高性能航空发动机新结构及新材料构件制造技术综述

高性能航空发动机新结构及新材料构件制造技术综述

摘要长寿命、高可靠性是航空航天产品的基本要求，长寿命、高可靠性制造是我国航空航天制造业急需突破的关键技术。据统计，航空事故中疲劳失效占80%以上，造成疲劳失效的主要原因是制造表面缺陷和质量一致性差。长寿命、高可靠性制造以使用性能为判据，以设计、材料、工艺三位一体紧密耦合、综合优化为特征的制造新方法，对于解决我国飞机、发动机关键构件寿命短和可靠性差的问题具有重要意义。基于此，本文主要对高性能航空发动机新结构及新材料构件制造技术进行分析探讨。

关键词高性能航空发动机；新结构；新材料；构件制造技术

前言

近年来，在研发新一代航空结构和功能材料时已经采用少余量和近无余量的制备技术，以使在结构零件的制造过程中，能将必需的机械加工作业量控制到最小。但是，就大多数航空发动机的结构件而言，它们所需的尺寸形状精度、表面粗糙度和表面完整性的要求最终必须经由机械加工提供保证。

1 高性能航空发动机新结构及新材料构件制造技术

1.1 单晶涡轮叶片制造技术

现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119发动机涡轮前温度高达1900～2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度，甚至会被熔化，无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比10一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能主要取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷[1]。

1.2 整体叶盘高效高精度低成本加工技术

整体叶盘技术的应用推动了航空发动机结构设计的创新和制造工艺的跨越，实现了发动机减重和增效的目的，提高了发动机工作的可靠性。同时，叶片的薄厚度、大弯扭高效率气动设计，形成了叶片刚性差，加工易变形难控制的问题；叶片间窄而深的气流通道，使叶盘加工工艺实现性差；钛合金、高温合金等高强材料，自整体叶盘在高性能航空发动机上应用以来，整体叶盘制造技术一直在发展和提升，目前整体叶盘加工的工艺方法主要有以下5种：失蜡精密铸造整体叶盘、电子束焊接整体叶盘、电化学加工整体叶盘、线性摩擦焊整体叶盘和五坐标数控机床加工整体叶盘等工艺方法。

1.3 空心叶片制造技术

涡扇发动机的风扇远离燃烧室，热负荷低，但先进航空发动机对其气动效能的要求和防外物打伤的能力在不断提升。高性能航空发动机风扇均采用宽弦、无凸肩、空心风扇叶片。空心叶片的制造工艺流程为：首先需准备3块钛合金板并按上、中、下3层放置，中间一层为芯板，上下层分别为叶盆和叶背层板，然后按照除油酸洗3块钛合金板、中间层喷涂止焊剂、钛板焊接、入模加温、氩气净化、扩散连接、超塑成型、随炉冷却、表面化洗、叶根及进排气边加工、叶片检验等工序超塑成形/扩散连接（SPF/DB）成风扇空心叶片。

1.4 高端轴承制造技术

轴承是航空发动机的关键零部件之一，轴承在以每分钟上万转高速长时间运转的同时，还要承受发动机转子高速旋转所产生的巨大离心力和各种形式的挤压应力、摩擦与超高温作用。轴承的质量和性能直接影响到发动机性能、寿命、可靠性和飞行安全。高端轴承的研制和生产与接触力学、润滑理论、摩擦学等学科交叉及疲劳与破坏、热处理与材料组织等基础研究密切相关，同时还必须解决设计、材料、制造、制造装备、检测与试验、油脂及润滑等环节大量的技术难题[2]。

1.5 粉末涡轮盘制造技术

航空发动机涡轮盘承受着高温和高应力的叠加作用，工作条件苛刻，制备工艺复杂，技术难度大，成为我国发动机发展的难点之一。基于粉末高温合金具有优异的综合力学性能和良好的冷热工艺性能等优点，国外高性能航空发动机上广泛使用粉末涡轮盘。粉末涡轮盘的制造包括材料研制、母合金熔炼、粉末制备与处理、热等静压、等温锻造、热处理，以及高精度检测与评价等一系列关键制造技术，它承载着先进航空发动机制造不可或缺的关键制造技术。国外粉末涡轮盘研究的趋势为在涡轮盘使用性能上从高强型涡轮盘向耐损伤型涡轮盘发展、制粉工艺向超纯净细粉方向发展，成型工艺在采用热等静压成型工艺的同时，还发展挤压成型工艺、等温锻成型工艺。国内，北京航空材料研究院已研制了多种航空发动机粉末涡轮盘，解决了先进航空发动机粉末涡轮盘的关键制造技术难题，但粉末涡轮盘工程化制造问题还未彻底解决。

1.6 复合材料制造技术

复合材料技术已在高性能航空发动机上取得广泛的应用，为研制LEAP发动机的需要，斯耐克玛公司采用三维编制树脂转移模塑（RTM）工艺技术，加工制造了复合材料风扇机匣和复合材料风扇叶片，RTM技术制造的LEAP发动机零件，不但强度高，而且质量只有相同结构钛合金部件质量的一半。在研制F119发动机过程中，普惠公司研制连续SiC纤维增强钛基复合材料宽弦风扇叶片。该类复合材料叶片具有刚度高、质量轻、耐撞击等性能，被称为第三代宽弦风扇叶片。F119涡扇发动机3级风扇转子全部采用此材料制造。国内，复合材料制造技术也在航空发动机零部件制造中应用，熔体自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料风扇叶片取得了较大的进展，但TiB2颗粒增强铝基复合材料风扇叶片高效加工、加工表面强化、抗疲劳性能和防外物打伤技术等是实现该材料风扇叶片工程应用研究的重点和难点[3]。

2 结束语

近年来，为适应国家安全和国民经济发展的需要，各种型号的预警机、歼击机、直升机、大客大运等新型飞机不断飞上蓝天，但他们绝大多数依然缺乏一颗强劲的“中国心”。中国制造的ARJ21客机，安装着美国的CF34-10A发动机，中国制造的C919大型客机，将配装美、法研制的LEAP-X1C发动机，我们必须尽快翻过这一页。可以相信，随着中国制造2025的全面布局，航空发动机重大工程的开展，通过航空发动机人的不懈努力，逐步解决航空发动机制造的关键技术、基础技术和热点技术，中国的飞机安装上健康强劲的“中国心”的目标即将实现。

参考文献

[1] 赵振业.高强度合金应用与抗疲劳制造技术[J].航空制造技术，2007，（10）：30-33.

[2] 黃新春，张定华，姚倡锋，等.高效抗疲劳磨削加工技术研究[J].航空精密制造技术，2011，47（3）：1-7.

[3] 赵振业.高强度合金抗疲劳应用技术研究与发展[J].中国工程科学，2005，7（3）：90-94.