航空發(fā)動機先進焊接技術應用

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司 曲 伸 李 英 倪建成 楊 爍 周冠男

現(xiàn)代飛機及航空發(fā)動機中焊接件的比重已達到50%左右，焊接技術在產(chǎn)品制造中的重要作用不言而喻。在航空航天諸多制造技術中，焊接技術的優(yōu)勢在于可以明顯地減輕發(fā)動機的重量、降低成本、簡化結構設計、提高性能和產(chǎn)品附加值。焊接作為制造工程中最重要主導工藝技術之一，已滲透到航空航天等高端制造業(yè)的全過程中。

隨著航空航天產(chǎn)品性能、技術要求的不斷提高，對焊接技術提出更加苛刻的要求，除質量、安全性外，還有輕量化、高可靠性、高生產(chǎn)效率、可維修性和低成本等指標。焊接技術的發(fā)展隨著新材料、新結構的應用而不斷推進。

近20年來，先進航空航天制造中新材料、新結構的不斷應用引領了以高能束流（電子束、激光等）焊接和增材制造、慣性摩擦焊、線性摩擦焊、擴散焊為代表的先進焊接技術快速發(fā)展，應用的深度和廣度不斷深入和擴展，這些焊接技術得到極大重視，已成為新一代航空航天制造中最有代表性的先進焊接技術。

高能束流焊接及增材制造

1 電子束焊接

電子束焊接具有能量密度高、熱輸入小、零件焊后殘余應力水平低、變形小、自動化程度高等突出優(yōu)點。真空電子束焊接在航空航天領域得到大規(guī)模的應用，對先進自動化焊接技術應用起到巨大推動作用，現(xiàn)已成為壓氣機轉子和透平轉子、薄壁機匣類零件、機體重要承力部件、傳動零件焊接的標準工藝，極大提高了產(chǎn)品質量水平和材料（結構）應用范圍，可以認為電子束焊接的廣泛應用是國內近20年以來熔焊領域最有代表性的技術進步之一。

目前真空電子束焊接面臨的主要問題有：特殊結構零件的焊接工藝、大型薄壁類零件焊接過程模擬及變形控制、大厚度材料電子束焊接工藝及質量控制、脈沖電子束焊技術開發(fā)等。

航空航天產(chǎn)品中廣泛應用的大型薄壁高溫合金和鈦合金機匣結構復雜，主要由機械加工鑄鍛件、鈑金件經(jīng)電子焊工藝完成，由于零件剛性較差、結構復雜，難以通過使用焊接工裝或預變形方法有效控制焊接變形，需要進行全工藝過程模擬分析，采取控制焊前零件尺寸精度、優(yōu)化焊接工藝、焊后采用精密熱處理校正等方法提高組件尺寸精度。

受現(xiàn)有設備條件和工藝技術水平限制，國內對脈沖電子束焊接技術的研究起步較晚。與常規(guī)直流電子束焊相比，在平均功率相當?shù)那闆r下，脈沖電子束焊可提高焊接效率，獲得更大的深寬比。國外的研究結果表明，在一定頻率下，脈沖焊能夠增大焊縫熔深達46%，降低焊縫寬度22%[1]。這意味著在焊接相同厚度的材料時，脈沖焊可用較小的參數(shù)和熱輸入完成，明顯降低零件焊后殘余應力水平，減小變形。

脈沖電子束焊工藝特別適用于對焊接熱輸入較敏感的材料和對變形要求高的復雜結構件。2014年，中航工業(yè)黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司開展了脈沖電子束焊接TC4合金的探索性研究工作，得到的結論與上述結果相近。脈沖電子束焊接工藝還存在一些問題：焊縫穿透和背面成形不穩(wěn)定，焊縫背面咬邊等缺陷不易穩(wěn)定控制，脈沖焊對接頭裝配質量要求高等。盡管目前在生產(chǎn)中脈沖焊技術未能成熟穩(wěn)定地應用，但作為電子束焊接技術的發(fā)展方向，應給予足夠重視。

電子束加工的另一個重要應用方向是用電子束進行增材制造。與激光增材技術相比，電子束熔絲增材具有輸出功率大、沉積效率高、保護效果好等突出優(yōu)點[2]。在偏轉線圈的作用下，電子束可以實現(xiàn)極高頻率的掃描，還可實現(xiàn)多束流加工，對電子束增材制造極為有利。北京航空制造工程研究所進行了大量的電子束增材制造研究工作，并在工程化應用方面取得重要突破。

國內航空航天業(yè)對電子束加工需求很多，但設備主要依靠進口，設備制造所需的一些關鍵技術與國外相比還有相當差距，會影響后期電子束加工新技術的深度開發(fā)。

2 激光增材技術

激光沉積工藝修復的一個主要問題是快速凝固組織均呈現(xiàn)較高的強度和硬度，但塑性較差，從拉斷后激光成形樣品的截面可以看出，斷裂部位幾乎都產(chǎn)生在激光成形組織中央貫穿焊縫截面的方向性極強的晶粒附近。因此激光增材技術集成了激光技術、材料科學、機械加工等學科，并與數(shù)字化智能制造技術相結合，代表著今后制造技術的發(fā)展新方向，這項技術從20世紀80年代以來得到快速發(fā)展。目前激光增材制造技術在民用領域已大量應用，但總體上還缺乏在較大批量航空結構件制造上的應用驗證考核。目前對激光增材在修理方面做了相對較多的應用研究，還應繼續(xù)深入，并在應用中不斷完善這項技術。激光增材技術在修理方面具有特殊優(yōu)勢，中航工業(yè)黎明公司用激光同軸送粉沉積方式修復高溫合金薄壁機匣零件，在1m直徑的薄壁機匣上修復了總長400mm的裂紋，沉積組織性能滿足材料標準要求，修復（熱處理）后定位尺寸精度變化不超過0.10mm；國內還進行了飛機鈦合金構件損傷激光快速修復技術研究并已應用于生產(chǎn)。

激光增材修理應關注沉積層與基體界面結合、沉積層之間組織變化、沉積層與基體性能差異、缺陷形成機理和質量控制、修復組織性能調整等具體技術問題。近期應更加重視激光增材在修理方面的應用研究，積累修理基礎研究數(shù)據(jù)，為后期在結構件制造上成熟應用打好基礎。

正如關橋院士所指出的：增材制造的技術基礎是焊接（連接）技術，材料的可焊性是評價增材制造零件質量的重要依據(jù)，應以產(chǎn)品在工作條件下的適應性作為增材制造零件的評價指標。這些指導思想應成為今后增材制造技術和產(chǎn)品性能驗證的重要依據(jù)。

近年來，激光及激光復合焊在航空航天領域逐漸得到重視，成為繼真空電子束焊后發(fā)展最快的高能束流焊接技術。由于激光焊能量密度更高，工藝上比真空電子束焊具有更好的柔性，必將在高端制造領域得到廣泛應用。激光填絲復合焊綜合了激光焊和MIG的優(yōu)點，在空間型面角焊縫焊接方面具有特殊優(yōu)勢。

激光自動化焊接是集合了焊接設備、工藝、冶金、結構、過程和質量控制等多學科的系統(tǒng)工程，目前的激光復合焊接技術已在航天領域實現(xiàn)了應用，但還比較缺乏在航空制造中的應用積累，激光（復合）焊接的一些應用性問題還沒能徹底解決，研究和應用的范圍和深度遠不如真空電子束焊，主要問題包括：工程應用中的大功率激光器嚴重依賴進口；適應航空航天產(chǎn)品材料和結構的特殊激光焊工藝和自動化、智能化焊接系統(tǒng)開發(fā)及質量控制；航空航天業(yè)激光焊工藝、檢驗標準體系不完備[3]；航空用材料激光焊接性研究較少。

借鑒國外激光焊接在航空航天制造業(yè)（如飛機蒙皮、蒙皮與桁條焊接）上應用的成功經(jīng)驗，加強基礎理論研究和常用材料焊接性研究，借助產(chǎn)業(yè)升級和智能化制造發(fā)展機遇，發(fā)展自動化焊接和焊接全過程控制技術，向數(shù)字化、智能化、信息化、柔性化方向發(fā)展，是今后高能束流焊接，尤其是激光焊的重點研究目標。

慣性摩擦焊

從國外先進發(fā)動機轉子部件（盤與盤或盤與軸的連接）制造的發(fā)展歷程來看，慣性摩擦焊是最佳的連接方式，焊縫綜合性能最好。國內針對航空航天業(yè)的慣性摩擦焊工藝研究已有近30年的歷史，從鈦合金、高溫合金同種材料的盤、軸類零件向異種材料、特種材料連接方向發(fā)展?，F(xiàn)在國內已有在先進發(fā)動機上使用粉末冶金盤的需求。

粉末高溫合金晶粒細密、組織均勻、無宏觀偏析、屈服強度高、疲勞性能好，已成為發(fā)動機整體渦輪轉子部件采用的最佳材料。到1993年，俄羅斯已累計生產(chǎn)粉末合金盤25000個，總工作時間達到100萬h[4]。由于慣性摩擦焊技術的特殊優(yōu)勢，從轉子部件性能要求和材料焊接性等方面考慮，慣性摩擦焊成為粉末合金盤類零件連接的最佳和唯一手段。粉末合金材料連接工藝研究重點是：焊接過程對材料組織影響、缺陷控制、焊接工藝和熱處理狀態(tài)對材料疲勞性能的影響。中航工業(yè)黎明公司和國內一些單位合作已開展了相關研究工作，為后期工程化應用打下了較堅實的基礎。

受設備條件限制，國內在線性摩擦焊工藝應用方面還沒能取得較大突破，但進行了較多的基礎研究。

擴散焊

作為一種固相焊接方法，擴散焊（TLP）的接頭具有顯微組織和性能與母材接近或相同、不易出現(xiàn)熔焊中的各種缺陷、不會產(chǎn)生過熱區(qū)、焊接變形較小等明顯優(yōu)勢，可焊接各種高溫材料和異種材料的復雜結構零件。

TiAl、Ti3Al基金屬間化合物由于具有低密度、良好的高溫強度和抗氧化能力等突出優(yōu)點，是重點開發(fā)并已應用于航空航天業(yè)的輕質高溫結構材料，在國外新一代發(fā)動機（如GE公司的GEnx）上已成功使用。擴散焊（TLP）工藝非常適宜于這些材料的連接。國內眾多單位已進行了大量的研究工作，在中間層合金研制、界面反應及擴散機理等關鍵技術領域取得很大進步，已完成多種高溫材料擴散焊（TLP）工藝研究并開始工程化應用。今后的研究重點是：鈦合金、Ni基單晶合金、Ni3Al金屬間化合物、ODS合金的擴散連接技術和工程化應用中質量穩(wěn)定性問題。

中航工業(yè)黎明公司對高Nb的Ti3Al基金屬間化合物也開展過熔焊技術研究工作，焊接的主要問題是：由于合金的室溫塑形低，不易控制焊后低塑形脆化裂紋的產(chǎn)生。

除用于特種高溫材料的連接外，釬焊、擴散焊（TLP）還適用于高溫部件的焊接修理，與釬焊相比，擴散焊接頭可避免釬焊焊縫中低熔點金屬間化合物產(chǎn)生和聚集，接頭綜合性能優(yōu)于常規(guī)釬焊。

焊接修理技術

焊接修理的難度在一定程度上超過新件的制造難度，主要是：

（1）經(jīng)過一定使用周期的高溫零部件的組織會發(fā)生一定變化，這些零部件長期在不均勻溫度場、應力場及高溫氧化腐蝕作用下，會發(fā)生蠕變、疲勞、燒蝕、腐蝕的問題。對Ni基高溫合金來講，會發(fā)生過熱過燒、γ'回溶、γ'粗化、碳化物的長大、晶界及晶界碳化物形貌變化、脆性相生成等組織退化問題，另外不同使用周期后材料組織性能的差異對修理工藝有不利影響，對葉片類零件還存在溫度梯度造成的葉片各位置組織性能不均勻現(xiàn)象，這些變化會增加焊接修理難度，降低修理性能。除保證修理處性能外，焊接修理后還應將零件的材料性能恢復到與新品的材料標準相當?shù)乃健?/p>

（2）待修理零件的尺寸精度較高，對焊接變形精度控制要求高，尤其對結構復雜的高溫零件，焊接修理和焊后熱處理的變形控制是極大的難題。

（3）為提高使用性能，高溫部件均采用合金化程度高的材料，通過加入更多的合金元素進行強化，使材料焊接性變差。

正常服役條件下，零件失效主要是由于材料組織緩慢變化引起組織退化，在超溫的工作條件下，零件失效是以γ'回溶和組織嚴重損傷引起的性能降低和燒蝕、裂紋等形式表現(xiàn)出來的。針對不同材料和損傷形式，應綜合考慮修理方法、技術成熟度，修理的安全性、可靠性和修理成本等因素，把零件使用性能恢復到安全程度。

高溫部件的磨損、燒蝕、裂紋等缺陷的修理通常采用釬焊（擴散焊）、粉末冶金（PM）、等離子焊、激光增材等工藝方法。如Liburdi公司分別用微束等離子和PM技術成功修理高渦、高導葉片；MTU、P&W、Honeywell公司用激光增材工藝修理壓氣機和渦輪葉片并申請了專利。鈦合金材料具有殊的晶體結構，裂紋敏感性強，斷裂韌性低，焊接后疲勞強度降低幅度大，這些不利因素使鈦合金壓氣機葉片、整體葉盤葉片修復難度加大，需要重點研究鈦合金修復工藝和修復后的性能恢復技術。

國內對航空發(fā)動機和燃氣輪機修理技術進行了較多的研究工作，但在技術難度最大的高渦、高導葉片等高溫部件修理方面與國外相比有相當大的差距，技術差距主要表現(xiàn)在在高溫、復雜應力等苛刻條件下能滿足使用要求的修理用焊接材料技術；焊接修理所需的配套工藝技術；焊接修理質量控制技術；焊縫和基體性能恢復技術；修理質量評定和壽命評估等。

[1] 齊鉑金，范霽康，劉方軍.脈沖束流電子束焊接技術綜述.航空制造技術，2015(11)：26-30。

[2] 鞏水利，鎖紅波，李懷學.金屬增材制造技術在航空領域的發(fā)展和應用.航空制造技術，2013(13)：66-71.

[3] 巖石.航空航天先進特種焊接技術應用調查報告.航空制造技術，2010(9)：58-59.

[4] 國為民，馮滌.俄羅斯粉末高溫合金工藝的研究和發(fā)展.粉末冶金工業(yè)，2000,10(1)：20-27.