為什麼少見渦扇機的扇葉使用碳纖維？

1樓：斐波那事兒

會有的，錢會有的，麵包也會有的，碳纖/其他複材葉片同樣會有的，這個問題就像問為啥現在二十左右的大學生很少有車房一樣，同樣的道理。

2樓：

複合材料風扇葉片為何成為商用發動機的不二之選

複合材料風扇葉片已成為商用大涵道比發動機的發展趨勢，複合材料風扇葉片已應用於B777、B787等多個民機型號，並即將在C919、A320neo、A350、B737MAX、B777-X等先進機型上應用，複合材料風扇葉片的成型技術已呈現出自動化、多樣化和趨勢。

進入21世紀以來，隨A380、B787等大型商用飛機的使用，大飛機的研製越來越受到世界各國的重視，並逐漸成為國家綜合國力的象徵。大涵道比渦扇發動機是大型飛機的核心部分，是決定大型飛機研製能否成功的關鍵。複合材料具有金屬材料無法比擬的低密度、強度和剛度，為了達到發動機的、低耗油率、低聲、低維修成本的需要，世界各主要發動機廠商廣複合材料在大涵道比渦扇發動機上的使用。

風扇葉片是現代商用飛機發動機重要的部件之一，據統計，風扇段質量約佔發動機總質量的30%~35%，降低風扇段質量是降低發動機質量和提發動機效率的關鍵手段，採用更大、更輕的風扇葉片已成為發動機的發展趨勢。風扇葉片每減重1kg，風扇機匣和傳動統也相應減少1kg，同時發動機結構和飛機的機翼/機身結構也分別減重0.5kg，這種由於風扇結構減重帶來的疊代效應對飛機的減重

非常重要。此外，大涵道比渦扇發動機的主要推力來自流經外涵道的冷空氣，要滿足較大的涵道比，必須採用較大尺寸的風扇。因此，採用複合材料風扇葉片是實現發動機更減重的途徑。

與鈦合金葉片相比，複合材料風扇葉片具有重量輕、、低聲的特點，葉片數少，具有更優異的抗顫震效能和損傷容限能力，抗鳥撞效能也能滿足適航需求。以同時為波音787飛機開發的GEnx發動機和瑞達1000發動機為例，採用複合材料風扇葉片的GEnx發動機葉片數更少，質量更輕，，如圖1所示。

複合材料風扇葉片在商用渦扇發動機上的應用現狀

目前，國外已進行商業化應用的複合材料風扇葉片的主要代表為B777 配套的GE90發動機及為B787配套的GEnx發動機；即將進行商用化應用的複合材料風扇葉片的代表為中國商飛C919、美國波音公司B737max、歐洲空中巴士A320neo配套的LEAP-X發動機及為B787-9、A350配套的TRENT1000、TRENT-XWB等發動機。

其中，GE90、GEnx、TRENT1000、TRENT-XWB發動機具有較大的推力，主要為雙通道商用客機提供飛行動力，風扇葉片尺寸較大。而新開發的LEAP-X發動機推力較小，主要為單通道商用客機提供飛行動力，因此風扇葉片的尺寸也小於GE90、GEnx等發動機的風扇葉片。

值得注意的是，國外先採用複合材料風扇葉片的並不是匹配單通道客機的具有較小直徑風扇葉片的商用渦扇發動機（如CFM56、V2500等），而是匹配B777級別雙通道客機的具有較大直徑風扇葉片的GE90商用渦扇發動機。其原因為：較小尺寸風扇葉片的剛性過強而無法產生足夠的彈性變形，通過預浸料疊層/模壓成型工藝研製的小尺寸全複合材料風扇葉片在當時無法通過抗外物衝擊試驗（簡稱FOD試驗）；而較大尺寸的風扇葉片能夠產生足夠的彈性變形吸收衝擊能量，同時結合邊緣縫合技術及鈦合金包邊技術，抑制衝擊帶來的邊緣分層，終通過了FOD試驗得到了商業化應用。

直到2023年，採用3DWOVEN編織結構/RTM工藝成型的LEAP-X發動機複合材料風扇葉片問世才解決了這個技術問題。

因此，從製造技術上可對以上發動機複合材料風扇葉片加以區分：其中GE90、GEnx、TRENT1000及TRENTXWB發動機複合材料風扇葉片採用了預浸料/模壓技術成型，可歸為第2~第3代複合材料風扇葉片製造技術；而LEAP-X發動機複合材料風扇葉片採用了3D-WOVEN/RTM技術成型，可歸為第4代複合材料風扇葉片製造技術。

預浸料/模壓成型複合材料風扇葉片

採用預浸料/模壓成型複合材料風扇葉片的代表主要有美國GE公司的GE90、GEnx發動機複合材料風扇葉片及羅-羅公司和GKN公司正在聯合為遄達發動機開發的複合材料風扇葉片。

GE90複合材料風扇葉片：GE90是美國GE公司於20世紀90年代為雙發大型客機B777開發的特大流量比、特大推力的渦扇發動機，是國外早採用複合材料風扇葉片設計的商業化發動機之一，見圖2。

該葉片採用了預浸料/模壓成型的掠形大流量寬弦複合材料結構，綜合考慮了空氣動力學、航空力學、低周疲勞迴圈和勞迴圈等因素。GE90的複合材料風扇葉片1.219m，葉根寬0.

304m，弦0.61m，風扇轉子φ3242mm，風扇葉尖速度為360~390m/s。該葉片由400層IM7/8551-7的碳纖維/增韌環氧預浸料製成，其外形從葉根至葉尖逐漸減。

在葉身的壓力面上，塗有聚氨酯防腐蝕塗層，葉背上塗有一般的聚氨酯塗層，為了提葉片的抗鳥撞能力，在前緣增加了鈦合金包邊；為了避免在工作中出現複合材料的分層，在葉尖和後緣處採用了Kevlar纖維進行縫合。葉片根部為三角形燕尾形榫頭，榫頭承受壓力的表面上塗有低摩數的耐磨材料。

GE90採用了22片複合材料風扇葉片的總質量為349kg，約佔發動機總質量的8%，與鈦合金空心葉片相比，質量輕66%，強度提100%。經過十餘年的執行，GE90複合材料發動機葉片已計飛行1000萬h以上，僅有3片複合材料風扇葉片被更換，GE90發動機的成功應用，證明了複合材料風扇葉片適用於具有嚴格要求的商業飛行的需要。

GEnx複合材料風扇葉片：GEnx發動機是美國GE公司2023年為B787和B747-8等飛機開發的新一代渦扇發動機，在材料和模壓成型工藝不變的情況下，優化了GE90的複合材料葉片結構設計，見圖3。

GEnx發動機風扇葉片採用了GE公司的第3代複合材料，外形（掠形）基本同於GE90-115B發動機，採用新一代三元流技術設計，葉片數由GE90的22片減為18片，減輕了質量。葉片的前緣與尖部採用了鈦合金護套。在葉片榫根處，採用了特氟隆耐磨襯墊，因而葉片進燕尾無需加潤滑劑，正常的維護僅需要目視檢查。

3）羅-羅公司複合材料風扇葉片。隨複合材料風扇葉片技術的不斷進步，英國羅-羅公司目前正在將目光從在其渦扇發動機上期應用的鈦合金空心風扇葉片移開，轉而研製碳纖維增強複合材料風扇葉片。該公司與吉凱恩集團（GKN）一起開發一種跟鈦合金葉片一樣碳纖維風扇葉片試驗件，見圖4，並滿足在魯棒性、製造成本以及產量可擴縮性等其他方面的標準。

這種碳纖維風扇葉片已經完成了包括葉片飛出、鳥撞試驗在內的地面試驗，並即將於2023年第2季度在TRENT1000發動機上開始飛行測試，並可望在2023年前應用於TRENT-XWB之後的下一型新發動機。

3D WOVEN/RTM成型複合材料風扇葉片

由於中等推力發動機對更小、更輕的風扇葉片提出了更強度要求，作為GE公司在CFM國際公司的合夥人，Snecma公司將採用新的碳纖維增強複合材料結構製造工藝用於CFM56繼任發動機——LEAP-X。與GE90和GEnx風扇葉片採用鋪設多層預浸碳纖維層的方式不同，Snecma公司採用樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝來製造LEAP發動機的風扇葉片，其中在樹脂注入和葉片壓成型前將碳纖維編製成3-D WOVEN結構，見圖5。

LEAP-X發動機風扇葉片採用了法國Snecma公司的專利3-D WOVEN/RTM技術成型，也是世界上個通過FOD試驗的中小推力渦扇發動機複合材料風扇葉片。Snecma公司為該複合材料風扇葉片申請了數個專利，主要包含3-D WOVEN預製體編織技術、3-D WOVEN複合材料葉片預成型技術、RTM成型技術、預製體切割技術等。

在製造方面，Snecma公司Albany Engineered Composites（簡稱AEC 公司）完成三維編織預製體的製備和整個複合材料風扇葉片的製造，由於自動化程度，葉片製造的全過程僅需24h即可完成。

與CFM公司同等推力水平的採用更多金屬結構的CFM56發動機相比，採用3-D WOVEN/RTM技術成型的LEAP發動機重量降低了1000（1 ≈0.45kg）以上，16%，NOX排放量低60%，聲水平低10~15dB，而可靠性維持CFM56的水平。與同樣採用複合材料風扇葉片設計的GE90發動機相比，3-D WOVEN/RTM成型的發動機葉盤直徑減少了50inch（1inch=2.

54cm）以上，但具有與之相當的抗鳥撞能力。

目前，LEAP-X發動機已被中國商飛C919、B737max、A320neo這3種雙發單通道旅客機選中。LEAP-X全尺寸整機試驗於2013初進行，隨後將進行飛行試驗，計畫於2023年取得適航證。

複合材料風扇葉片核心製造技術

複合材料風扇葉片的核心製造技術主要包括預製體制備技術、韌性材料體術等。

複合材料風扇葉片預製體制備技術

預製體制備技術是複合材料風扇葉片製造的核心技術之一。根據發動機的推力和適用性的不同，國外採用了2種不同的複合材料風扇葉片預製體制備技術。其中適用於B777、B787、A350等雙通道客機且具有較大推力和較大葉盤直徑的GE90、GEnx、瑞達1000和瑞達XWB渦扇發動機風扇葉片預製體使用了IM7/8551-7及IM7/M91預浸料並利用/自動化成型技術製備；而新開發的適用於B737、A320、C919等單通道客機，具有較小推力的LEAP-X渦扇發動機風扇葉片預製體採用了預浸漬IM7碳纖維和3D-WOVEN/RTM自動化技術成型。

根據相關資料顯示，GKN公司在GE90發動機風扇葉片研製過程中開發了自動化絲束鋪放裝置（簡稱AFP）以幫助GE90複合材料風扇葉片預製體實現自動化成型，由於當時技術成問題，終GE公司未採用AFP技術進行風扇葉片預製體的製造，而仍位輔助+人手工鋪疊的技術；而隨AFP技術的進步，羅-羅公司在研製瑞達發動機複合材料風扇葉片中採用了GKN公司的新型AFP自動化纖維絲束鋪放裝置，實現了複合材料風扇葉片預製體的自動化成型，並採用了超聲刀進行了預製體切割。

在LEAP-X發動機風扇葉片成型過程中，Snecma公司次提出了無餘量預製體成型技術、預製體預變形技術以及動化的預製體制備技術。

Snecma 公司3DW/RTM成型風扇葉片預製體主要的技術優點有：1）全三維編織結構的預製體，葉片的頂部可以更，根部可以更厚，這種設計降低了傳統二維風扇葉片的分層缺陷產生的可能性；2）採用了經紗連續的變截面成型技術，較經紗中斷的三維編織結構具有更好的承載能力；3）針對渦扇發動機葉片受力環境優化的三維編織結構；4）採用了預浸漬的纖維束編織，維型性更佳；5）在預

制體中增加了可視定位線設計，可對三維預製體編織、預成型、預壓實、合模等全程進行外形尺寸跟；6）預製體編織完成後採用壓水裝置無餘量一次切割到位。

複合材料風扇葉片韌性材料體

國外適用於複合材料風扇葉片的材料體見表1。

從表1可知，國外複合材料風扇葉片的增強材料均選用了T800級碳纖維，基體樹脂選擇了環氧樹脂體。其中，GE公司選用了Hexcel公司的IM7/8551-7預浸料，而羅-羅公司選用了Hexcel公司的可適用於AFP技術的IM7/M91預浸料。由於風扇葉片的使用溫度不，溫環氧樹脂即可滿足其使用溫度要求，材料的主要效能指標為韌性和溼境的效能保持率。

在考核材料韌性的關鍵指標開孔壓縮效能及衝擊後壓縮強度（CAI）上，IM7/8551-7的開孔壓縮強度可達290MPa（常溫幹態），255MPa（82℃濕態），效能保持率達88%；IM7/M91的開孔壓縮強度為315MPa（常溫幹態），CAI值更達350MPa，以上資料表明材料的韌性和複合材料風扇葉片材料的關鍵技術指標要求。

由於Snecma公司未公布3D-WOVEN材料的相關效能，故無法從資料上進行直觀對比判斷。但從國外公開的相關資料可知，採用3DWOVEN/RTM成型的複合材料風扇葉片通過了與GE90同級別的抗鳥撞試驗（8鳥撞）。考慮在相同衝擊能量下小尺寸葉片需要更損傷容限能力和韌性需求，可以推測採用Snecma公司採用3D-WOVEN/RTM成型的複合材料相關韌性效能不亞於甚至超過IM7/8551-7及IM7/M91預浸料的韌性效能。

複合材料風扇葉片成型技術

國外目前主流的複合材料風扇葉片成型技術主要包含模壓及RTM 注射成型，分別對應的發動機及機型見表2。

從表2可知，根據發動機的推力和適用性的不同，國外採用了兩種不同的複合材料風扇葉片成型技術。術上有所區別，但模壓及RTM技術（可等效為液體模壓技術）可統稱為複合材料閉模成型技術。由於渦扇發動機風扇葉片雙曲面、大扭轉、變截面的結構形式極為複雜，採用常規的罐成型技術無法充分保證成型後零件的尺寸精度，而閉模成型技術可實現零件，同時零件的質量一致性好的特點剛好能夠滿足渦扇發動機對風扇葉片極質量要求。

故閉模成型技術已成為複合材料風扇葉片的主流成型技術，如GKN公司模壓成型羅-羅公司的葉片以及Snecma公司利用RTM工藝製造LEAP-X發動機葉片。

隨技術的發展和進步，國外出現了採用複合材料材質的模具替代金屬成型模具的趨勢，其優點為採用複合材料材質加工製造的模具的膨脹數與複合材料零件的膨脹數基本一致，成型的零件具有更。如GE90-94、GE90-115B、GEnx-1B、GEnx-，見圖6。

故閉模成型技術已成為複合材料風扇葉片的主流成型技術，如GKN公司模壓成型羅-羅公司的葉片以及Snecma公司利用RTM工藝製造LEAP-X發動機葉片。

的大型民用客機C919開始研發，其對商用發動機的需求為中國的複合材料風扇葉片製造技術的發展提供了良好的機遇，國的複合材料風扇葉片製造技術尚處於技術積階段，但終有一天，中國的商用大飛機終能採用自主研發的渦扇發動機飛上藍天。

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