慣性摩擦焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子制造中的應(yīng)用

■ 趙強(qiáng) 祝文卉 邵天巍 劉佳濤 帥焱林 / 中國航發(fā)黎明 王冉 / 東北大學(xué)

推重比和可靠性是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵考核指標(biāo)。長期以來，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都在為研發(fā)高推重比和可靠性的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行諸多嘗試，而慣性摩擦焊作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和可靠性的重要手段之一。

慣性摩擦焊是一種先進(jìn)焊接技術(shù)，國內(nèi)外針對慣性摩擦焊已開展了大量深入的研究工作，并被成功地應(yīng)用到一些先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心轉(zhuǎn)子部件的制造中。采用慣性摩擦焊技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)核心轉(zhuǎn)子部件可以提高轉(zhuǎn)子零組件的整體剛度，減少零件數(shù)量，減少故障源，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和可靠性。

圖1 典型慣性摩擦焊設(shè)備組成示意圖

圖2 慣性摩擦焊的焊接過程

慣性摩擦焊

慣性摩擦焊的設(shè)備及焊接過程

慣性摩擦焊通過在待焊材料之間摩擦產(chǎn)生熱量，在頂鍛力的作用下使材料產(chǎn)生熱塑性變形與流動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生固相連接。典型的慣性摩擦焊設(shè)備一般包括主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、飛輪組、頂鍛力液壓系統(tǒng)、主軸、尾座滑、主軸側(cè)夾緊系統(tǒng)、尾座側(cè)夾緊系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)待焊件、非回轉(zhuǎn)待焊件等9個(gè)主要組成部分（如圖1所示）。慣性摩擦焊機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，主軸上裝配不同慣量組合的飛輪組用于儲(chǔ)存慣性焊接的能量。待焊件分別固定在主軸和尾座的夾緊系統(tǒng)上，主軸側(cè)的待焊件可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能前后移動(dòng)；尾座側(cè)的待焊件不能轉(zhuǎn)動(dòng)，但可連同夾緊系統(tǒng)整體在尾座滑臺(tái)上前后移動(dòng)，移動(dòng)的動(dòng)力由尾座液壓系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)也在焊接過程中提供頂鍛力。

在慣性摩擦焊的焊接過程中，尾座側(cè)待焊件固定不動(dòng)，主軸旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)飛輪組高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)主軸加速到設(shè)定速度時(shí)，主軸與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)斷開，此時(shí)主軸依靠主軸和飛輪儲(chǔ)存的動(dòng)能繼續(xù)慣性旋轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速降至焊接速度時(shí)，頂鍛液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)尾座軸向主軸端移動(dòng)，直到焊接件發(fā)生接觸。在軸向壓力和摩擦扭矩作用下，焊接界面在接觸瞬間摩擦生熱，摩擦熱輸入使界面附近的母材加熱到熱塑性狀態(tài)。頂鍛力繼續(xù)作用，使摩擦界面處的熱塑性金屬擠出形成飛邊，同時(shí)摩擦過程不斷消耗主軸和飛輪組的動(dòng)能，直至能量消耗殆盡，主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)保壓一段時(shí)間后撤銷頂鍛壓力，以完成整個(gè)焊接過程。（如圖2所示）

圖3 焊接過程主要工藝參數(shù)變化圖

圖4 摩擦界面不同接觸狀態(tài)的示意圖

慣性摩擦焊的機(jī)理

慣性摩擦焊的焊接過程可分為3個(gè)階段（如圖3所示），扭矩曲線的變化可作為分析慣性摩擦焊焊接過程的一個(gè)關(guān)鍵因素。第一階段由金屬干摩擦和磨損作用主導(dǎo)，機(jī)加工后的金屬表面微觀上不是完全光滑的，存在微凸體，如圖4 (a)所示。在軸向壓力和摩擦扭矩作用下，在摩擦界面上接觸的微凸體發(fā)生黏結(jié)作用和塑性變形，同時(shí)金屬表面的較硬微凸體壓入較軟金屬的表面。在切向力作用下相對滑動(dòng)時(shí)，較硬的金屬對較軟的金屬發(fā)生犁削作用。摩擦過程中，塑性變形、機(jī)械挖掘、黏結(jié)和分子作用等現(xiàn)象在摩擦界面同時(shí)發(fā)生。隨著摩擦界面氧化層或臟污層破碎程度的加深，清潔金屬的接觸面積增大，接觸面的黏結(jié)作用增大，導(dǎo)致摩擦所需的作用力增大，從而使扭矩快速上升至峰值（扭矩的前峰值）。在第一階段后期，摩擦界面金屬發(fā)生受熱軟化、熱塑性流變、形變硬化現(xiàn)象，由于摩擦界面塑性變形層的受熱軟化起主導(dǎo)作用，扭矩發(fā)生明顯的下降。第一階段的摩擦轉(zhuǎn)速是最高的，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致這一階段的瞬時(shí)能量輸入達(dá)到最大值。瞬時(shí)的高能量輸入將塑性流變限制在很窄的變形層范圍內(nèi)，未在母材較寬區(qū)域產(chǎn)生顯著擴(kuò)展，如圖4(b)所示。

第一階段至第二階段的轉(zhuǎn)變期間，應(yīng)變硬化、受熱軟化對摩擦界面金屬塑性變形層的影響達(dá)到平衡。在第二階段，焊接進(jìn)程是自動(dòng)調(diào)整的，塑性變形層的軟化金屬在摩擦扭矩和軸向壓力作用下，從摩擦界面擠出，形成飛邊，界面附近高溫區(qū)域新的金屬不斷進(jìn)入摩擦界面，發(fā)生摩擦—受熱軟化—飛邊形成—摩擦的循環(huán)作用。當(dāng)摩擦轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，能量消耗、應(yīng)變速率、溫度變化之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，多種關(guān)系之間形成動(dòng)平衡狀態(tài)，扭矩保持穩(wěn)定，從圖3中的第二階段扭矩曲線可看出，扭矩保持了相對恒定的值。

第二階段至第三階段轉(zhuǎn)變瞬間，摩擦界面的溫度梯度降低，同時(shí)狹窄的塑性形變區(qū)迅速變寬。在第三階段，隨著軸向縮短量與飛邊量不斷增大，沿著焊縫中心內(nèi)外側(cè)形成明顯飛邊環(huán)。這一階段后期，隨著轉(zhuǎn)速下降到較低水平，能量輸入變小，摩擦界面金屬軟化程度下降，此時(shí)摩擦的金屬充分焊合，焊縫金屬強(qiáng)度提高導(dǎo)致扭矩上升到另一個(gè)峰值，即扭矩的后峰值。當(dāng)轉(zhuǎn)速完全停止時(shí)，焊縫金屬得到充分形變，形成細(xì)晶組織的焊縫，第三階段終止。

在整個(gè)摩擦焊接過程中，熱力耦合作用反復(fù)循環(huán)，摩擦界面發(fā)生復(fù)雜的變化，可能存在應(yīng)變硬化、塑性流變、變形孿晶、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、析出相的回溶和析出、形變誘發(fā)的相變、溫度引起的相變、合金元素的擴(kuò)散等現(xiàn)象。

慣性摩擦焊在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用

慣性摩擦焊在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用于風(fēng)扇盤轉(zhuǎn)子組件、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件和渦輪盤軸轉(zhuǎn)子組件的焊接，其中在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件制造中的應(yīng)用最為典型。

在風(fēng)扇盤轉(zhuǎn)子組件上的應(yīng)用

慣性摩擦焊技術(shù)被應(yīng)用于大型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤轉(zhuǎn)子組件制造中。由于風(fēng)扇葉片尺寸較大，常規(guī)的風(fēng)扇盤因輻板很寬而導(dǎo)致質(zhì)量很大，因此在設(shè)計(jì)風(fēng)扇盤時(shí)采用多個(gè)薄盤焊接的整體式結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇葉片采用燕尾形榫頭連接到輪盤上。GE航空集團(tuán)的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤由3個(gè)帶鼓的薄盤采用慣性摩擦焊焊接而成。在GE90-115B中，如圖5所示，風(fēng)扇直徑進(jìn)一步加大，弦長加大，且做成后掠形，葉片葉根處寬度加大，為此增加了1個(gè)薄盤，即風(fēng)扇盤由4個(gè)帶鼓的薄盤焊接而成，仍采用慣性摩擦焊連接。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)是在GE90基礎(chǔ)上發(fā)展的，其風(fēng)扇盤組件同樣采用慣性摩擦焊連接。

圖5 慣性摩擦焊焊接的GE90-115B風(fēng)扇盤組件

圖6 CF6-GE-80C2高壓壓氣機(jī)第3～9級(jí)鈦合金慣性摩擦焊轉(zhuǎn)子組件及結(jié)構(gòu)圖

表1 GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)慣性摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用情況

在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件上的應(yīng)用

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件制造中，慣性摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，同時(shí)涉及軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)。慣性摩擦焊被用于制造高壓壓氣機(jī)的兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一種是由榫頭、榫槽連接葉片的多級(jí)盤鼓混合式整體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一種是多級(jí)整體葉盤的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

多級(jí)盤鼓混合式整體轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤由榫頭、榫槽連接，先將壓氣機(jī)盤用慣性摩擦焊連接成一個(gè)整體鼓筒，再將葉片裝配到加工好的榫槽上，這種方式較為典型。GE航空集團(tuán)的F101-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的第1～2級(jí)鈦合金盤、第4～9級(jí)A286合金盤，都是采用慣性摩擦焊連接。第1～2級(jí)轉(zhuǎn)子如果采用整體鍛件制造用料77kg，用慣性摩擦焊焊接則用料54kg，質(zhì)量明顯減輕。F110-GE-129發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是在F101基礎(chǔ)上研制的，第1～2級(jí)仍為鈦合金盤，第4～9級(jí)盤改為IN718合金，也是采用慣性摩擦焊連接的。CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第3～9級(jí)鈦合金轉(zhuǎn)子采用慣性摩擦焊連接，第10級(jí)盤、第11～14級(jí)IN718合金盤鼓（慣性摩擦焊連接）及后軸焊接段之間用螺栓連接（如圖6所示）；第3～9級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子原為整體鍛質(zhì)量為413kg，改為慣性摩擦焊連接后，質(zhì)量降至300kg。GE航空集團(tuán)的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)用了慣性摩擦焊技術(shù)的情況詳見表1。

普惠公司的F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)第1～2級(jí)為鈦合金轉(zhuǎn)子，第4～10級(jí)為IN718合金轉(zhuǎn)子，采用慣性摩擦焊連接，前2級(jí)和后7級(jí)鼓筒組件僅用一級(jí)螺栓連接，零件數(shù)大大減少。F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用電子束焊接，其推力增長型F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子則采用了慣性摩擦焊連接；1985年首次試飛、1987年首次交付使用的PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)，其高壓壓氣機(jī)第8～11級(jí)IN718合金轉(zhuǎn)子由電子束焊連接；而1989年首次試飛、1991年初投入使用的F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)，其高壓壓氣機(jī)IN718合金轉(zhuǎn)子則改為慣性摩擦焊連接。上述情況說明，普惠公司在IN718合金高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的制造中更加傾向于使用慣性摩擦焊技術(shù)。

羅羅公司對慣性摩擦焊技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代后期， 此后羅羅公司陸續(xù)配備了多臺(tái)大噸位、大慣量的慣性摩擦焊設(shè)備，并與英國曼徹斯特大學(xué)、伯明翰大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)合作開展了大量深入的基礎(chǔ)研究和工藝探索。截至目前，慣性摩擦焊技術(shù)在羅羅公司已經(jīng)得到工程化應(yīng)用，遄達(dá) 1000發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子就采用了慣性摩擦焊技術(shù)。

慣性摩擦焊技術(shù)在其他公司高壓壓氣機(jī)制造上也有廣泛應(yīng)用。CFM國際公司的CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)是有史以來銷售最好的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)（截至2019年6月，交付了33400臺(tái)），其高壓壓氣機(jī)的第1～2級(jí)鈦合金盤，第4～9級(jí)Rene95合金盤都是采用慣性摩擦焊連接的整體式轉(zhuǎn)子，CFM國際公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也采用了慣性摩擦焊技術(shù)。MTU公司負(fù)責(zé)研制的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)第4～5級(jí)盤及后錐形軸，均采用慣性摩擦焊連接成一體。由GE和普惠合資的發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)盟公司研制的GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子也是用慣性摩擦焊連接的。

高壓壓氣機(jī)多級(jí)整體葉盤轉(zhuǎn)子是指將兩個(gè)以上的整體葉盤不使用螺栓連接的方式串聯(lián)在一起，形成一個(gè)整體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。多級(jí)整體葉盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)大量減少，質(zhì)量明顯減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，減少了故障源，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和維修性。慣性摩擦焊技術(shù)已被應(yīng)用于這種多級(jí)整體轉(zhuǎn)子的制造。

GE航空集團(tuán)的F414發(fā)動(dòng)機(jī)的多級(jí)整體葉盤制造采用了慣性摩擦焊技術(shù)。GE航空集團(tuán)在F404和F412發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，開發(fā)了推力增長型F414發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比達(dá)到9.0∶1。1991年開始發(fā)展F414-GE-400發(fā)動(dòng)機(jī)，1995年在F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”艦載機(jī)上實(shí)現(xiàn)首飛，1998年開始批量生產(chǎn)。F414發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇第2～3級(jí)Ti17合金整體葉盤、高壓壓氣機(jī)第1～2級(jí)Ti17合金整體葉盤都是采用慣性摩擦焊連接的。多級(jí)整體葉盤轉(zhuǎn)子的制造是采用慣性摩擦焊技術(shù)連接壓氣機(jī)的多級(jí)輪盤，結(jié)合電化學(xué)加工或者五坐標(biāo)數(shù)控銑床加工等關(guān)鍵技術(shù)完成多級(jí)整體葉盤葉片的加工。F414發(fā)動(dòng)機(jī)后2級(jí)風(fēng)扇、前3級(jí)高壓壓氣機(jī)采用多級(jí)整體葉盤后，兩部件的質(zhì)量分別減少了20.43kg與3.632kg，與F404發(fā)動(dòng)機(jī)相比，風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)的零件數(shù)目減少了484個(gè)，有利于提高可靠性。采用慣性摩擦焊制造多級(jí)整體葉盤的還有EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的第4～5級(jí)整體葉盤轉(zhuǎn)子、CF34-8C發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)的第1～2級(jí)整體葉盤轉(zhuǎn)子。

在渦輪盤軸轉(zhuǎn)子組件上的應(yīng)用

隨著對發(fā)動(dòng)機(jī)推力和推重比等指標(biāo)的要求不斷提高，高壓渦輪部件的工作溫度也逐步升高，因此先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤材料已經(jīng)升級(jí)為承溫能力更強(qiáng)的新型粉末高溫合金，渦輪軸則采用鎳基變形高溫合金。相比電子束焊，慣性摩擦焊在焊接異質(zhì)高溫合金時(shí)有較為明顯的優(yōu)勢，電子束焊焊接異質(zhì)高溫合金時(shí)，產(chǎn)生液化裂紋、應(yīng)變時(shí)效裂紋、熱裂紋等缺陷的傾向性較大。因此，慣性摩擦焊是改善產(chǎn)生這種焊接裂紋的可行方法之一。

慣性摩擦焊被廣泛應(yīng)用到渦輪盤軸轉(zhuǎn)子組件的制造中。羅羅公司的遄達(dá) 1000發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪后短軸與輪盤采用慣性摩擦焊連接。羅羅公司還開展了RR1000合金、IN718、U720Li和IN718等新型高溫合金同種材料及異種材料的慣性摩擦焊工藝研究。

結(jié)束語

由慣性摩擦焊技術(shù)制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)子既可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比指標(biāo)，又兼顧了可靠性和耐久性的設(shè)計(jì)要求，慣性摩擦焊已被廣泛應(yīng)用到先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)、渦輪盤軸等轉(zhuǎn)子組件的制造中。但慣性摩擦焊是一項(xiàng)技術(shù)壁壘非常高的先進(jìn)制造技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的國家屈指可數(shù)。隨著國產(chǎn)設(shè)備綜合能力不斷提升以及關(guān)聯(lián)技術(shù)工藝取得突破，將對慣性摩擦焊技術(shù)在國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的工程化應(yīng)用產(chǎn)生顯著的推動(dòng)作用。