1924年兵工厂由督军署参议，张作霖的左膀右臂杨宇霆兼管，由此开始大兴土木扩充军备，兵工厂的占地规模也比初期扩大了数倍。
围绕着兵工厂甚至形成了，沈阳的新市区，东三省兵工厂管辖着“八厂四处”以及学校、医院等20多个单位，员工也由建厂初期的300人，扩厂到了上万人。除了中国员工兵工厂还雇佣有一千五百多名外籍员工，他们大多是技工。除了白俄和德国人，还有一定数量的英美人士。
兵工厂内除了有完善的管理机构，1928年还成立了科学研究会，研究会委员由各厂厂长技师充任，每星期集会一两次，集中研究兵工科学技术，展开技术攻关。比如兵工厂原来枪管钢都是进口，成本很高在科学研究会的主导下，铸造厂经过了几十次的反复试验，终于制出了一种合金钢材，无论是质量还是化学物理性质，都与舶来品不相上下。
此后东三省的枪管钢就由自己的铸造厂供应，不过限于当时中国的军事技术水平，东三省兵工厂还远远不能满足张作霖奉系的军备需要。“强军梦”必须依靠外援，张作霖把目光投向了远在欧洲的德国。
北伐战争期间，德国记者萨尔茨曼报道说，德国在中国的军火交易40%是输出给张作霖、张学良、张宗昌、孙传芳的，1923年奉系张作霖就和德国一家公司，签订了一份数额为18万元的合约，购买的设备是用于为兵工厂增设一座热力厂，1924到1925年，张作霖经常从德国购进军械，英国驻日本大使馆的报告说，1924年11月7日，有德国船只“苏菲·里克默斯”号，满载军火驶往大连港。
除整顿和充实陆军外，张作霖又竭力筹建空军，早在1921年张作霖就设立了航空处，第一次直奉大战之后机构调整，航空处加强领导，少帅张学良兼任航空处总办。同年3月航空学校正式成立，作为训练航空人员的机构，航空学校直属总办由张学良兼任校长，并从国内外聘请了十数名交管负责训练工作。
与此同时奉张还向德国、意大利购买了多架新式的飞机，到了奉系空军成军之际，总计拥有飞机约二百五十到三百架，编成了四个大队，空军实力在各派军阀中是最强，经过大力扩充北张，奉张的实力暴涨，1924年直奉再开战端，这一次惨遭败绩的是直系的吴佩孚。虽然决定这场大战的胜负有很多原因，但是和张作霖的“强军梦”是分不开的。
很可惜张作霖的“强军梦”，虽然打的是统一全国驱逐列强的幌子，但是实际上还是为了一己私利，问鼎中原才是他真正的目的。
