中國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)長期落后,軍用發(fā)動機(jī)如此,民用發(fā)動機(jī)更差,雖然近年中國航空發(fā)動機(jī)取得了一定的進(jìn)展,但是也沒有在技術(shù)上獲得過大的突破,最簡單的一個例證就是航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片,雖然一直不斷有報道,也有試驗進(jìn)行,但是一直沒有看到任何一款實用的航空發(fā)動機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片投入使用!
有朋友問,這個產(chǎn)品難度究竟在哪里?為何中國長期突破不了?中國最近些年突破了國外封鎖的T-700和T-800超高強(qiáng)度碳纖維制造,而且T-1000和T-1100碳纖維還在緊張研發(fā)中,預(yù)計在未來數(shù)年內(nèi)也會攻克,復(fù)合材料都有了,為何復(fù)合材料制造的風(fēng)扇卻一直卡殼,問題出在哪里?
原因是,碳纖維復(fù)合材料雖然有密度小,強(qiáng)度高,抗顫振性能好的優(yōu)點,但是碳纖維材料也存在與生俱來的弱點:纖維和纖維之間依靠樹脂粘接,這種粘接在巨大的沖擊力下并不牢靠,容易分層脫離,裂紋擴(kuò)展特別快,很短時間內(nèi)就會造成零件解體,從而整個發(fā)動機(jī)停車,這和金屬材料緩慢發(fā)展裂紋完全不同。
如何解決碳纖維復(fù)合材料的弱點,美國GE公司做了巨大的努力,最終得出了一些要點,這些要點不斷支撐GE公司推出一款又一款的先進(jìn)發(fā)動機(jī)。
要點包括:風(fēng)扇零件可以采用碳纖維復(fù)合材料制造,但是抗擊鳥撞必須經(jīng)過特別增強(qiáng),比如在風(fēng)扇表面必須增加一個金屬保護(hù)層,常用鈦合金蒙皮加強(qiáng)葉片前緣,GE90發(fā)動機(jī)采用3M公司的AF191膠將鈦合金和復(fù)合材料粘接在一起,風(fēng)扇葉片尾部比較尖銳,強(qiáng)度稍弱,受到鳥撞容易開裂所以采用凱夫拉線條縫起來。
葉片前緣沖擊力最大,采用鈦合金蒙皮保護(hù)解決了,但是撞擊在葉片其他部位,碳纖維復(fù)合材料也是吃不消的,所以,設(shè)計師不得不采取一個特殊的措施,這就是:限速!強(qiáng)制降低發(fā)動機(jī)葉片的尖端線速度,對手公司發(fā)動機(jī)鈦合金風(fēng)扇速度413和478米/秒,但是GE公司數(shù)據(jù)只有370米/秒,這種降速設(shè)計極大降低了鳥撞的載荷,而且還帶來了另外一個好處:尖端速度降低了,發(fā)動機(jī)噪音更低,所以能滿足更嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)!而某企業(yè)風(fēng)扇葉尖速度高達(dá)460米/秒,簡單來說就是,如此高的速度大概率撲街,鳥撞試驗很難過去,而且耐久性也很難保證,還不用提高速帶來的噪音問題。
復(fù)合材料表面最大的問題除了不耐沖擊,而且也不耐摩擦,長年累月的高速運行,表面磨損很快,除了降低葉片尖端線速度之外,還必須在葉片表面開發(fā)先進(jìn)的耐磨涂層,否則復(fù)合材料葉片,就算沒有倒在鳥撞上,也會在日常的高速氣流吹襲中,不斷磨損開裂提前報廢!
按照美國GE公司的經(jīng)驗,復(fù)合材料葉片除了設(shè)計之外,材料工藝也要過關(guān),而且鈦合金蒙皮,表面耐磨涂層,尖端速度等等都必須得到嚴(yán)格控制,除了葉片本身外,還必須設(shè)計配套的輕重量高強(qiáng)度包容機(jī)匣,這也是一個巨大的難題,美國人使用鋁合金機(jī)匣和凱夫拉材料纏繞取得了成功。
而且,世界航空發(fā)動機(jī)的經(jīng)驗表明,一臺發(fā)動機(jī)具有上萬個零件,任何一個零部件出問題,或者兼容性出問題,都容易導(dǎo)致整機(jī)出現(xiàn)故障,甚至解體,美國GE公司30年努力攻克難關(guān),才取得復(fù)合材料風(fēng)扇的突破,GE90發(fā)動機(jī)試驗總時間超過8000小時,類似的項目中國才剛剛開始努力,成功的路還很遠(yuǎn)很遠(yuǎn),沒有捷徑可走,一點點努力試驗改進(jìn),最終才可能有突破。