航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)*

蔣睿嵩，汪文虎，王增強(qiáng)，張定華，卜 昆

（西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

蔣睿嵩

博士，美國(guó)南加州大學(xué)訪問學(xué)者，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成形技術(shù)、復(fù)合材料切削加工技術(shù)等方面的研究工作。近年來，承擔(dān)并參與了自然基金、國(guó)家重大專項(xiàng)等項(xiàng)目多項(xiàng)，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。

高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“航空發(fā)動(dòng)機(jī)”）是飛機(jī)的“心臟”，是制約我國(guó)航空業(yè)發(fā)展的“瓶頸”之一[1]。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)的不斷提升，相應(yīng)地要求航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大推力、高推重比、低油耗等方向發(fā)展，而提高渦輪前進(jìn)口溫度是提高推重比最主要的途徑之一。預(yù)計(jì)在推重比15一級(jí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪前溫度將達(dá)到1830～1930℃；為此，必須增加渦輪葉片尤其是高壓渦輪葉片（如圖1所示）的耐高溫能力。目前，渦輪葉片普遍采用復(fù)合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片技術(shù)提高其承溫能力。

受材料及結(jié)構(gòu)限制，空心渦輪葉片通常采用熔模精密鑄造工藝成形，其成形精度偏低、廢品率極高，一直是困擾我國(guó)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的難題[2]。從國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界的探索研究和工業(yè)界的實(shí)施應(yīng)用情況來看，單晶空心渦輪葉片的合格率極低，僅為10%左右。通過對(duì)空心渦輪葉片進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析表明，葉片不合格的因素主要包括尺寸（型面和壁厚）超差（約占50%）、再結(jié)晶（約占25%）和鑄造缺陷（約占15%）等。為此，針對(duì)單晶渦輪葉片高品質(zhì)精密成形問題，研究渦輪葉片精鑄 “控形”及“控性”技術(shù)，從葉片尺寸精度及材料組織性能兩方面提高空心渦輪葉片成形品質(zhì)和合格率，對(duì)加快新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制、降低成本、提升我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平都具有重要意義。

本文首先對(duì)渦輪葉片精密鑄造流程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)渦輪葉片尺寸精度和組織缺陷問題，對(duì)基于反變形原理的精鑄“控形”及基于工藝優(yōu)化的精鑄“控性”技術(shù)進(jìn)行了綜述。最后，對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)渦輪葉片的精密成形技術(shù)進(jìn)行了展望。

渦輪葉片精密鑄造技術(shù)

渦輪葉片制造工序多、周期長(zhǎng)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)所有零件中合格率最低、國(guó)外封鎖和壟斷最為嚴(yán)格的零件之一[3]。渦輪葉片精鑄毛坯的制造流程一般為：首先通過模具成形的方式獲取精密鑄造用陶瓷型芯，然后與蠟型模具匹配得到帶有陶芯的精鑄蠟型，再經(jīng)過制殼、燒結(jié)、澆注、脫芯、檢驗(yàn)等工序直至獲得合格的渦輪葉片的精鑄毛坯；然后進(jìn)行葉片尺寸、材料組織性能的檢測(cè)，最終得到合格的單晶空心渦輪葉片。

早期高溫合金葉片為等軸晶組織，晶界在高溫循環(huán)加載工況下可能導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，削弱葉片性能。目前，渦輪葉片晶粒組織主要以柱狀、單晶為主，使葉片高溫性能得到了極大的提高[4]。圖2為各型晶粒組織的形成原理：柱狀晶和單晶主要采用Bridgman工藝或快速凝固法（High rate solidification,HRS）進(jìn)行制備，通過形成溫度梯度，可有效控制晶粒的生長(zhǎng)；其區(qū)別在于單晶在定向凝固的起始端增加螺旋式選晶結(jié)構(gòu)，使組織由柱狀多晶變?yōu)橐粋€(gè)晶粒。

到目前為止，航空制造業(yè)一直基于Bridgman工藝生產(chǎn)高溫合金定向或單晶葉片。由于該工藝較低的輻射傳熱效率等缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致抽拉速度降低，引起雀斑和晶粒偏離方向等缺陷[5]。為克服上述問題，近年來研究發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻（Liquid metal cooling,LMC）法，利用液體對(duì)流散熱來替代原來的輻射散熱。

渦輪葉片精鑄“控形”技術(shù)

圖1 渦輪葉片示意圖Fig.1 Illustration of turbine blade

圖2 渦輪葉片3種晶粒組織的形成原理Fig.2 Formation principle of three typical grain structures of turbine blades

如上所述，渦輪葉片尺寸超差引起的葉片不合格率占50%左右，是嚴(yán)重制約我國(guó)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸。精鑄“控形”技術(shù)即是從幾何角度對(duì)葉片精鑄變形進(jìn)行控制，以期獲得滿足尺寸精度要求的鑄件?？招臏u輪葉片精度主要由型面精度和壁厚精度構(gòu)成，其成形精度與精鑄工藝密切相關(guān)；其中，精鑄蠟型尺寸精度是葉片成形精度的最主要影響因素之一。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Peters等[6]對(duì)29種精鑄件跟蹤測(cè)量得到結(jié)論，精鑄件尺寸隨精鑄蠟型尺寸波動(dòng)而波動(dòng)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。因此，制備精度合格的蠟型是保證空心渦輪葉片精度的首要條件。精鑄蠟型尺寸主要由精鑄模具進(jìn)行保證，對(duì)精鑄模具型腔的優(yōu)化可有效控制渦輪葉片制造精度。

1 渦輪葉片型面精度控制方法

渦輪葉片形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于鑄造熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致葉片各部位鑄造變形呈現(xiàn)出非線性，并以精鑄位移場(chǎng)（葉片鑄件變形量的分布）的形式體現(xiàn)出來；其中葉身型面的變形對(duì)氣動(dòng)的影響最大，需進(jìn)行嚴(yán)格控制[7]。為補(bǔ)償渦輪葉片精鑄過程中的收縮變形，常規(guī)的方法是在模具型腔設(shè)計(jì)過程中給定一個(gè)綜合收縮率。由于收縮變形的結(jié)構(gòu)相關(guān)性，該方法并不能精確地補(bǔ)償葉片精鑄過程的非線性變形；為此，需要對(duì)精鑄型腔進(jìn)行多次修正，此方法勢(shì)必延長(zhǎng)葉片的研制周期。針對(duì)該問題，西北工業(yè)大學(xué)將反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想引入精鑄模具型腔優(yōu)化設(shè)計(jì)，在位移場(chǎng)分析建模、反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面開展了大量研究工作，并取得明顯效果。

1.1 反變形方法

反變形方法的基本原理如圖4所示，其中R表示精鑄模具型腔初始模型，S表示變形后的渦輪葉片形狀，C表示補(bǔ)償后精鑄模具型腔模型[8]。令D代表葉片精鑄變形，則精鑄變形可表示為D=S-R。假定變形補(bǔ)償前后其精鑄變形完全一致，則補(bǔ)償后模型可表示為C=R-D。由此，可以推導(dǎo)得出型腔補(bǔ)償模型為C=R-（S-R）。

通過計(jì)算初始型腔模型和葉片變形模型之間的位移場(chǎng)，然后將位移場(chǎng)反向疊加至模具初始型腔，即可得到反變形補(bǔ)償后的模具型腔。因此，精鑄位移場(chǎng)的計(jì)算成為反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

1.2 精鑄位移場(chǎng)建模方法

目前，針對(duì)渦輪葉片精鑄位移場(chǎng)的建模，可分為基于逆向工程的方法及基于精鑄仿真的方法兩大類?；谀嫦蚬こ谭椒ǖ拇笾滤悸窞閇7]：通過引入先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)（高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、工業(yè)CT等），以實(shí)際葉片及模具型腔為對(duì)象，通過實(shí)際測(cè)量重構(gòu)出葉片及型腔型面，然后采用兩步配準(zhǔn)算法獲得葉片型面和型腔型面的最佳的空間變換關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出最佳空間變換關(guān)系時(shí)曲面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的法向偏差作為葉片凝固收縮位移場(chǎng)。

與此同時(shí)，在信息技術(shù)的推動(dòng)下，大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算不斷發(fā)展壯大[9]。數(shù)值仿真基于物理/數(shù)學(xué)模型，可高效、高置信度、低成本地對(duì)精鑄位移場(chǎng)進(jìn)行仿真。圍繞渦輪葉片精鑄位移場(chǎng)建模，文獻(xiàn)[10-11]基于ProCAST對(duì)精鑄過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，在給定物理邊界條件下得到了單晶渦輪葉片精鑄位移場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，通過光滑的二次函數(shù)回歸得到了位移場(chǎng)模型。

1.3 精鑄模具型腔反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)

在計(jì)算得到位移場(chǎng)模型后，接下來即可根據(jù)位移場(chǎng)進(jìn)行精鑄模具型腔的反變形優(yōu)化。由于渦輪葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，1.1節(jié)中的反變形模型很難通過一次補(bǔ)償?shù)玫嚼硐氲木?；為達(dá)到更高的精度，補(bǔ)償過程需要進(jìn)行迭代。文獻(xiàn)[10]中將位移場(chǎng)中的每一個(gè)元素看成是由收縮變形矢量、彎曲變形矢量、扭轉(zhuǎn)變形矢量以及隨機(jī)測(cè)量誤差矢量合成，通過調(diào)整渦輪葉片每個(gè)截面線的幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)了反變形優(yōu)化。然而，該方法需要進(jìn)行迭代，同時(shí)其反變形主要針對(duì)二維的截面線進(jìn)行。為克服上述問題，文獻(xiàn)[11]通過引入二次多項(xiàng)式，對(duì)離散位移場(chǎng)進(jìn)行回歸得到包含整個(gè)葉身的三維連續(xù)位移場(chǎng)模型，同時(shí)利用泰勒展開構(gòu)造了一個(gè)僅需一次補(bǔ)償?shù)姆醋冃蝺?yōu)化模型，計(jì)算結(jié)果表明，該方法在保證補(bǔ)償精度的同時(shí)，提高了精鑄模具型腔的優(yōu)化效率。

2 渦輪葉片壁厚精度控制方法

空心渦輪葉片壁厚是保證其強(qiáng)度以及冷卻效率的重要指標(biāo)，對(duì)葉片壽命具有決定性影響；研究表明，壁厚是導(dǎo)致葉片失效最主要原因之一[12]。因而，制備壁厚精度合格的精鑄蠟型是保證空心渦輪葉片壁厚的首要條件。精鑄蠟型壁厚主要依靠陶芯與蠟型模具的精確匹配進(jìn)行保證。為控制陶芯在充型過程的漂移，通常在模具中設(shè)計(jì)定位元件對(duì)陶芯空間位姿進(jìn)行約束及調(diào)整[13]。由于陶芯本身存在的制造誤差及定位元件的制造安裝誤差，將會(huì)在陶芯與模具的定位匹配過程中形成誤差累積，該誤差累積將最終反映在陶芯定位誤差上，進(jìn)而造成蠟型壁厚分布不均。

圖3 鑄件尺寸隨蠟型尺寸波動(dòng)Fig.3 Size variation of investment casting parts with wax patterns

圖4 反變形補(bǔ)償原理Fig.4 Reverse deformation compensation principle

針對(duì)該問題，文獻(xiàn)[14]通過分析陶芯定位誤差傳遞鏈，基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論建立了陶芯定位數(shù)學(xué)模型。基于該模型提出了陶芯定位誤差優(yōu)化模型，通過對(duì)模型的優(yōu)化求解，得到陶芯定位元件的優(yōu)化布局方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的定位方案可有效控制陶芯定位誤差的積累，保證陶芯定位精度。

渦輪葉片精鑄“控性”技術(shù)

完成精鑄“控形”后，接下來需要進(jìn)一步控制葉片的材料組織性能。由于合金成分及凝固工藝設(shè)計(jì)、控制等問題，定向凝固和單晶高溫合金鑄件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)雀斑、晶界、熱裂和縮松等缺陷，嚴(yán)重影響葉片服役性能。單晶高溫合金葉片中的凝固缺陷是葉片結(jié)構(gòu)、凝固工藝和合金內(nèi)稟凝固特性共同作用的結(jié)果[5]。采用優(yōu)化的鑄造技術(shù)可以有效防止或減輕凝固缺陷，研究認(rèn)為，高溫度梯度LMC定向凝固技術(shù)不僅可以采用更快的下降速度提高生產(chǎn)效率，而且因?yàn)闇p少甚至消除單晶雀斑缺陷而提高鑄件屈服強(qiáng)度，并不會(huì)形成斷晶等缺陷。同時(shí)，針對(duì)葉片緣板及葉冠等結(jié)構(gòu)突變位置容易產(chǎn)生雜晶等凝固缺陷的問題，可采用引晶條、導(dǎo)熱體等方式控制缺陷的產(chǎn)生[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)渦輪葉片鑄造缺陷進(jìn)行了廣泛的研究，對(duì)各種缺陷的產(chǎn)生機(jī)理有了一定認(rèn)識(shí)。但是，由于凝固機(jī)理的復(fù)雜性及鑄造工藝的影響，研究人員對(duì)各種缺陷形成的機(jī)制認(rèn)識(shí)仍有待進(jìn)一步加深。未來，需要從工藝過程控制優(yōu)化的角度對(duì)精鑄“控性”進(jìn)行更為全面細(xì)致的研究。

渦輪葉片精密成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)已發(fā)展了四代并逐漸向第五代跨越，渦輪前進(jìn)口溫度也由最初的930～1030℃上升至1580～1700℃。為應(yīng)對(duì)不斷升高的渦輪前溫度，渦輪葉片在材料、結(jié)構(gòu)、工藝3個(gè)方面都發(fā)生著深刻的變革，如圖5所示：（1）在材料方面，渦輪葉片材料從等軸晶發(fā)展到了單晶；（2）在結(jié)構(gòu)方面，從實(shí)心發(fā)展到復(fù)雜空心乃至超冷結(jié)構(gòu)；（3）在工藝方面，為配合材料、結(jié)構(gòu)的變革，發(fā)展出了多種先進(jìn)的成形工藝。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比要求的進(jìn)一步提高，渦輪葉片將朝著更耐高溫、更輕質(zhì)方向發(fā)展。高溫合金的使用溫度正在接近極限，因此，新材料、新結(jié)構(gòu)渦輪葉片的發(fā)展勢(shì)在必行，這為渦輪葉片精密成形技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1 渦輪葉片新材料

圖5 渦輪葉片發(fā)展歷程Fig.5 Roadmap for turbine blade

第五代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度預(yù)計(jì)將高達(dá)1930℃，在高溫合金承溫能力達(dá)到極限的情況下，發(fā)展高溫合金的替代材料變得尤為迫切。針對(duì)高壓渦輪葉片，近期的解決方案為超單晶合金及定向共晶合金，遠(yuǎn)期方案則為陶瓷基復(fù)合材料。目前，陶瓷基復(fù)合材料在航空渦輪葉片上的應(yīng)用尚處于起步階段，技術(shù)成熟度較低，其結(jié)構(gòu)、材料、工藝一體化的研究尚待進(jìn)一步加強(qiáng)。但是，需要指出的是耐溫1370℃的陶瓷基復(fù)合材料已在中等載荷發(fā)動(dòng)機(jī)零件上試驗(yàn)驗(yàn)證，未來更高耐溫能力的陶瓷基復(fù)合材料也在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究開發(fā)，其應(yīng)用前景十分光明。

針對(duì)低壓渦輪葉片，由于其工作溫度相對(duì)較低，因此為金屬間化合物的應(yīng)用提供了有利條件。一般金屬間化合物的使用溫度為930～1130℃，同時(shí)具有較低的密度。在應(yīng)用方面，美國(guó)通用電氣公司（GE）將在近期采用TiAl合金作為低壓導(dǎo)向渦輪葉片的材料。

上述包括陶瓷基復(fù)合材料、金屬間化合物在內(nèi)的新材料開發(fā)應(yīng)用都存在技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步提高，制造成本有待進(jìn)一步降低的問題；因此，近期高溫單晶合金仍然是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主導(dǎo)材料。

2 渦輪葉片新結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)可使渦輪葉片承受更高的進(jìn)口溫度。目前，渦輪葉片采用的冷卻技術(shù)包括：氣膜冷卻、沖擊冷卻、擾流柱強(qiáng)化換熱、肋壁強(qiáng)化換熱等?？偟貋砜?，氣冷結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪前進(jìn)口溫度的提升貢獻(xiàn)率達(dá)到了70%。

然而，常規(guī)冷卻方式冷卻系數(shù)較低的問題成為制約渦輪前進(jìn)口溫度進(jìn)一步提升的關(guān)鍵瓶頸；為此，需要發(fā)展新型的發(fā)散冷卻技術(shù)。與常規(guī)冷卻方式相比，發(fā)散冷卻集沖擊冷卻、對(duì)流冷卻和氣膜冷卻于一體，具有冷卻空氣消耗量少、冷卻效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于早期的發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)不利于制造，同時(shí)存在積炭及表面氧化等問題，導(dǎo)致其實(shí)用性較差。近年來，國(guó)內(nèi)外研究探索了多種“類發(fā)散冷卻技術(shù)”，如 Transply、Lamilloy、Effusion等高效冷卻結(jié)構(gòu)[15]。

3 渦輪葉片成形新工藝

渦輪葉片新材料、新結(jié)構(gòu)的發(fā)展必然導(dǎo)致其成形工藝的變革。在新材料方面，以F136發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪3級(jí)陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)向葉片為例，其耐溫能力達(dá)1200℃，重量?jī)H為鎳合金的1/3，該導(dǎo)向葉片不再采用精密鑄造工藝進(jìn)行制造，而是基于化學(xué)氣相滲透法等方法進(jìn)行制備[16]。 同樣，葉片結(jié)構(gòu)形式的變化也會(huì)導(dǎo)致其制造工藝的變化，如多孔層板Lamilloy結(jié)構(gòu)，Allison公司為此發(fā)明了所謂的鑄冷（Castcool）制造技術(shù)，冷卻通道利用澆鑄成形加工，從而有效控制其制造成本。此外，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展及成熟，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于渦輪葉片精密成形成為一大發(fā)展趨勢(shì)，如GE利用電子束熔覆（Electron Beam Melting,EBM）技術(shù)生產(chǎn)低壓渦輪葉片；此外，3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于精鑄蠟型、陶瓷鑄型等的制造[17]，這些都為復(fù)雜空心葉片制作探索了新的工藝方法。未來，需要進(jìn)一步圍繞陶瓷基復(fù)合材料葉片的成形工藝開展研究工作。

結(jié)論

渦輪葉片對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能具有重要影響，其精密成形技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。渦輪葉片精鑄工藝流程復(fù)雜，成品率極低，是制約新機(jī)研制的“瓶頸”問題之一。本文對(duì)渦輪葉片精密成形技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析展望：

（1）目前，渦輪葉片主要以單晶高溫合金作為基體材料，采用熔模精密鑄造工藝進(jìn)行成形，存在尺寸超差和材料組織性能較低的問題。為此，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善渦輪葉片精鑄“控形”和“控性”技術(shù)，從而提升單晶空心渦輪葉片精鑄成形品質(zhì)。

（2）為進(jìn)一步提高渦輪葉片承溫能力，在新材料體系并未發(fā)展成熟的情況下，近期需要重點(diǎn)發(fā)展下一代單晶高溫合金材料，在葉片結(jié)構(gòu)上采用發(fā)散冷卻技術(shù)，由此需要提升雙層壁結(jié)構(gòu)渦輪葉片的精鑄成形工藝成熟度，實(shí)現(xiàn)高效氣冷葉片的裝機(jī)。

（3）在高溫合金達(dá)到承溫極限的情況下，耐高溫陶瓷基復(fù)合材料將成為未來渦輪葉片首選材料，對(duì)其成形工藝及材料性能的研究將是單項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)，陶瓷基復(fù)材葉片的材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化設(shè)計(jì)制造可進(jìn)一步提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能。

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