航空发动机涡轮叶片精密成形技术分析

王威

摘  要：航空发动机技术复杂、制造难度高，世界上仅有少数几个国家能够完成航空发动机的设计制造。我国对于航空发动机的设计制造一直在不断推进，提升自身制造水平。空心涡轮叶片是高性能航空发动机中的主要零部件之一，由于其制造难度大长期困扰着我国的制造企业。文章在分析空心涡轮叶片结构特性的基础上就空心涡轮叶片的精密成形技术进行了分析阐述。

关键词：空心涡轮叶片;精密成形技术;精铸

中图分类号：V232.4        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）16-0139-02

Abstract： Aero-engine technology is complex and difficult to manufacture， and only a few countries in the world can complete the design and manufacture of aero-engine. In our country， the design and manufacture of aero-engine has been continuously promoted to improve its own manufacturing level. Hollow turbine blade is one of the main components of high-performance aero-engine， which has perplexed the manufacturing enterprises of our country for a long time because of its manufacturing difficulty. Based on the analysis of the structural characteristics of hollow turbine blades， the precision forming technology of hollow turbine blades is analyzed and described in this paper.

Keywords： hollow turbine blade; precision forming technology; precision casting

前言

空心渦轮叶片是高性能航空发动机的核心部件，由于其精度要求高、制造难度大致使空心涡轮叶片一直无法量产。为提高空心涡轮叶片的制造合格率，需要就空心涡轮叶片的精铸工艺进行分析，从叶片精铸的“控形”和“控性”两个方面入手，提升叶片精铸的质量。

1 空心涡轮叶片精铸技术

现代航空发动机正向着大推力、低油耗的方向发展，为实现这一目标现今世界主流的方式为提高航空发动机涡轮前进口温度，现今的发动机涡轮前进口温度已经很高了，如若再继续提高温度则发动机涡轮叶片所承受的温度将达到1880℃±50℃，为了解决这一难题现今涡轮叶片多采用的是复合气膜冷却单晶空心涡轮叶片（简称空心涡轮叶片）。由于结构的复杂性和材料的特殊性在空心涡轮叶片的制备上主要以熔模精铸工艺为主，但是这一工艺存在着精度差、成品率低的问题，从而使得空心涡轮叶片在高性能航空发动机上的应用大为滞后。一般来说现今的空心涡轮叶片精铸的成品率约为10%，而在这其中约90%的废品叶片中形位尺寸超差占50%左右，再结晶缺陷占25%左右，剩下的则主要为铸造缺陷。为提高空心涡轮叶片的制造成品率需要解决好“形控”和“性控”两大方面的问题，即尺寸精度和精铸后的复合材料性能。

空心涡轮叶片工序复杂、制造难度高，其粗坯制造流程如下：首先使用模具成形工艺完成空心涡轮叶片精铸所需要的陶瓷型芯，陶瓷型芯则作为空心的填充部分。而后使用蜡模工艺在型芯外层制备涡轮叶片蜡模，而后再经过烧结-浇注-脱模等工艺完成空心涡轮叶片粗坯的制备。在粗坯的基础上完成后续环节直至完成空心涡轮叶片的制备。在以往空心涡轮叶片的制备过程中，其复合材料为等轴晶组织，此组织结构容易在高温下损坏，随着材料技术的发展叶片所使用的复合材料已经转变为单晶为主的新型材料，其具有较强的耐高温性从而使得空心涡轮叶片的制备成品率得到了较大的提升。现今在空心涡轮叶片的精铸工艺中主要采用的是液态金属冷却法。

2 空心涡轮叶片制备中的“形控”

在空心涡轮叶片精铸中因尺寸超差而不合格的叶片占据总数的近一半以上，为提高空心涡轮叶片的制造质量需要积极做好叶片精铸过程中的“形控”，确保精铸涡轮叶片的尺寸精度。精铸的“形控”主要控制的是涡轮叶片的型面精度和叶片的空心厚度，而上述精度受到涡轮叶片精铸工艺和模型尺寸精度的直接影响，其中精铸蜡模尺寸精度占据着重要占比。受蜡模精度的影响精铸叶片的尺寸精度也将随之波动，因此需要将控制蜡模精度放在控制叶片精铸精度的首位.为提高蜡模的浇筑精度需要做好精铸模具型腔的优化，提高蜡模的尺寸和形位精度。除了控制好蜡模的精度外，还需要注意解决好叶片精铸过程中因收缩所带来的尺寸缺陷。叶片结构复杂、精度要求高，在精铸过程中叶片容易受到热应力的影响而造成叶片出现铸造变形，这一变形将以叶片精铸位移场的形式出现。叶片变形后将影响叶片的气动外形从而直接影响到发动机的工作效率，为保障叶片的正常运行需要做好叶片精铸后的质量控制。为控制叶片精铸中所产生的收缩变形可以采用在叶片精铸模型中加设一定的补偿量用以补偿叶片精铸中所带来的收缩。需要注意的是叶片精铸中所产生的收缩由于受到多种因素的影响致使其收缩变形是非线性的，致使计算收缩补偿时无法精确的计算，因此在对叶片精铸型腔进行优化时需要进行不断的修正才能达到最优效果，则这一过程中将需要耗费较长的时间。为提高叶片精铸型腔的优化效率可以采用建模分析，并应用反变形优化设计方案来优化精铸型腔的设计。反变形优化设计原理如图1所示。

在图1中，R为叶片精铸型腔模具的初始模型，S表示的是叶片精铸后变形后的模型量，C表示的是带补偿的型腔模型。通过所建立的模型可以计算出空心叶片在精铸前后的变形位移场，并将计算后的位移场叠加在型腔模具的初始模型中即可计算出反变形设计的设计量。在应用反变形优化设计时需要做好叶片精铸位移场的计算。叶片精铸位移场的计算可以采用以下两种方案：（1）基于结果的逆向建模。此方案是基于精铸后的叶片与实际的型腔数据所建立的，通过对精铸后的叶片进行细致的测量，以实际的测量数据为基准完成叶片模型和型腔模型的建立，通过所建立的模型使用两步配准算法来取得所需要获得的空心涡轮叶片位移场的计算。（2）此方法是利用三维建模的方法完成相关模型的仿真，构建起叶片精铸的位移场模型。在完成叶片精铸位移场模型的建立后，可以依据所建立起来的位移场完成叶片精铸反变形优化。涡轮叶片制造难度极大，因此构建叶片精铸反变形模型需要进行多次修改才能达到所期望的精度。在构建叶片精铸位移场模型时可以采用离散轉连续的方式完成模型的构建，利用二次多项式将原本离散的叶片精铸位移场数据转换为空心涡轮叶片的连续三维模型，使用泰勒公式完成反变形优化模型的建立。此方法能够简化补偿，将原本需要多次补偿才能完成的反变形优化模型改为一次完成，同时此方法还具有极高的补偿效率和补偿精度。能够为空心涡轮叶片的反变形优化提供良好的帮助。在完成涡轮叶片几何尺寸控制的同时还需要做好空心涡轮叶片厚度的控制。空心涡轮叶片的厚度会对叶片的结构强度和冷却效率产生直接的影响，同时影响着叶片的使用寿命。空心涡轮叶片的厚度也与精铸蜡模的精度有着直接的联系。空心涡轮叶片厚度是由精铸蜡模和陶芯之间的匹配度所决定的，为实现对于叶片厚度的控制需要对陶芯在空间中的姿态进行约束和控制，用以获得良好的空间精度。陶芯本身的制造误差和定位误差会产生累积误差，从而影响到叶片的精铸厚度。为控制因陶芯定位问题所带来的叶片厚度精铸误差需要对因叶片定位所产生的误差传递链进行分析，并在此基础上进行优化。结合误差产生的原因可以采用陶芯定位优化方案，在对陶芯定位元件进行优化的基础上控制住误差的累积，确保陶芯具有良好的定位精度。

3 做好空心涡轮叶片精铸的“性控”

在做好空心涡轮叶片尺寸精度控制的基础上还需要做好叶片精铸过程中的“性控”。空心涡轮叶片精铸所使用的复合材料在高温精铸的过程中如受到不同因素的影响将会造成材料性能发生较大的变化，比如说定向凝固的精铸件会产生雀斑、晶界、缩松等缺陷。上述缺陷的存在将使得叶片的物理性能无法达到设计要求。为解决这一问题可以采用优化精铸工艺的方式。采用高温度梯度LMC定向凝固技术能够实现精铸叶片的快速降温，同时精铸后的叶片中单晶雀斑、缩松等缺陷发生的几率也更低，从而有效的保证了叶片的屈服强度。叶片精铸中空心涡轮叶片的边缘及叶冠部分容易产生杂晶等缺陷，针对这一问题可以在缺陷多发区域采用引晶条、导热体等方式予以控制。

4 空心涡轮叶片精铸技术展望

随着航空发动机性能的不断提升，空心涡轮叶片将需要应对越来越高的温度。空心涡轮叶片的材料、结构和制造工艺都在不断的发展。材料从等轴晶发展至单晶，结构将逐渐向超冷结构方向发展，从而对空心涡轮叶片的制造工艺提出了更高的要求。

5 结束语

空心涡轮叶片结构复杂、加工精度要求高，是高性能航空发动机中的关键部件，受制于制造技术空心涡轮叶片仍无法批量制造，为使得空心涡轮叶片能够满足性能不断发展的航空发动机的需求，为解决空心涡轮叶片制造工艺复杂、成品率低的缺陷，需要积极做好空心涡轮叶片的研究分析。从空心涡轮叶片的材料、结构以及制造工艺等多个方面入手，在确保空心涡轮叶片性能的基础上积极做好叶片制造工艺的研究与应用，从而确保高性能航空发动机生产的顺利进行。

参考文献：

[1]冯炜，汪文虎，王孝忠，等.空心涡轮叶片精铸蜡型陶芯定位元件尺寸计算方法[J].航空学报，2013（1）：181-186.

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