【行业观察】普惠将在北卡罗来纳州生产先进的金属和CMC涡轮叶片
导读：据compositesworld网站12月17日报道，航空发动机制造商普惠计划在到2027年在新的100万平方英尺工厂中生产世界一流的涡轮叶片，该新工厂投资6.5亿美元，将容纳一个先进的铸造厂，并完成铸造后叶片的机加工，喷涂和精加工。但是更让人感兴趣的是，该设施还将生产由陶瓷基复合材料（CMC）制成的涡轮叶片，这代表了普惠公司在材料和工艺应用方面的重大转变，并且很可能是该公司下一代航空发动机研发的一部分。
之前，普惠公司的竞争对手GE公司早就在阿什维尔工厂生产航空发动机的CMC叶片，而普惠之前则一直淡化对CMC的需求，而是不断强调其在金属技术方面的创新。几年前，这一立场开始发生变化：自普惠公司在窄体客机动力市场推出革命性的齿轮涡扇发动机GTF后，它开始也谈论使用CMC技术对该发动机进行升级。
普惠公司前任总裁鲍勃·莱杜克（BobLeduc）表示：“不断创新是进入这个行业的基本门槛。”GTF发动机目前使用双层金属涡轮叶片技术，但莱杜克表示GTF的下一代产品将转向陶瓷基复合材料，他预测道：“我们认为最终将在未来五到十年内推出一种基于该材料的新型发动机产品。”
普惠公司员工已经申请了一长串的CMC专利清单，该公司实际上自2000年代初期就开始从事CMC的研究。这些专利中有许多是用于叶片制造，但也适用于轮盘，轮毂，导轨和叶片外部空气密封件（BOAS），这些专利从2008年到2020年，数量激增达到数十份。
普惠公司相关CMC专利
此外，普惠公司在2019年底宣布将在美国加利福尼亚州卡尔斯巴德开设一个60,000平方英尺的CMC研发设施。普惠公司高级总监马特根·哈里斯（Mattgan Harris）表示：“普惠公司将CMC视为一种使能技术。”（注：目前国际国内没有严格的“使能技术（enabling technology）”相关定义。一般而言，使能技术是指一项或一系列的、应用面广、具有多学科特性、为完成任务，而实现目标的技术。）
新的CMC研发设施的负责人安德鲁·拉祖尔（Andrew Lazur）在HT-CMC10国际会议（2019年9月22日至26日，法国波尔多）上发表了题为“应用陶瓷基复合材料以创造价值（Application of Ceramic Matrix Composites to Deliver Value）”的论文，在该论文中，普惠公司表示，CMC是普惠公司实现其发动机改进目标的一种手段。
该论文表示：“普惠公司的GTF发动机在推进效率和降噪方面进行了重大改进。为了继续提高发动机的整体效率，我们的目标是进一步提高热效率，CMC是在这一领域具有重大前景的一项技术。与当前最先进的单晶铸件相比，CMC的工作温度更高，将能够减少或消除部件冷却空气，还可以继续提高燃烧温度而提高发动机整机热效率。尽管CMC前景广阔，但CMC的成本却是一个巨大的挑战。只有解决成本方面的问题，才能为我们的客户带来价值并实现CMC技术的广泛实施。普惠将利用CMC领域的广泛专业知识来优化材料系统的成本和性能。”
CMC与单晶合金相比提供了改进
据各种消息来源报道，普惠公司已经为F135发动机制造了CMC涡轮喷嘴。正如2009年美国空军研究实验室（AFRL，美国俄亥俄州怀特-帕特森空军基地）的海沃德·伯内特（Heyward Burnette）所说：“CMC组件提高了航空发动机的燃油效率，它的加速加工可以节省数百小时和数万美元，将该技术应用于单套F135发动机部件，可以减少相关的加工时间100多个小时，并将相关的模具成本削减一半。潜在的应用还包括涡轮动叶、静叶、火焰筒支架和制动器。”
值得注意的是，普惠公司推出了不带CMC的PW1000G齿轮涡扇系列发动机，该发动机使用的是单晶镍合金和先进的隔热涂层。但是，普惠公司也一直在研究TBC/EBC技术，不仅用于金属，也可以用于CMC材料。
A321 XLR客机的CMC叶片
目前，PW1000G发动机为空客A220，三菱SpaceJet和巴西航空工业公司的第二代E-喷气系列飞机，空客A320neo以及俄罗斯MC-21的动力，CMC叶片可否在普惠公司新的阿什维尔工厂中生产，并在为空客超长航程客机A321 XLR开发的PW1000G升级版中首次亮相，这是行业非常关注的一个问题。空客A321 XLR客机已于2019年6月发布，该版本已经是A320系列客机中最长的变体，其航程比以前的加长型号增加15%，每个座椅的燃油消耗降低30%。
普惠公司销售、市场和客户支持高级副总裁里克·迪乌鲁（Rick Deurloo）表示，普惠公司正在开发“下一代GTF发动机”，这是对当前版本的改进，具有更大的推力和更好的经济性。“我们已经与空客讨论了一段时间，以改进当前配置。普惠公司过去几年一直在与空客公司进行对话，讨论一种将在今年年底可能采用的发动机。普惠公司原计划在已取消的2020年英国航展上宣布新发动机的名称。”
更好的经济性，更好的耐久性
正如之前一些网络媒体中解释的那样，这种“新发动机”不仅仅是针对PW1000G当前问题的解决方案集，一位普惠工程师解释道：“目前，围绕将当前发动机固定到我们需要的地方，工程和开发领域投入了大量精力和精力。就是这样。我们已经准备好一切……在今年第三季度。我认为这很重要，因为它随后讨论了下一步。它为我们要去的地方做好了准备。”
他强调道：“我们认为应该采用这种发动机，尤其是当您将其与超长航程客机XLR搭配使用时，这就是为什么空客在这方面大力推动我们的原因，它确实是该飞机，该市场，其能力的与众不同之处，我们目标是2022年第四季度实现低产量。空客公司的XLR客机计划于2023年投入服务。在18~24个月内，新发动机将采用100%的普惠标准。”
请注意，普惠公司仍需要与CFM国际公司（美国GE和法国赛峰的合资公司）的LEAP-1A发动机竞争，CFM国际公司总裁兼首席执行官盖尔·梅赫斯特（GaëlMeheust）在2019年11月曾发文表示，空客公司已经表明LEAP-1A发动机完全满足空客A321 XLR在推力、燃油效率和可靠性方面的要求，而不需要进一步更改。
梅赫斯特还特别强调，许多航空运营商发现配备了LEAP-1A发动机的空客A320neo客机在燃油效率上要比现有机队提升了20%，“这意味着LEAP发动机在空中停留的时间越长，其燃油效率越好。” 这对于长航程窄体客机来说无疑是一个很好的选择。
阿什维尔的未来投资
为什么选择阿什维尔？普惠公司在美国拥有7家航空发动机工厂，据其母公司雷神公司首席执行官格雷格·海斯（Greg Hayes）称，该公司专注于将工作转移到低成本地区，并指出雷神公司将节省1.75亿美元通过在北卡罗来纳州建立普惠新工厂来实现。
同时这也意味着普惠新工厂将与GE航空公司的CMC工厂位于同一地区，这对普惠新工厂也非常有益。GE航空公司早在2017年就将第一条生产线投入运营，分别为LEAP-1A/1B/1C发动机制造了多了CMC部件。GE航空公司CMC生产经理瑞安·休斯（Ryan Huth）表示：“将来，我们将制造CMC材料的燃烧室衬套、叶片、喷嘴和其他零件。”
休斯还指出，GE公司的生产技术人员在阿什维尔-班康贝技术社区学院接受本地培训。“我们与阿什维尔-班康贝技术社区学院有着密切的关系，我们工厂与它大约10分钟路程，他们为我们员工培训建立了复合材料卓越中心，并配备了高压灭菌器和无尘室。”生产技术人员在获得GE认证之前，已在该学院接受了40个小时的培训。如果普惠公司试图在两年内开始低产量生产，那么当地的CMC培训和劳动力将非常有帮助。
根据普惠公司的新闻稿，到2027年，其位于阿什维尔的叶片工厂将在班康贝县创造800个新工作岗位。“新的工厂将采用一流的制造技术和工艺，以例证工业4.0的制造原则，并将补充普惠公司在设施上完成的现有航空发动机叶片工作。这项投资直接支持普惠公司通过实施现代解决方案为未来做准备，同时减少因大流行而产生的结构性成本来转变业务并增强地位的目标。”
普惠公司总裁克里斯·卡利欧（Chris Calio）表示：“这项投资将使普惠公司继续通过尖端技术来进行现代化改造和运营转型。涡轮叶片是我们发动机产品组合中的关键组成部分，随着未来几年市场将恢复。我们需要今天进行投资，以确保我们拥有适当的基础设施，生产能力和劳动力，以满足未来的市场需求，并为全球客户提供最佳产品。”
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