能力强的特点。

GE公司CF6-80C2发动机较早采用了复合材料包容环。它是在铝制机匣上围有一圈铝制的蜂窝层，然后包了65层芳酰胺布形成厚轮缘，在芳酰胺轮缘外，再包一层芳酰胺树脂的保护芳酰胺层。之后，GE90发动机包容环仍采用CF6-80C2的结构，即在铝制机匣上缠绕多层凯芙拉编织条带，与以前的设计相比，重量可减轻50%。预计正在研制的GenX发动机也将采用复合材料的包容环。

普惠公司的PW4084发动机和罗-罗公司的遄达800、遄达900、遄达1000发动机也采用了凯芙拉包容环，即在铝合金机匣上铣出许多纵横交错的深槽，在这种称为"等格栅铝环"上缠上多层由凯芙拉织成的条带，然后用环氧树脂包住，形成重量轻、厚度大、韧性好的包容环。此外，罗-罗公司遄达80 0发动机采用双马来酰亚胺复合材料反推力装置，遄达700发动机采用碳纤维复合材料的的反推力装置，与金属件相比，零件数明显减少，重量减轻20%。PW4084发动机风扇叶片拉杆和PW4168发动机反推力装置的格栅都采用树脂基复合材料。相信，树脂基复合材料必将更广泛地应用于未来的生产型发动机上。

金属基复合材料

金属基复合材料具有优于传统金属材料的比强度、比刚度、耐高温和结构稳定性。基体材料不同，金属基复合材料的使用温度也不同。钛基、钛铝化合物基和高温合金基复合材料耐温能力较高，成为很有希望的航空发动机中温(650～1000℃)部件材料。碳化硅纤维增强的钛基复合材料大都能显著提高钛合金的刚度和强度，改善钛合金的耐温能力（在816℃下，强度和刚度保持不变），而密度有的仅为镍基合金的1/2，因而采用这些材料取代现有合金，可大大减轻发动机部件的重量。目前，钛基复合材料已经或将被应用于压气机静子叶片、转子叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、尾部结构和作动杆等零部件上。

GE公司在综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划下研究了2级金属基复合材料和复合空心叶型的高压比风扇，并准备用在F414增推型发动机上。该公司还在制造钛基复合材料压气机整体叶环。另外，GE公司和AADC公司合作研究的ATEGG验证机XTC76／2 核心机5级高压压气机采用外圈增强的金属基复合材料的压气机转子，不仅满足了高转速和高温的要求，还减轻了盘的重量、降低了制造费用和改善了可维护性。

AADC公司在20世纪90年代在IHPTET计划下设计和试验的XTCl6／lA系列核心机的4级压气