1 研究背景在航空领域高速发展的今天，我国航空发动机研发技术的落后，限制了航空领域的发展，而国外对我国实行技术封锁，也成为了我国发展的制约力。发展提高发动机制造技术已成为我国迫切需要解决的问题，而发动机风扇叶片的性能对发动机性能提升起到了关键的作用。因此，对发动机风扇叶片的研究就显得尤为重要。目前，发动机已经发展到了第四代，应用复合材料及先进的工艺技术，增强体主要为3D编织物或3D机织物。风扇叶片预制体主要有3种制备工艺，分别是预浸料铺层工艺、3D编织工艺以及3D机织工艺。预浸料铺层形成的风扇叶片厚度方向没有纤维连接会使叶片在受到外力冲击时，容易造成分层而导致叶片整体失效。这种技术制备的材料，层间黏结性较3D编织物、3D机织物差，但其自动化程度高、技术相对简单，且对于形状各异的构件来说，后期加工方便。随着技术进步，此项技术实现了自动化，被称为自动铺丝工艺，并成功应用于预制体的制备当中，Rolls⁃Royce公司的TRENT系列发动机风扇叶片就是应用此项技术实现了预制体的自动化生产。风扇叶片是一种结构较复杂的构件，3D编织可实现其结构的近净成型，后期加工简单。在编织风扇叶片预制件时，可通过工艺结构设计和适当的增减纱技术来实现叶片厚度的变化，通过一次成型实现风扇叶片预制件的完整编织。目前，国内的3D编织技术还停留在半自动化水平，与国外相比差距较大，由此造成了编织结构件的成本较高，发展速度缓慢。在采用3D机织工艺进行风扇叶片预制体织造时，其核心技术是如何实现风扇叶片厚度的连续变化和一次成型。通过设计，可形成两种工艺，第一种是通过减少经纱层的方式来实现厚度变化[1]，这种方式存在织物中经纱断头的现象，织物完整性差；第二种是通过结构设计的方式实现，这种方式织成的构件完整性较好，且一次成型，对工艺结构设计要求较高。2 国内外风扇叶片预制体制备技术研究现状2.1　国外制备技术发展现状预制体结构和制备技术成熟度影响着复合材料最终的性能，作为复合材料风扇叶片制造的关键技术之一，国外许多国家已经采用了多种复合材料风扇叶片预制体制备技术并实现了较高程度的自动化。通用电气公司（GE）的GEnx型发动机复合材料风扇叶片均采用预浸料热压成型工艺[2]，其中发动机机匣和叶片都采用了复合材料，带来了质量更轻，承载性能更好，耐久性更好，飞行成本、油耗和噪声更低等诸多优点[3]。GE90型发动机风扇叶片也是用预浸料铺层制得。此外，瑞达1000型和瑞达XWB型涡扇发动机叶片也采用预浸料激光定位手工/自动化成型技术制备，它们具有较大推力和较大叶盘直径，均适用于B777、A350、B787等型号双通道客机。国际发动机公司（CFM）采用3D机织及RTM成型技术制造的预制体应用于LEAP⁃X1C型发动机风扇叶片上。该叶片具有安全寿命高、质轻、噪声低、维护成本低等特点。LEAP⁃X型发动机叶片采用3D编织技术及RTM成型技术[4]。它们均适用于B737、A320、C919等型号单通道客机。2006年，美国国家宇航局（NASA）DAMBRINE B等[5]提出了一种3D织造方法来实现风扇叶片的厚度渐变。法国Snecma公司发明一项专利，采用2.5D结构进行织造，主体部分通过减少经纱列数实现横向厚度变化，榫头部分采用先分两层织造，后填充分层，最后通过缝合实现闭合[6]，但是该工艺使得榫头部分的抗拉性能受到一定影响。该公司还发明一项专利，采用3D编织技术制造整体纤维预制件[7]，该发明制得的风扇叶片密封性能和空气动力性能、厚度加倍，叶片机械强度增强。Mikrosam公司开发了一种设备，可以实现纤维、带材的自动铺放，并成功应用于预浸带的计算机自动控制铺层，为预浸料铺层工艺奠定了基础。2.2　国内制备技术发展现状国内发动机风扇叶片现在大多为钛合金材料，随着技术进步和航空领域的发展，复合材料逐渐显现了优于金属材料的特点，越来越多的设备零部件开始采用复合材料。预制体作为复合材料的增强材料，是复合材料发展道路上不可或缺的一部分。在国内，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用碳纤维增强基复合材料的报道。CJ⁃1000A型发动机据称采用了碳纤维增强基复合材料宽弦复合大弯掠风扇叶片。我国相比于其他国家,研究发动机风扇叶片预制体制备技术较晚，工艺技术不稳定，产品可靠性差。早在2000年，航空材料研究院研发了2D编织叶片。2003年，浙江理工大学的祝成炎等[8]采用正交结构，通过减少或增加经纬纱层数的方式实现了纵向截面厚度的变化，但这种方式织造的织物整体性差，厚度变化处存在纱线断头现象，影响织物力学性能。2016年，西安交通大学研究开发了纤维定向增强的复合材料涡轮叶片[9]。2017年，天津工业大学的容治军[10]采用3D机织工艺，用缎纹组织作为基础组织，实现了叶片的整体成型。东华大学的李毓陵教授团队多年来从事于3D机织结构的发动机风扇叶片预制体的研究，通过组织结构设计来实现风扇叶片预制件的整体成型，但未对力学性能方面进行研究；曾文敏对单向厚度变化立体织物的结构进行了设计初探；郭军[11]对纵横双向变厚度立体织物进行结构设计及织造；谢位[12]在此基础上，采用3D机织物结构试织了风扇叶片预制件，并采用树脂膜熔渗工艺进行复合，最终制成了合格的风扇叶片。除了以上高校外，我国从事航空发动机研究的企业也较多，大多为军工企业，它的技术保密较严格，很少能查到相关资料。尽管我国航空发动机的发展已经步入了高速发展的黄金时期，但与世界先进水平相比，仍差距较大。3 风扇叶片预制体的性能研究复合材料风扇叶片的力学性能包括拉伸、压缩、弯曲、剪切，还有较为复杂的力学性能，如疲劳、蠕变等。复合材料风扇叶片预制体的性能直接影响着叶片的性能，因此，对预制体的性能研究非常必要。而预制体的结构不同，会造成复合材料性能也不同[13]。风扇叶片预制体一般都为板状，在固化成型前需进行扭转变形，以保证固化后的形状要求，主要变形为面内剪切[14⁃15]。用于风扇叶片预制体的结构多样，多年来，很多学者对铺层结构、3D机织结构、3D编织结构都有较多的分析研究。郭兴峰[16]采用细观力学方法对三维正交机织物结构进行研究，为织造和控制纤维体积含量提供了一定基础。苗馨匀等[17]通过对三维正交机织物单胞模型进行重构，更真实地反映了三维正交机织物细观结构。蒋云等[18]对三维五向编织物的细观结构进行分析，建立几何模型，推导出纤维体积含量和编织工艺参数间的关系。这些都为预制体力学性能模拟提供了一定的理论基础。LUYCKER E D等[19]基于叶片预制体的扭转变形，采用有限元对叶片预制体的扭转变形进行了模拟。陈志明[20]根据中航工业商用发动机有限责任公司采用3D角联锁结构预制体作为发动机叶片优选材料的规划，对3D角联锁织物的拉伸性能、剪切性能和扭转力学性能及变形行为进行了测试，并采用有限元计算机模拟分析，为进一步研究变厚度3D角联锁结构预制体的性能奠定了一定基础。韦鑫[21]对各种结构的风扇叶片预制体的拉伸性能进行了初步研究，结果表明多层接结结构织物的拉伸性能最好。预制体作为复合材料成型过程中的一个中间产品，对其性能测试一直研究较少，通常是在复合材料成型后，对成品的各个复杂性能进行评价，但笔者认为，复合材料风扇叶片预制体的性能评价应该作为衡量复合材料风扇叶片性能的一项重要线索，必要时必须对其进行性能评价。4 风扇叶片发展趋势4.1　复合材料复合材料具有质轻、强度高等优良的性能，使其成功应用于航空航天领域的各个产品中，国外已实现了3D编织自动成型技术，而我国仍停留在复合材料风扇叶片发展的初期阶段，对于我国来讲，复合材料风扇叶片是航空发动机发展的必要趋势，而对复合材料风扇叶片预制体的研究将是重中之重。预浸料铺层技术、3D编织和3D机织技术都处于初始阶段，不能实现自动化生产，下一阶段的目标是实现自动化技术，这将极大地提高生产力和产品质量稳定性，对发动机性能的提升将起到决定性的作用。其次，复合材料预制体叶片扭转变形一般在复合之后进行，预制体一般成形为平板状，这样成型的复合材料叶片的性能比预制体叶片扭转一次成型弱，研究复合材料预制体叶片扭转一次成型是未来的发展趋势。4.2　3D打印3D打印技术不同于传统的减材加工技术，采用的是增材制造理念，具有多个潜在优势。（1）制造成本低。首先，3D打印不会因产品形状复杂而消耗更多时间，降低了时间成本；其次，传统减材制造会对材料进行加工裁切，造成了资源浪费，而3D打印直接成型产品形状，无需裁切，大大提高了材料利用率，降低了生产成本。（2）对操作技能要求低。传统的加工方式在加工航空发动机的某些复杂零部件时对操作人员的技术水平要求比较高，这样限制了零部件的加工效率和质量稳定性，而3D打印技术无需特别高的操作技巧。并且3D打印制造的零部件性能优异，完全可以取代甚至超越传统金属材料。近年来，美国GE公司致力于发展3D打印技术，并已成功将3D打印技术应用于LEAP型发动机喷油嘴。目前，ATP型发动机上1/3的零部件都是通过此技术实现的，他们计划继续推进对3D打印技术的研究，希望将来可以成功打印发动机低压涡轮叶片。在未来，3D打印将完全颠覆传统加工技术，成为主流生产制造方法。5 结语我国在风扇叶片预制体成型技术上还有很长的路要走，针对国内生产制造航空发动机风扇叶片预制体存在的问题，提出几点发展建议。（1）提高设备自动化程度。设备的自动化程度直接决定着产品质量稳定性和可靠性，然而用于制造预制体3种工艺，我国的设备自动化程度都较低，相比较而言，铺层设备高于3D机织设备，3D机织设备高于3D编织设备。提高设备自动化程度将极大改善预制体的制造效率。（2）提高工艺技术。风扇叶片是一个较为复杂的结构，自身带有一定程度的扭转，榫头与叶片主体部分厚度差距较大，这都极大地考验了生产工艺的可实现性，目前的预制体制备工艺还不能实现扭转一次成型，必须在后期复合实现，提高工艺技术能极大改善叶片性能。（3）健全预制体性能检测手段。预制体的性能决定了复合材料最终的性能，因此，预制体生产完成后，需对其基本性能进行检测，目前我国对此项研究甚少。（4）随着航空领域技术的不断发展，航空发动机民用市场也在不断崛起，拥有着越来越广阔的市场前景，对产品的性能要求也越来越高。因此，航空发动机性能提升已成为迫切需要解决的问题，实现自主研制首台先进大型民用涡扇发动机是未来发展的目标。