航空发动机零部件精密制造技术

航空发动机零部件精密制造技术

航空发动机关键零部件的精密制造技术一直是我国高性能航空发动机研制的瓶颈。文章深入分析了航空发动机关键零部件的典型制造技术，对精密制坯、高效切削、抗疲劳制造、特种加工以及复合材料构件加工技术进行了总结，并给出了其发展方向。

标签：航空发动机；精密制坯；高效切削；抗疲劳制造

Abstract：The precision manufacturing technology of the key components of aero-engine has been the bottleneck of the development of high-performance aero-engine in our country. This paper analyzes the typical manufacturing technology of the key components of aero-engine，summarizes the technologies of precision billet making，high-efficiency cutting，anti-fatigue manufacturing，special machining and processing of composite components，and gives the development direction of these technologies.

Keywords：aero-engine；precision blanking；high efficiency cutting；anti-fatigue manufacturing

航空制造集聚了大量的高新制造技術，其制造过程对制造设备、工艺、执业人员素质等要求极高；航空发动机被誉为飞机的“心脏”，是研发制造难度最大最顶级的现代工业造物，其制造技术的进步对航空制造乃至整个制造业的发展起着决定性的作用。航空发动机的设计研发难度极大，在保证人力及资本投入的情况下，一个型号的发动机从开始研发到技术成熟大概需要三十年的时间，为此，美国将航空发动机技术定义为“一个高技术要求、高准入门槛的领域，它需要以国家的力量充分扶持，需要长时间的技术积累以及巨大的资本投入”。目前，几大航空强国都将航空发动机产业归为核心技术产业，对内在新一代航空发动机研制方面投入了大量的资金和人力，规划并实施了一系列技术研发计划，如“综合高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET）”、“先进战术战斗机发动机设计计划（ATFE）”、英法合作军用发动机技术计划（AMET）及ADVENT计划等，以此来推进航空发动机的升级换代；并对外实行技术封锁。我国目前的航空发动机技术与世界先进水平差距较大，为解决目前国内航空产业“外国心”的问题，国家新成立了“两机专项”，对航空发动机的研制投入大笔资金用于技术攻关、人才培养以及产业链的形成。

高性能航空发动机追求的是在极有限的自身重量与工作空间、极恶劣的工作条件下保证长期稳定的服役性能，其制造技术要求极高，是一种极端制造情形。为达到高的推重比性能要求，航空发动机大量采用复杂的整体轻量结构，如空心叶片、宽弦叶片、整体叶盘等，以做到最大程度的减重；同时高性能的钛合金、高温合金以及复合材料也大量应用，而这些材料都属于典型的难加工材料；另外航空发动机关重件多属于复杂型面薄壁零件，对加工精度和表面质量的要求极高。这都要求航空发动机制造企业需要有大量的、长期的技术储备才能完成航空

发动机的制造任务。本文将针对航空发动机零部件的典型制造技术进行阐述和分析。

1 精密制坯技术

航空发动机设计时应用了大量复杂结构件、各种新材料，其零件的制坯方法也在不断的更新进步。“近净成形”是先进精密毛坯制造技术的发展方向。“近净成形”指零件毛坯制成之后，不再冷加工或者少量冷加工之后，就可用作最终使用零件的毛坯成形技术。它建立在材料、制造等多学科融合基础之上，使原有的粗糙毛坯成形发展为高精度、高效率、轻量化、低成本的成形技术。“近净成形”的毛坯具有较为准确的轮廓尺寸和较好的表面质量，可以很大程度上减少后期冷加工造成的材料浪费，节省制造成本。“近净成形”毛坯将取代传统的大余量毛坯。航空发动机制造中应用的精密制坯技术主要有精密铸造、锻压和粉末冶金等技术。

1.1 精密铸造制坯

精密铸造，指的是获得精准尺寸铸件工艺的总称。与传统铸造工艺相比，精密铸造获得的铸件具有更加准确的轮廓尺寸精度，更加良好的表面质量。传统的低压浇铸方法存在氧化夹渣、气孔、缩孔、裂纹等一系列弊端。精密铸造制坯是铸造领域主要的发展方向。单晶叶片精铸技术是航空发动机关键制造技术之一。目前第二代对开式空心无余量超单晶叶片已经在新一代发动机中被广泛应用，其制造工艺为定向凝固后时效处理、处理完成后再加防护涂层，不需要冷加工工艺。目前，单晶叶片精密铸造生产线已在航空企业中推广，叶片单边余量可控制在0.05-0.1mm，单晶叶片铸造合格率在75%以上。在国外航空制造企业中，第三代单晶铸造技术已成功获得应用，相关技术应用于F119的涡轮叶片上。

1.2 精密锻造制坯

目前航空发动机的零部件锻件毛坯占毛坯总重量的一半以上，精密锻造技术在航空发动机制造企业获得了重视并被广泛采用。精密锻压技术制造的发动机零部件的毛坯，具有精确的毛坯外形，可以实现小切削余量甚至无切削余量的空心涡轮叶片、整体涡轮以及其他部件的加工制造。随着等温模锻、超塑性等温模锻等先进的锻造技术的发展应用，航空发动机制造企业已经可以制造无偏析超细晶粒毛坯，并批量生产无余量精锻叶片。1.3 快速凝固粉末冶金制坯

快速凝固是使液相材料快速凝固成固相材料的技术，它是一种非平衡的凝固过程，冷却速率大于105K/s，凝固过程中非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相的出现使材料表现出独特的性能和特殊用途。快速凝固技术可以显著改善现有合金的微观组织形态进而提高其使用性能，另外，还可以研制新型合金。目前，快速凝固技术已在航空发动机零部件制造中广泛应用，在某型叶片制造中应用表明，快速凝固技术能有效改善叶片的材料组织性能，进而显著提高涡轮前温度，极大地提升了航空发动机的使用性能。