先進航空發動機制造技術探究

張振興，金帥，郝斌

（中國航發沈陽發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

1 航空發動機制造關鍵技術相關理論概述

1.1 單晶渦輪葉片制造技術特點

現代航空發動機渦輪前溫度對比以往有所提升，F119發動機渦輪前溫度已經達到了1900 ～2050K，采用傳統工藝鑄造的渦輪葉片在這種高溫下很容易被熔化，不能正常開展工作。單晶渦輪葉片可以實現推重比10 一級發動機渦輪葉片在較高的溫度下依然能夠正常工作，單晶渦輪葉片耐高溫的優勢源于其整個葉片僅僅由1 個晶體構成，所以解決了等軸晶和定向結晶葉片多晶體結構導致晶界間不能承受過高溫度的問題。單晶渦輪葉片是一種航空發動機零件，單晶渦輪葉片在國外屬于嚴重壟斷和封鎖的航空發動機零件，該零件具有合格率低、制作周期長、制作工序復雜等特點。制作工序主要有壓芯工序、修芯工序、型芯燒結工藝、檢驗型芯、匹配型芯與外型模具、蠟模壓注、利用X 光檢驗蠟模、檢測蠟模壁厚、蠟修整模、組合蠟模、引晶系統及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢工序、熒光檢查、脫芯、打磨、測量弦寬、X 光檢查葉片、X 光底片檢查、檢查型面、精修葉片、檢測葉片壁厚、終檢等，完成上述工序之后，還應做好渦輪葉片精鑄模具設計工作以及制造工作。

1.2 整體葉盤加工技術呈現出效率高、精度高、成本低的優勢特點

應用整體葉盤技術為航空發動機結構設計增加了創新元素，使航空發動機制造工藝更加精湛，有效降低了發動機重量并同時提升其效果，增加了發動機工作的穩定性和可靠性。與此同時，葉片采用大彎扭高效率啟動設計以及薄厚度設計導致葉片缺乏剛性，加工過程中極易造成葉片變形；葉片間形成的氣流通道過窄或者過寬，都將導致葉盤加工工藝難以發揮出預期的效果；鈦合金以及高溫合金等材料，具有高強度的特點，因此切削加工困難重重，并且加工效率不高。20世紀80 年代西方發達國家嘗試將整體葉盤技術應用到新型航空發動機的設計研發過程中，然而我國從1996 年才開始嘗試應用整體葉盤技術。應用整體葉盤技術能夠促進航空發動機零件結構進一步實現整體化特點，帶鼓筒葉盤、帶軸葉盤、盤片鼓筒軸組合葉盤、帶箍閉式葉盤、整流器靜子環葉盤和兩級或多級葉盤組合的串列式整體葉盤結構逐步應用在創新航空發動機的設計研發工作中；整體葉盤的功能結構全面按照離心葉輪以及軸流葉盤為基準，逐步衍生出大小葉片結構葉盤以及斜流轉子葉盤。從高性能航空發動機的設計和研發應用整體葉盤技術之后，整體葉盤制造技術得到逐步創新和發展，現階段，整體葉盤加工的工藝方法包含失蠟精密鑄造整體葉盤、電子束焊接整體葉盤、電化學加工整體葉盤、線性摩擦焊整體葉盤和五坐標數控機床加工整體葉盤等。

1.3 高端軸承制造技術特點

軸承作為航空發動機中極為重要的零部件，每分鐘轉速過萬，并且長時間維持這種運轉速度，需要承受發動機轉子高速旋轉帶來的巨大離心力以及擠壓應力、摩擦、超高溫等狀態。軸承的質量、性能將對發動機的性能產生直接影響。研發和生產高端軸承需要以接觸力學、摩擦學、潤滑理論等學科知識為基礎，并且綜合考慮疲勞與破壞、材料組織與熱處理的相關理論結果，與此同時還需要將設計、原材料、制造工藝、制造設備、檢測、試驗、潤滑、油脂等技術問題考慮在內。現階段，鐵姆肯、NSK、SKF，FAG 等外國企業壟斷了高端軸承的研發、生產和營銷活動。我國航空發動機制造技術水平較低，軸承是我國航空發動機研發工作中的最大障礙，這對我國高性能航空發動機的發展帶來一定阻礙。

2 航空發動機制造熱點技術相關理論概述

2.1 再結晶抑制技術特點

單晶高溫合金的優勢在于使用單晶葉片，不存在晶界，再結晶使原單晶合金的耐高溫性能不斷降低。單晶葉片鑄造成型之后需要經過氣膜孔加工、榫齒磨削、緣板側面銑削、葉尖鑄造工藝孔焊接、熱處理、裝配等工序，發動機在正常運轉時，葉片旋轉呈現高速狀態，至此承受較大的震動和熱冷氣流沖擊、荷載、高溫，這種情況下極易導致產生再結晶，實踐中發現渦輪葉片失效的發生率較高。所以，近年來國內外針對于抑制再結晶采取預回復熱處理、滲碳、涂層、取出表面變形層的方法，也采用加入界強化因素的方式修復再結晶。

2.2 3D 打印技術特點

3D 打印技術結合了粉末冶金、CAD、激光加工、CAM 等多種技術手段。3D 打印技術能夠將“大腦”中的思維以三維實體的方式呈現出來，參照電腦中顯現的零件圖像利用打印機直接打印出“真實”的零件。3D 打印技術為制造業和加工業帶來了創新。世界上第一個研制出3D 打印噴氣發動機的是澳大利亞莫納什大學。該學校和波音公司、賽風集團等企業開展合作，研發出能夠打印出波音發動機原型機的3D 打印技術，打印出來的發動機原型機應用在飛行測試中。3D 打印技術的優勢是高效，能夠將發動機零部件的制造時間成功壓縮到6 天。我國國內目前應用3D 打印機修復渦扇發動機高壓壓氣機轉子葉片葉尖磨損件，并且使其實現再使用。應用3D 打印技術成功完成了發動機上非承力件和靜子件零件的制造，然而目前正在評估零件使用的力學性能，與此同時，關于應用3D 技術制造發動力承力件、轉子零件的研究正在有條不紊的展開。

2.3 葉片進排氣邊（前后緣）加工技術特點

航空發動機葉片進排氣邊的加工質量將對航空發動機氣動性能造成一定影響。進排氣邊容易出現葉片缺陷，屬于鈦合金缺陷敏感位置，很多發動機失效事件是由于葉片進排氣邊加工缺陷導致。葉片進排氣邊部位的葉片較薄，同時處于葉片邊緣位置，缺乏剛性，加工過程中極易變形，加工的葉片進排氣邊的通常呈現出尖頭或者方頭狀態。批量生產制造發動機葉片，難以解決葉片進排氣邊位置葉片較薄等工藝問題。

3 航空發動機制造基礎技術相關理論概述

3.1 精密制坯技術特點

精密制坯技術通常涵蓋精密鍛造制坯、精密鑄造制坯和3D 打印技術制坯等，它是現代航空發動機制造的核心動力。傳統發動機零件制造的毛坯過于粗劣，制造毛坯的材料將逐步被消耗。20 世紀90 年代以來，我國航空發動機風扇壓氣機在不斷發展的過程中，葉片、葉盤、機匣制坯逐步形成了葉片精鍛生產線和葉盤零件毛坯制造的等溫鍛造工藝以及機匣毛坯模鍛制造工藝；應用失蠟精密鑄造方法制造整體渦輪盤、整體渦輪導向器制坯；將整體精密鑄造制坯技術用于附件機匣及復雜殼體制坯中。伴隨3D 打印技術的逐步成熟，航空發動機研制過程中應用3D 打印技術的范圍越來越廣，面對結構獨特、供貨時間短、數量少的發動結構件通常利用3D 打印技術制作毛坯。

3.2 高效高質量焊接技術特點

構件整體化代表著新型航空發動機零件結構未來的發展方向，高效焊接技術能夠推動構件整體化的快速實現。實現航空發動機構件整體化制造主要依靠擴散連接焊、線性摩擦焊、電子束焊等焊接技術。擴散連接焊技術將成型和焊接兩種工藝技術進行組合，具體是將擴散焊接技術應用到超塑性成型過程中。寬弦空心風扇葉片的制作主要依靠擴散連接焊技術，在寬弦空心風扇葉片技術逐步發展的背景下，寬弦空心風扇葉片成型工藝難度逐步提升，所以判定寬弦空心風扇葉片是否合格的標準也不斷提高。

3.3 刀具、機床、構件一體化技術特點

航空發動機上每一種零件都經過機械加工，機械加工必須利用刀具和機床。現代航空發動機制造技術促進了刀具技術以及機床功能的提升。近幾年來，航空發動機零件的研究側重于刀具、工件、機床的整體系統性研究，力求實現綜合制造，目前取得了顯著的研究成果。刀具的功能是切削加工，能夠切削多種加工材料，例如航空發動機鈦合金、高溫合金和不銹鋼等。傳統的刀具很難實現現代航空發動機高效加工的功能，因此針對于刀具的研究也逐步向高效、精準、專業性方向努力。與此同時，智能刀具、復合材料加工刀具逐步得到推廣。數控機床的研發和制造主要是為了滿足航空零件的加工需求，航空發動機上全部的零部件均利用數控機床生產制造。針對于數控機床的研究也逐步向智能、高速、精準方向努力。

4 結語

伴隨經濟的發展以及國家安全的需要，各種新型飛機數量激增。可以預見2025 年，我國的航空發動機制造將獲得更大的成就，目前存在的航空發動機制造的關鍵技術、基礎技術以及熱點技術方面問題都將迎刃而解。