發(fā)動機是飛機的“心臟”，要想使飛機具有優(yōu)良的性能,，發(fā)動機是至關(guān)重要的因素,。因此，飛機制造商在研發(fā)新機型時,，往往要同發(fā)動機廠商密切合作,，要求其研發(fā)推力、功率符合新機型要求,，并且推重比,、燃油消耗率、噪聲和污染排放等各項性能指標(biāo)都更加優(yōu)異的發(fā)動機,，以保證新機型在市場競爭中脫穎而出,。為此，發(fā)動機制造商千方百計地把最先進(jìn)的設(shè)計,、材料和制造工藝運用到產(chǎn)品中去,，以滿足飛機制造商的要求。
近20年來,，發(fā)動機制造商推出了一系列先進(jìn)的渦扇發(fā)動機,，其中包括GE和普惠合作研制的GP7200，GE的GE90,、GEnx,、GE9X，羅羅的Trent系列發(fā)動機,，CFM公司的Leap系列發(fā)動機,，普惠的PW1000G系列齒輪渦扇發(fā)動機等。這些發(fā)動機大都采用了新技術(shù),、新材料和新工藝,，代表了未來發(fā)動機制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
預(yù)浸料鋪疊成型技術(shù)
早在1970年代,，羅羅就開始著手采用復(fù)合材料來制造風(fēng)扇葉片,，但未獲成功。GE是首家成功將碳纖維風(fēng)扇葉片運用到產(chǎn)品中的制造商,。1970年代以來,，GE在一系列項目上進(jìn)行試驗，為該材料在GE90上大量使用打下了基礎(chǔ),。
1995年,，使用碳纖維風(fēng)扇葉片的GE90發(fā)動機作為波音777客機的動力裝置投入服役,。此后，GE又將該技術(shù)用于GEnx發(fā)動機,。隨著波音777和波音787客機銷量的上升,，GE90和GEnx這兩種發(fā)動機也取得了巨大成功。
為實現(xiàn)碳纖維風(fēng)扇葉片的量產(chǎn),，GE和斯奈克瑪合資組建了西凡公司,。該公司的工廠設(shè)在美國德克薩斯州的圣馬可斯市，廠房面積約為25000平方米,。公司首要任務(wù)是制造GE90發(fā)動機的寬弦風(fēng)扇葉片,，自1994年9月交付首批葉片以來，至今已交付了20000多件GE90風(fēng)扇葉片,。18年來,，該葉片從未發(fā)生過故障，F(xiàn)AA對其不設(shè)置壽命期限,。
西凡公司采用的技術(shù)主要是將預(yù)浸料條片鋪疊成預(yù)成型件,，經(jīng)過固化后再進(jìn)行最終加工。葉片通常由數(shù)百層以上的單向料帶和纖維組成,，跟部厚度可達(dá)100毫米，而在葉尖則僅有6毫米,。工廠配置的主要設(shè)施包括冷凍室,、超凈室、熱壓罐,、加工中心,、材料實驗室等。
生產(chǎn)該材料的主要工作流程為：預(yù)浸料收到后儲存在冷凍室內(nèi),，在超聲切割設(shè)備上按照工藝要求進(jìn)行切割,然后轉(zhuǎn)移到超凈室,。按照產(chǎn)品要求，層材在激光投射系統(tǒng)上進(jìn)行鋪疊,，形成預(yù)成型件,。所謂激光投射系統(tǒng)，就是采用一系列精心設(shè)計的反光鏡和電流計把靜止的激光束轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N按照設(shè)定路線快速運動的光束,，繪出一個圖形,，起到替代樣板的作用，可使制造時間大大縮短,。
預(yù)成型件移出超凈間后,，送入熱壓罐進(jìn)行固化。采用實時高分辨率數(shù)字式超聲或X光成像系統(tǒng)可對經(jīng)過固化的零件的完整性進(jìn)行評估,。全沉浸超聲系統(tǒng)的脈沖回波和直通傳送可隨著極復(fù)雜的零件外形提供二維或三維實時圖像,。兩臺CT系統(tǒng)可提供實時數(shù)字式X光圖像來對厚的疊層進(jìn)行評估,。該公司還具備設(shè)計、制造和修理復(fù)材工具的能力,。材料鑒定和質(zhì)量保證實驗室具備對預(yù)浸件,、樹脂和經(jīng)固化的成品進(jìn)行全面鑒定的能力。
三維編織技術(shù)
近年來,，空客和波音都開始發(fā)展新一代單通道客機,，空客推出了A320neo系列，波音則推出波音737MAX系列,，中國商飛公司也在研制C919客機,。作為動力供應(yīng)商的CFM公司則相應(yīng)地研制了Leap系列發(fā)動機。試驗表明,，預(yù)浸層料鋪疊技術(shù)對Leap發(fā)動機的風(fēng)扇葉片并不適用,，這是因為Leap發(fā)動機的風(fēng)扇直徑較小，葉片相對較短,，撓性不足,。
為此，負(fù)責(zé)低壓部件的斯奈克瑪公司與美國奧爾巴尼工程復(fù)材公司（AEC）合作,，研發(fā)出一種三維編織技術(shù),，將碳纖維編織出一種多層的整體葉片，葉跟處較厚,，兩側(cè)彎曲,，葉尖處較薄�,！翱棛C”由計算機控制,，8件葉片共需用32萬多米長的纖維，編織出的葉片是干的,。
葉片在高壓噴水切割設(shè)備上進(jìn)行切邊后被裝入一個特制的模具,，閉合后樹脂以125PSI的壓力注入，完成樹脂轉(zhuǎn)移模壓過程（RTM）,。然后,，葉片置入爐內(nèi)進(jìn)行固化，無需抽真空,，在176℃溫度下保持5小時,。葉片需進(jìn)行X光和聲學(xué)檢驗以確定是否存在空穴。葉片表面用氧化鋁噴砂,，使表面毛糙,，然后涂漆以防侵蝕，最后再包上鈦合金前緣,。葉片成品重4千克,，僅為鈦合金葉片的1/8,。經(jīng)過多年的研發(fā)，該技術(shù)終于在2011年獲得成功,，葉片經(jīng)受了鳥撞試驗,，開始小批量生產(chǎn)。
為了增加產(chǎn)量,，AEC公司和斯奈克瑪公司商定將在美國和法國各組建一家新的工廠,。預(yù)計到2020年，Leap系列發(fā)動機產(chǎn)量將達(dá)到年產(chǎn)1500臺,，工廠將實行三班倒,，達(dá)到每30分鐘就能產(chǎn)出一件葉片。目前,，投資1億美元,、占地9000平方米的美國新工廠已破土動工，計劃于2014年投產(chǎn),。法國的新工廠則將在2015年投產(chǎn),。生產(chǎn)高峰期每家工廠將配備20～30臺織機，各配備200名員工,。預(yù)計僅風(fēng)扇葉片一項,，年收入可達(dá)3～5億美元。
為了在該項技術(shù)方面追趕,，羅羅與GKN公司合資成立了一家名為斯他爾（CTAL）的公司,。雙方共投資1480萬英鎊（其中一半由英國政府提供），在英國南部的懷特島上建立試驗工廠,，有70名技術(shù)人員專門研發(fā)碳纖維風(fēng)扇葉片的自動化制造工藝技術(shù)和設(shè)備。羅羅公司計劃將碳纖維風(fēng)扇葉片用于其正在為波音777X大型客機研制的RB3025渦扇發(fā)動機,。
復(fù)材制造風(fēng)扇機匣
除了采用復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片之外,，GE還采用復(fù)合材料來制造GEnx發(fā)動機的風(fēng)扇機匣和其他一些零部件。復(fù)材風(fēng)扇機匣由GKN宇航公司制造,，可使每臺發(fā)動機減輕160千克,。復(fù)合材料制造的風(fēng)扇機匣和風(fēng)扇葉片都成功地經(jīng)受了嚴(yán)格的包容試驗、鳥撞試驗和天氣試驗的考驗,。
包容試驗就是在一個風(fēng)扇葉片的根部設(shè)置一定量的炸藥,，在發(fā)動機運行過程中引爆，如果風(fēng)扇機匣未被葉片碎片擊穿,，碎片得以從外涵道排出,，就說明機匣具有足夠的強度。在鳥撞試驗中,，復(fù)材葉片經(jīng)受了中型（2.5磅）和大型（8磅）異物的沖擊,。天氣試驗在GE公司位于俄亥俄州皮波爾斯市的室外試車臺進(jìn)行,，在經(jīng)歷了一個小時、雨量為225加侖/分鐘的暴雨試驗和15分鐘的冰雹試驗后,，葉片完好無損,。
用鋁化鈦造低壓渦輪葉片
鋁化鈦（TiAl）是一種金屬間化合物，重量輕,，耐高溫,、耐氧化。該材料在600°C下的優(yōu)良機械性能和耐腐蝕性使其可以取代傳統(tǒng)的鎳基超級合金,。鋁化鈦的密度約為4克/立方厘米,，只有鎳基合金的一半。因此,，采用鋁化鈦來制造發(fā)動機零件,，例如低壓渦輪葉片和高壓壓氣機葉片等，對提高發(fā)動機的推重比很有效,。
GE是這項新材料的先行者,。GE公司用鋁化鈦來制造GEnx發(fā)動機的第6級和第7級低壓渦輪葉片，葉片由美國精密鑄件公司和意大利阿維奧公司負(fù)責(zé)鑄造,，由莫勒制造公司飛機分部負(fù)責(zé)加工,。
另一項可用于葉片的金屬間化合物是硅化鈮(NbSi), 用該材料來制造渦輪葉片，與高性能鎳基合金如Rene 80相比,，可使每臺發(fā)動機的重量減少45～135千克,。除了顯著減輕重量外，用于渦輪葉片的冷卻氣流也可大大減少,。該材料目前還在研究階段,，待條件成熟后，硅化鈮可能首先用于低壓渦輪葉片的前幾級,，然后再用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高壓渦輪葉片,。
陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用
陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是一種用陶瓷纖維加強的陶瓷材料。陶瓷基體和纖維可以由任何陶瓷材料組成,，碳和碳纖維也可看做是一種陶瓷材料,。
陶瓷基復(fù)材零件的制造過程通常包括下列三個主要步驟：按照零件所需的形狀鋪放并固定纖維、滲入基體材料和最終加工,。
在第一步中,，纖維按照通常采用的技術(shù)進(jìn)行鋪放和固定，諸如纖維鋪放,、纏繞,、編織和捆扎，形成預(yù)成型件,。
在第二步中,，有5種方法可用來將陶瓷基體填充到預(yù)成型件的纖維之間：即從一種氣體混合物中沉積而成,、從一種陶瓷聚合物高溫分解而成、從一系列元素的化學(xué)反應(yīng)而成,、在相對低溫下燒結(jié)而成和用陶瓷粉電泳沉積而成,。
第三步加工包括鉆孔、銑削,、磨削和研磨等,，需采用金剛鉆工具。CMC也可采用高壓水噴射和激光進(jìn)行加工,。如需要,，還可進(jìn)行浸漬等處理工序。
陶瓷基復(fù)材具有重量輕,、性能好,、需要的冷卻氣流少等優(yōu)點。試驗證明,，該材料比傳統(tǒng)材料更能承受高溫,，而重量只有鎳基合金的1/3。
GE已在F136軍用發(fā)動機上安裝了一個CMC渦輪導(dǎo)向葉片,，還在F414發(fā)動機上裝用CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行過試驗,。在民用發(fā)動機方面，則考慮用于燃燒室,、高壓轉(zhuǎn)子葉片以及排氣段等,。如果用于燃燒室筒體，該材料的重量只有傳統(tǒng)金屬的一半,，卻仍可承受1200°C的高溫,，NOx排放減少20%，所需冷卻空氣減少50%,。如果用于葉片,，其重量可比金屬零件減少70%。GE考慮在Leap發(fā)動機上采用CMC渦輪導(dǎo)向葉片,，而在GE9X發(fā)動機上采用CMC渦輪轉(zhuǎn)子葉片,。如獲成功,，則不但葉片重量減少很多,，渦輪盤、渦輪軸和軸承的重量也將顯著減少,。
據(jù)估計,，按GE90-115發(fā)動機計算，如果使用新材料,，整臺發(fā)動機可減重455千克,，占發(fā)動機總重量的6%,。GE計劃投資1.25億美元在美國北卡羅萊納州的阿希維爾組建面積為11613平米的工廠，專門制造陶瓷基復(fù)材發(fā)動機零件,。
