先進航空發(fā)動機關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1、先進航空發(fā)動機關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢一、輕量化、整體化新型冷卻結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)1整體葉盤制造技術(shù)整體葉盤是新一代航空發(fā)動機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的關(guān)鍵部件，通過將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的葉片和輪盤設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)，省去傳統(tǒng)連接方式采用的樺頭、樺槽和鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)重量減輕、零件數(shù)減少，避免了樺頭的氣流損失，使發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)大為簡化，推重比和可靠性明顯提高。在第四代戰(zhàn)斗機的動力裝置推重比10發(fā)動機F119和EJ200上，風(fēng)扇、壓氣機和渦輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機重量減輕20%30%,效率提高5%10%,零件數(shù)量減少50%以上。目前，整體葉盤的制造方法主要有：電子束焊接法；擴散連接法；線性摩擦焊接法；五坐標數(shù)控

2、銃削加工或電解加工法；鍛接法；熱等靜壓法等。在未來推重比1520的高性能發(fā)動機上，如歐洲未來推重比1520的發(fā)動機和美國的舊PTET計劃中的推重比20的發(fā)動機，將采用效果更好的SiC陶瓷基復(fù)合材料或抗氧化的C/C復(fù)合材料制造整體渦輪葉盤。2整體葉環(huán)（無盤轉(zhuǎn)子）制造技術(shù)如果將整體葉盤中的輪盤部分去掉，就成為整體葉環(huán)，零件的重量將進一步降低。在推重比1520高性能發(fā)動機上的壓氣機擬采用整體葉環(huán)，由于采用密度較小的復(fù)合材料制造，葉片減輕，可以直接固定在承力環(huán)上，從而取消了輪盤，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%o目前正在研制的整體葉環(huán)是用連續(xù)單根碳化硅長纖維增強的鈦基復(fù)合材料制造的。推重比1520高性能發(fā)動機，如

3、美國XTX16/1A變循環(huán)發(fā)動機的核心機第3、4級壓氣機為整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子及其間的隔環(huán)采用TiMC金屬基復(fù)合材料制造。英、法、德研制了TiMMC葉環(huán)，用于改進EJ200的3級風(fēng)扇、高壓壓氣機和渦輪。3大小葉片轉(zhuǎn)子制造技術(shù)大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)是整體葉盤的特例，即在整體葉盤全弦長葉片通道后部中間增加一組分流小葉片，此分流小葉片具有大大提高軸流壓氣機葉片級增壓比和減少氣流引起的振動等特點，是使軸流壓氣機級增壓比達到3或3以上的有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。4發(fā)動機機匣制造技術(shù)在新一代航空發(fā)動機上有很多機匣，如進氣道機匣、外涵機匣、風(fēng)扇機匣、壓氣機機匣、燃燒室機匣、渦輪機匣等，由于各機匣在發(fā)動機上的部

4、位不同，其工作溫度差別很大，各機匣的選材也不同，分別為樹脂基復(fù)合材料、鐵合金、高溫合金。樹脂基復(fù)合材料已廣泛用于高性能發(fā)動機的低溫部件，如F119發(fā)動機的進氣道機匣、外涵道筒體、中介機匣。至今成功應(yīng)用的樹脂基復(fù)合材料有PMR-15（熱固性聚酰亞胺）及其發(fā)展型、Avimid（熱固性聚酰亞胺）AFR700等，最高耐熱溫度為290c371C,2020年前的目標是研制由在425c溫度下仍具有熱穩(wěn)定性的新型樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)是集自動鋪帶技術(shù)（ATL）、自動纖維鋪放技術(shù)（AFP）、激光定位、自動剪裁技術(shù)、模壓成形、樹脂傳遞模塑成形（RTM）、樹脂膜浸漬成形（RFI）、熱壓罐固化成

5、形等技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。5寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)英國羅羅公司成功開發(fā)由遺達系列的超塑成形-擴散連接發(fā)動機寬弦風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片，引起了國際航空界的高度重視，此類空心葉片的輕質(zhì)量、高結(jié)構(gòu)效率使航空發(fā)動機的綜合性能得到顯著提高。如今，寬弦、無凸臺、空心葉片是高性能發(fā)動機風(fēng)扇和第一級壓氣機葉片的發(fā)展方向。推重比10一級發(fā)動機F119,EJ200均采用了寬弦風(fēng)扇葉片，GE公司的GE90,推重比1520高性能發(fā)動機都采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。現(xiàn)在寬弦風(fēng)扇葉片主要采用超塑成形-擴散連接（SuperplasticForming/DiffusionBonding,SPF/DB）技術(shù)。與傳統(tǒng)工藝制造的零件相比，SPF/D

6、B組合工藝技術(shù)具有重量輕、成本低、效益高、整體性好、成形質(zhì)量高等優(yōu)點。目前國外正在研究的推重比15-20高性能發(fā)動機的金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，是一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維增強的鈦基復(fù)合材料（TiMMC）制造，采用超塑成形/擴散連接工藝制由空心風(fēng)扇葉片。6復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)多孔復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)是推重比10以上發(fā)動機采用的先進冷卻結(jié)構(gòu)，多用于燃燒室和渦輪葉片，它是一種帶有復(fù)雜冷卻回路的多孔層板，用擴散連接方法連接成形的冷卻結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵制造技術(shù)是計算機輔助設(shè)計和繪制復(fù)雜冷卻回路，用“照相-電解法”制成冷卻回路，擴散連接成多層多孔層板。由此可知，整體化結(jié)構(gòu)、新型冷卻結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，使發(fā)動機諸多零

7、件減輕了質(zhì)量、降低了成本、提高了效率，從而保證了發(fā)動機高推比、高性能的相關(guān)要求。二、新材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比1520一級的航空發(fā)動機要求材料具有耐高溫、高強度、高韌性等特性。高性能發(fā)動機已經(jīng)采用很多種類的新材料和新材料構(gòu)件，尤其是金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料是當(dāng)前高溫復(fù)合材料領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用研究的熱點。與其同時進行的高溫復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)正在深入地發(fā)展。1金屬基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)SiC長纖維增強Ti基復(fù)合材料（TiMMC）具有比強度高、比剛度高、使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點。例如德國研制的SCS-6SiC/IMI834復(fù)合材料的抗拉強度高達2200MPa,剛度達220

8、GPa,而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在700c溫度暴露2000h后，力學(xué)性能不降低。TiMMC葉環(huán)代替壓氣機盤，可使壓氣機的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%o美國制備的TiMMC葉環(huán)已在P&W的XTC-65IHPTET驗證機上成功地進行了驗證，能夠滿足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC葉環(huán)，并成功地進行了臺架試驗。未來發(fā)動機的低壓壓氣機葉片和靜子葉片、整體葉環(huán)、機匣及渦輪軸將采用金屬基復(fù)合材料制造。TiMMC關(guān)鍵制造技術(shù)有、纖維涂層法、等離子噴涂法、漿料帶鑄造法、箔-纖維法。2陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比15-20高性能航空發(fā)動機的渦輪前溫度將達到2200K以上，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（

9、CMC）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀，可代替高溫合金作為熱端部件結(jié)構(gòu)材料。CMC的應(yīng)用使發(fā)動機大幅度減重，節(jié)約冷卻氣或無需冷卻，從而確保發(fā)動機高推重比的有關(guān)性能。美、英、法等發(fā)達國家以推重比9-10發(fā)動機（如F119、EJ200、F414等）作為CMC的驗證平臺，主要驗證的部件有SiC基CMC的燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、矢量噴管調(diào)節(jié)片和密封片，甚至整體燃燒室和整體渦輪等構(gòu)件。SiC基CMC的關(guān)鍵制造技術(shù)包括纖維預(yù)制件的設(shè)計和制造、SiC基體的致密化技術(shù)、纖維與基體間界面層和復(fù)合材料表面防氧化涂層的設(shè)計與制造以及構(gòu)件的精密加工等。3碳/碳復(fù)合材料構(gòu)

10、件制造技術(shù)碳/碳復(fù)合材料（C/C）的最顯著的優(yōu)點是耐高溫（1800C2000C）和低密度（約1.9g/cm3）,可能使發(fā)動機大幅度減重。美、法、俄等研制的C/C復(fù)合材料部件有燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導(dǎo)向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環(huán)等。美國將整體渦輪盤在1760c進行了地面超轉(zhuǎn)試驗。C/C構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)包括碳纖維預(yù)制體的設(shè)計與制備、C/C的致密化技術(shù)和C/C防氧化涂層的設(shè)計與制造。C/C致密化方法有化學(xué)氣相浸透法（CVI）和液相浸漬法。液相浸漬法包括樹脂浸漬炭化法和瀝青浸漬炭化法，發(fā)展的方向是提高致密化速率，降低制造成本。由于航空發(fā)動機用C/C構(gòu)件要滿足富氧燃氣環(huán)境下長壽命工作的要求

11、，所以必須解決C/C抗氧化的問題。通過設(shè)計和制備防氧化涂層是改善C/C抗氧化性的主要途徑，也是國際研究的熱點，目前尚未取得突破性進展。由上可見，與現(xiàn)行推重比8的發(fā)動機相比，新材料構(gòu)件不管在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造技術(shù)方面，還是在整體質(zhì)量方面，都有較大突破，因此可確保推重比1520等高性能的實現(xiàn)。三、航空發(fā)動機制造技術(shù)新工藝1新型結(jié)構(gòu)件精密制坯技術(shù)目前，先進精密毛坯制造技術(shù)正在向近凈成形方向發(fā)展。先進的精密制坯技術(shù)有定向凝固和單晶精鑄制坯、精密鍛造制坯和快速凝固粉末冶金制坯技術(shù)。高性能航空發(fā)動機采用了大量的新型結(jié)構(gòu)件，由于制坯技術(shù)的進步將導(dǎo)致毛坯件發(fā)生重大變化。精鑄件、精鍛件、單晶和定向凝固精鑄件以及快速

12、凝固粉末冶金制坯毛坯將取代傳統(tǒng)的大余量毛坯。傳統(tǒng)意義的鍛件將由77%降至33%,精鑄件由18%增至44%以上，粉末冶金件由3%增至8%,復(fù)合材料構(gòu)件由4%增至15%。2先進的切削技術(shù)切削加工一直是航空發(fā)動機關(guān)重件的主要制造手段。隨著航空發(fā)動機推重比的不斷提高，特別是質(zhì)量的不斷減輕，發(fā)動機制造將越來越多地依賴于高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的鈦合金、高溫合金以及金屬基復(fù)合材料等新材料，而這些材料都屬于典型的難加工材料。同時發(fā)動機關(guān)重件往往型面復(fù)雜，對加工精度和表面完整性的要求極，因此在新一代航空發(fā)動機的切削加工中迫切需要采用新型刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)以及高效的工藝方法，同時這種需求也大大推動

13、了具有高剛度、高精度和大驅(qū)動功率的專用機床和通用機床的發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)在航空發(fā)動機的制造中主要用于壓氣機及渦輪機的各類機匣、壓氣機盤及渦輪盤、渦輪軸和壓氣機軸等復(fù)雜構(gòu)件的加工。高端數(shù)控裝備及技術(shù)作為國家戰(zhàn)略性物資，對提高發(fā)動機整體制造水平起著舉足輕重的作用，如美國洛克希德馬丁公司在研制JSF聯(lián)合攻擊機時，采用五坐標數(shù)控加工方法，將約1.5t的鐵合金鍛鍛錠數(shù)控銃削加工成重約99kg的大型升力風(fēng)扇整體葉盤，其切除率超過93%o高效精密切削、變形補償、自適應(yīng)加工，以及抗疲勞制造等技術(shù)的研究和應(yīng)用在新一代發(fā)動機的加工中需求迫切；同時，加工過程的知識積累對于提高加工效率、加工質(zhì)量和加工的自動化水平非常

14、重要，應(yīng)圍繞發(fā)動機關(guān)重件和典型材料的高效數(shù)控加工建立相應(yīng)的切削數(shù)據(jù)庫。磨削在先進的切削技術(shù)研究中占有重要地位。在磨削加工技術(shù)的研究中，為了獲得高加工效率，世界發(fā)達國家開始嘗試高速、強力磨削技術(shù)，如利用強力磨削可一次磨由渦輪葉片的樺頭齒形。目前，磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削機理并開發(fā)其新的磨削加工技術(shù)，研制高精度、高剛性的自動化磨床。3特種加工技術(shù)以高能束流加工為代表的特種加工技術(shù)在難切削材料加工，復(fù)雜構(gòu)件的型腔、型面、型孔、微小孔、細微槽及縫的加工中具有顯著優(yōu)勢，解決了常規(guī)加工很難解決的問題。特種加工技術(shù)主要包括：激光加工、電子束加工、離子束加工、

15、等離子加工、電火花加工、電解加工、超聲波加工、磨料流加工、高壓水射流切割等。通過電磁場、溫度場、化學(xué)場和力場（包括空間微重力場）等外加因素的綜合應(yīng)用以及激光、等離子束、微波等多種能量形式的結(jié)合，開辟材料加工成形技術(shù)創(chuàng)新的廣闊途徑。4特種焊接技術(shù)先進焊接連接技術(shù)作為確保航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性不可缺少的手段，其研究、開發(fā)與應(yīng)用直接關(guān)系到新一代航空發(fā)動機的質(zhì)量、壽命和可靠性。特種焊接技術(shù)由于具有可明顯減輕結(jié)構(gòu)重量、降低制造成本、提高結(jié)構(gòu)性能等特點，滿足航空發(fā)動機輕質(zhì)化、長壽命、低成本、高可靠性制造的要求，已成為航空發(fā)動機制造中的一項重要技術(shù)。特種焊接技術(shù)主要包括：鴇極惰性氣體保護弧焊（GTAW）、活性

16、焊劑焊接技術(shù)、自蔓延高溫合成焊接法、等離子弧焊（PAW）、電子束焊（EBW）、激光焊（LBW）、真空釬焊（VB）、擴散焊（DB）、摩擦焊等。近年來，新型纖焊和擴散焊、摩擦焊和高能束流焊接等先進焊接技術(shù)在航空發(fā)動機制造中的發(fā)展和應(yīng)用越來越廣泛。在歐美已相繼用摩擦焊取代電子束焊用于發(fā)動機的粉末冶金等溫鍛造盤-盤及盤-軸一體化焊接。摩擦焊接技術(shù)在發(fā)動機轉(zhuǎn)子豉筒、整體葉盤的焊接中得到和應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為航空發(fā)動機制造中的一項關(guān)鍵技術(shù)。5熱障涂層技術(shù)先進的高推重比發(fā)動機結(jié)構(gòu)中將大量采用以熱障涂層技術(shù)為代表的先進熱障涂層技術(shù)。涂層技術(shù)在航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的耐磨、高溫防護、隔熱、封嚴以及鈦合金零件的防微

17、動磨損、阻燃等方面起了顯著的作用，應(yīng)用越來越廣泛。先進的涂層方法主要包括：真空等離子噴涂、層流等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電子束物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、真空離子濺射涂層(MAn爐)等。熱端部件采用熱障涂層以提高結(jié)構(gòu)強度，其中有陶瓷涂層和多層隔熱層。陶瓷熱障涂層需先在零件表面噴涂MCrALY底層以提高結(jié)合強度。多層復(fù)合隔熱涂層是在基體金屬表面釬焊一層柔性金屬纖維結(jié)構(gòu)(材料為HFe22.5Cr5.5SiO0.1C),可減少冷卻氣流80%o渦輪工作葉片和導(dǎo)向器的隔熱涂層采用低壓等離子噴涂涂敷，也可以采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)涂敷。發(fā)動機冷端部件均采用封嚴涂層、耐磨和防腐蝕涂層。6快速

18、原型/零件制造技術(shù)快速原型(RapidPrototyping,RP)制造技術(shù)由現(xiàn)于20世紀90年代中期，這種基于“離散-堆積”原理和增材制造的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、近凈成形，具有高度柔性的制造思想已經(jīng)被企業(yè)界廣泛接受，其應(yīng)用已從最初的設(shè)計原型和測試原型制造向最終產(chǎn)品制造的方向發(fā)展?？焖僭?零件制造技術(shù)為航空發(fā)動機復(fù)雜零件的設(shè)計實現(xiàn)實體化提供快速方便的手段，可實現(xiàn)精鑄復(fù)雜模具的制造，現(xiàn)在發(fā)展到直接快速成形零件，是一種很有發(fā)展前景的工藝方法。主要方法有：分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔化沉積制造（FDM）、三維立體印刷（SLA）和三維焊接法等?？?/p>

19、速原型制造技術(shù)一經(jīng)由現(xiàn)，就成為先進制造技術(shù)和激光加工領(lǐng)域研究的熱點，美國軍方對這項技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注和支持，在其直接支持下，美國率先將這一先進技術(shù)實用化，目前，F(xiàn)-22和F/A-18E/F上的幾個關(guān)鍵零件已經(jīng)采用了TC4鈦合金激光快速成形件。該技術(shù)能顯著提高疲勞性能，降低成本40%,加工周期僅為傳統(tǒng)工藝的1/5。7浮壁式火焰筒制造技術(shù)推重比10一級發(fā)動機渦輪前溫度達到1500C1700CO艾利遜公司研究了用Lamilloy多孔層板加柔性金屬/陶瓷制造的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)。普惠公司研究了用玻璃陶瓷基復(fù)合材料制造浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)。F119采用的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)是用多環(huán)段連接而成。環(huán)段背向火焰

20、一面對流散熱的凸環(huán)，并有縫隙形成冷卻隔熱氣膜，隔熱環(huán)是由浮動片組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。浮動片用精密鑄造而成，而冷卻隔熱環(huán)局部噴涂熱障涂層，以降低部件表面溫度。四、航空發(fā)動機零部件的無損檢測技術(shù)無損檢測技術(shù)能為發(fā)動機產(chǎn)品提供內(nèi)部質(zhì)量信息，既可作為產(chǎn)品評價的依據(jù)，也為工藝分析提供參考信息，是確保發(fā)動機結(jié)構(gòu)高可靠性的重要手段。對于航空發(fā)動機而言，在服役過程中難免會由現(xiàn)一些疲勞裂紋、損傷以及惡劣工作環(huán)境下組織狀態(tài)變化等問題，及時檢測到這些問題對于減少事故、提高零部件的使用壽命有重大意義。常用的檢測技術(shù)有超聲檢測、渦流檢測、工業(yè)CT無損檢測等。無損檢驗技術(shù)發(fā)展的總趨勢仍是速度快，自動化程度高，分辨

21、率高，易于解讀，可靠性高，以及成本低。例如，在傳統(tǒng)的超聲、電磁及聲學(xué)檢驗中，廣泛引入移動式自動掃描，綜合應(yīng)用了多種技術(shù)，由現(xiàn)了自動掃描的超聲、電磁、傳感器系統(tǒng)，聲學(xué)-激光自動掃描系統(tǒng)。五、面向零件制造過程的專業(yè)化成套制造技術(shù)作為單項數(shù)字化制造技術(shù)的集成，將信息技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合而形成的數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)的應(yīng)用成為航空發(fā)動機行業(yè)提高生產(chǎn)質(zhì)量和柔性的關(guān)鍵技術(shù)。GE、羅羅和普惠等主要航空發(fā)動機生產(chǎn)廠商應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，建成了一系列航空發(fā)動機典型零件自動化生產(chǎn)線，取得了良好的效果。（1）壓氣機葉片精密鍛造生產(chǎn)線目前航空發(fā)動機有33%的工作量來自于葉片的制造，葉片精鍛生產(chǎn)線是解決葉片制造瓶頸的有效方法之一。生產(chǎn)線由葉片制坯、葉片精鍛成形、葉片型面化銃、葉片熱處理、葉片檢測5條子生產(chǎn)線組成，適合于高溫合金、鈦合金、鋁合金和不銹鋼等材料精鍛葉片的批量生產(chǎn)。（2）渦輪葉片精密鑄造生產(chǎn)線渦輪葉片制造質(zhì)量對航空發(fā)動機的性能有很大影響。