1924年兵工廠由督軍署參議，張作霖的左膀右臂楊宇霆兼管，由此開始大興土木擴充軍備，兵工廠的占地規模也比初期擴大了數倍。

圍繞著兵工廠甚至形成了，沈陽的新市區，東三省兵工廠管轄著“八廠四處”以及學校、醫院等20多個單位，員工也由建廠初期的300人，擴廠到了上萬人。除了中國員工兵工廠還雇傭有一千五百多名外籍員工，他們大多是技工。除了白俄和德國人，還有一定數量的英美人士。

兵工廠內除了有完善的管理機構，1928年還成立了科學研究會，研究會委員由各廠廠長技師充任，每星期集會一兩次，集中研究兵工科學技術，展開技術攻關。比如兵工廠原來槍管鋼都是進口，成本很高在科學研究會的主導下，鑄造廠經過了幾十次的反復試驗，終于制出了一種合金鋼材，無論是質量還是化學物理性質，都與舶來品不相上下。

此后東三省的槍管鋼就由自己的鑄造廠供應，不過限于當時中國的軍事技術水平，東三省兵工廠還遠遠不能滿足張作霖奉系的軍備需要?！皬娷妷簟北仨氁揽客庠?，張作霖把目光投向了遠在歐洲的德國。

北伐戰爭期間，德國記者薩爾茨曼報道說，德國在中國的軍火交易40%是輸出給張作霖、張學良、張宗昌、孫傳芳的，1923年奉系張作霖就和德國一家公司，簽訂了一份數額為18萬元的合約，購買的設備是用于為兵工廠增設一座熱力廠，1924到1925年，張作霖經常從德國購進軍械，英國駐日本大使館的報告說，1924年11月7日，有德國船只“蘇菲·里克默斯”號，滿載軍火駛往大連港。

除整頓和充實陸軍外，張作霖又竭力籌建空軍，早在1921年張作霖就設立了航空處，第一次直奉大戰之后機構調整，航空處加強領導，少帥張學良兼任航空處總辦。同年3月航空學校正式成立，作為訓練航空人員的機構，航空學校直屬總辦由張學良兼任校長，并從國內外聘請了十數名交管負責訓練工作。

與此同時奉張還向德國、意大利購買了多架新式的飛機，到了奉系空軍成軍之際，總計擁有飛機約二百五十到三百架，編成了四個大隊，空軍實力在各派軍閥中是最強，經過大力擴充北張，奉張的實力暴漲，1924年直奉再開戰端，這一次慘遭敗績的是直系的吳佩孚。雖然決定這場大戰的勝負有很多原因，但是和張作霖的“強軍夢”是分不開的。

很可惜張作霖的“強軍夢”，雖然打的是統一全國驅逐列強的幌子，但是實際上還是為了一己私利，問鼎中原才是他真正的目的。