先进航空发动机制造技术探究

张振兴，金帅，郝斌

（中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 110015）

1 航空发动机制造关键技术相关理论概述

1.1 单晶涡轮叶片制造技术特点

现代航空发动机涡轮前温度对比以往有所提升，F119发动机涡轮前温度已经达到了1900 ～2050K，采用传统工艺铸造的涡轮叶片在这种高温下很容易被熔化，不能正常开展工作。单晶涡轮叶片可以实现推重比10 一级发动机涡轮叶片在较高的温度下依然能够正常工作，单晶涡轮叶片耐高温的优势源于其整个叶片仅仅由1 个晶体构成，所以解决了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构导致晶界间不能承受过高温度的问题。单晶涡轮叶片是一种航空发动机零件，单晶涡轮叶片在国外属于严重垄断和封锁的航空发动机零件，该零件具有合格率低、制作周期长、制作工序复杂等特点。制作工序主要有压芯工序、修芯工序、型芯烧结工艺、检验型芯、匹配型芯与外型模具、蜡模压注、利用X 光检验蜡模、检测蜡模壁厚、蜡修整模、组合蜡模、引晶系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检工序、荧光检查、脱芯、打磨、测量弦宽、X 光检查叶片、X 光底片检查、检查型面、精修叶片、检测叶片壁厚、终检等，完成上述工序之后，还应做好涡轮叶片精铸模具设计工作以及制造工作。

1.2 整体叶盘加工技术呈现出效率高、精度高、成本低的优势特点

应用整体叶盘技术为航空发动机结构设计增加了创新元素，使航空发动机制造工艺更加精湛，有效降低了发动机重量并同时提升其效果，增加了发动机工作的稳定性和可靠性。与此同时，叶片采用大弯扭高效率启动设计以及薄厚度设计导致叶片缺乏刚性，加工过程中极易造成叶片变形；叶片间形成的气流通道过窄或者过宽，都将导致叶盘加工工艺难以发挥出预期的效果；钛合金以及高温合金等材料，具有高强度的特点，因此切削加工困难重重，并且加工效率不高。20世纪80 年代西方发达国家尝试将整体叶盘技术应用到新型航空发动机的设计研发过程中，然而我国从1996 年才开始尝试应用整体叶盘技术。应用整体叶盘技术能够促进航空发动机零件结构进一步实现整体化特点，带鼓筒叶盘、带轴叶盘、盘片鼓筒轴组合叶盘、带箍闭式叶盘、整流器静子环叶盘和两级或多级叶盘组合的串列式整体叶盘结构逐步应用在创新航空发动机的设计研发工作中；整体叶盘的功能结构全面按照离心叶轮以及轴流叶盘为基准，逐步衍生出大小叶片结构叶盘以及斜流转子叶盘。从高性能航空发动机的设计和研发应用整体叶盘技术之后，整体叶盘制造技术得到逐步创新和发展，现阶段，整体叶盘加工的工艺方法包含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。

1.3 高端轴承制造技术特点

轴承作为航空发动机中极为重要的零部件，每分钟转速过万，并且长时间维持这种运转速度，需要承受发动机转子高速旋转带来的巨大离心力以及挤压应力、摩擦、超高温等状态。轴承的质量、性能将对发动机的性能产生直接影响。研发和生产高端轴承需要以接触力学、摩擦学、润滑理论等学科知识为基础，并且综合考虑疲劳与破坏、材料组织与热处理的相关理论结果，与此同时还需要将设计、原材料、制造工艺、制造设备、检测、试验、润滑、油脂等技术问题考虑在内。现阶段，铁姆肯、NSK、SKF，FAG 等外国企业垄断了高端轴承的研发、生产和营销活动。我国航空发动机制造技术水平较低，轴承是我国航空发动机研发工作中的最大障碍，这对我国高性能航空发动机的发展带来一定阻碍。

2 航空发动机制造热点技术相关理论概述

2.1 再结晶抑制技术特点

单晶高温合金的优势在于使用单晶叶片，不存在晶界，再结晶使原单晶合金的耐高温性能不断降低。单晶叶片铸造成型之后需要经过气膜孔加工、榫齿磨削、缘板侧面铣削、叶尖铸造工艺孔焊接、热处理、装配等工序，发动机在正常运转时，叶片旋转呈现高速状态，至此承受较大的震动和热冷气流冲击、荷载、高温，这种情况下极易导致产生再结晶，实践中发现涡轮叶片失效的发生率较高。所以，近年来国内外针对于抑制再结晶采取预回复热处理、渗碳、涂层、取出表面变形层的方法，也采用加入界强化因素的方式修复再结晶。

2.2 3D 打印技术特点

3D 打印技术结合了粉末冶金、CAD、激光加工、CAM 等多种技术手段。3D 打印技术能够将“大脑”中的思维以三维实体的方式呈现出来，参照电脑中显现的零件图像利用打印机直接打印出“真实”的零件。3D 打印技术为制造业和加工业带来了创新。世界上第一个研制出3D 打印喷气发动机的是澳大利亚莫纳什大学。该学校和波音公司、赛风集团等企业开展合作，研发出能够打印出波音发动机原型机的3D 打印技术，打印出来的发动机原型机应用在飞行测试中。3D 打印技术的优势是高效，能够将发动机零部件的制造时间成功压缩到6 天。我国国内目前应用3D 打印机修复涡扇发动机高压压气机转子叶片叶尖磨损件，并且使其实现再使用。应用3D 打印技术成功完成了发动机上非承力件和静子件零件的制造，然而目前正在评估零件使用的力学性能，与此同时，关于应用3D 技术制造发动力承力件、转子零件的研究正在有条不紊的展开。

2.3 叶片进排气边（前后缘）加工技术特点

航空发动机叶片进排气边的加工质量将对航空发动机气动性能造成一定影响。进排气边容易出现叶片缺陷，属于钛合金缺陷敏感位置，很多发动机失效事件是由于叶片进排气边加工缺陷导致。叶片进排气边部位的叶片较薄，同时处于叶片边缘位置，缺乏刚性，加工过程中极易变形，加工的叶片进排气边的通常呈现出尖头或者方头状态。批量生产制造发动机叶片，难以解决叶片进排气边位置叶片较薄等工艺问题。

3 航空发动机制造基础技术相关理论概述

3.1 精密制坯技术特点

精密制坯技术通常涵盖精密锻造制坯、精密铸造制坯和3D 打印技术制坯等，它是现代航空发动机制造的核心动力。传统发动机零件制造的毛坯过于粗劣，制造毛坯的材料将逐步被消耗。20 世纪90 年代以来，我国航空发动机风扇压气机在不断发展的过程中，叶片、叶盘、机匣制坯逐步形成了叶片精锻生产线和叶盘零件毛坯制造的等温锻造工艺以及机匣毛坯模锻制造工艺；应用失蜡精密铸造方法制造整体涡轮盘、整体涡轮导向器制坯；将整体精密铸造制坯技术用于附件机匣及复杂壳体制坯中。伴随3D 打印技术的逐步成熟，航空发动机研制过程中应用3D 打印技术的范围越来越广，面对结构独特、供货时间短、数量少的发动结构件通常利用3D 打印技术制作毛坯。

3.2 高效高质量焊接技术特点

构件整体化代表着新型航空发动机零件结构未来的发展方向，高效焊接技术能够推动构件整体化的快速实现。实现航空发动机构件整体化制造主要依靠扩散连接焊、线性摩擦焊、电子束焊等焊接技术。扩散连接焊技术将成型和焊接两种工艺技术进行组合，具体是将扩散焊接技术应用到超塑性成型过程中。宽弦空心风扇叶片的制作主要依靠扩散连接焊技术，在宽弦空心风扇叶片技术逐步发展的背景下，宽弦空心风扇叶片成型工艺难度逐步提升，所以判定宽弦空心风扇叶片是否合格的标准也不断提高。

3.3 刀具、机床、构件一体化技术特点

航空发动机上每一种零件都经过机械加工，机械加工必须利用刀具和机床。现代航空发动机制造技术促进了刀具技术以及机床功能的提升。近几年来，航空发动机零件的研究侧重于刀具、工件、机床的整体系统性研究，力求实现综合制造，目前取得了显著的研究成果。刀具的功能是切削加工，能够切削多种加工材料，例如航空发动机钛合金、高温合金和不锈钢等。传统的刀具很难实现现代航空发动机高效加工的功能，因此针对于刀具的研究也逐步向高效、精准、专业性方向努力。与此同时，智能刀具、复合材料加工刀具逐步得到推广。数控机床的研发和制造主要是为了满足航空零件的加工需求，航空发动机上全部的零部件均利用数控机床生产制造。针对于数控机床的研究也逐步向智能、高速、精准方向努力。

4 结语

伴随经济的发展以及国家安全的需要，各种新型飞机数量激增。可以预见2025 年，我国的航空发动机制造将获得更大的成就，目前存在的航空发动机制造的关键技术、基础技术以及热点技术方面问题都将迎刃而解。