航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造及再制造技術(shù)研究

劉國(guó)庫(kù)，王 威

（海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)某軍事代表室，沈陽(yáng) 110043）

近年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)的航空事業(yè)的高速發(fā)展和進(jìn)步，我國(guó)的航空工業(yè)進(jìn)行了大力的投入、并且進(jìn)行了大量的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)及新技術(shù)的研究和攻關(guān)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率的大幅度提升，其中葉片部件是核心，因此航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的關(guān)鍵制造技術(shù)一直以來(lái)都是廣大科研工作者重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目，葉片部件最終產(chǎn)品的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)。因此大力投入科研力量，顯著提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造技術(shù)水平，進(jìn)而大幅度提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和可靠性，必將顯著推動(dòng)我國(guó)的航空工業(yè)取得跨越式發(fā)展和進(jìn)步。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高壓及高速的“三高”狀態(tài)下運(yùn)行，因?yàn)槎喾N隨機(jī)載荷及高溫氣體的作用與侵蝕，導(dǎo)致其耐磨程度、抗疲勞能力顯著降低，甚至還會(huì)發(fā)生裂損等問(wèn)題。早期葉片部件的再制造技術(shù)沒(méi)有獲得有效的推廣，導(dǎo)致一般情況下的損傷葉片無(wú)法有效獲得修復(fù)，只能報(bào)廢，造成了比較嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片部件的分類(lèi)及主要作用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置是整個(gè)飛行器的核心，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中，通過(guò)的氣流在其內(nèi)部的主要過(guò)程是進(jìn)入進(jìn)氣道→風(fēng)扇→壓氣機(jī)→燃?xì)馐摇鷾u輪→尾噴口（圖1）。上述幾個(gè)部件之中，壓氣機(jī)裝置、燃?xì)馐壹皽u輪部件都很重要，其中最重要并且數(shù)量較多的一類(lèi)零部件是葉片，因其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一直以來(lái)都是航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中加工難度最大的零部件[1]。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.1 葉片的主要分類(lèi)

根據(jù)結(jié)構(gòu)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可分成燕尾榫頭類(lèi)型的葉片、方榫頭類(lèi)型的葉片、樅樹(shù)榫頭類(lèi)型的葉片、軸類(lèi)葉片及銷(xiāo)釘榫頭類(lèi)型的葉片等種類(lèi)。按照功能可分成壓氣機(jī)裝置的葉片與渦輪裝置的葉片。根據(jù)氣流的溫度場(chǎng)分布可分成低壓葉片、高壓葉片等。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)可以分成不銹鋼材質(zhì)的葉片、鋁合金材質(zhì)的葉片、高溫合金材質(zhì)的葉片及復(fù)合材質(zhì)類(lèi)型的葉片等。通常在燃?xì)廨啓C(jī)中的葉片主要是不銹鋼材質(zhì)的，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中的葉片以鈦合金材質(zhì)與高溫合金材質(zhì)為主，某些情況下可能使用鋁合金材質(zhì)的葉片。

1.2 葉片的主要作用

一般來(lái)講，壓氣機(jī)裝置與渦輪部件是用于實(shí)現(xiàn)氣流轉(zhuǎn)換功能及轉(zhuǎn)換氣流運(yùn)動(dòng)方向的功能。為此，配置在壓氣機(jī)裝置中的葉片部件是具備增壓能力的零部件，飛行器工作的時(shí)候，空氣通過(guò)進(jìn)氣道流入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，壓氣機(jī)裝置上的葉片實(shí)現(xiàn)將空氣壓縮的效果，此時(shí)內(nèi)部的氣流壓力及溫度數(shù)值發(fā)生顯著增大，使之符合進(jìn)入燃燒室的要求。渦輪上的葉片部件具備減壓的能力，能夠?qū)⑷細(xì)膺^(guò)程發(fā)出的能量轉(zhuǎn)化成為渦輪的功進(jìn)行輸出。

2 葉片加工制造的主要材料

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)，主要取決于其中葉片部件的型面設(shè)計(jì)及加工制造的水平。一般來(lái)講，葉片的材質(zhì)需要具有合適的熱強(qiáng)性、抵抗高溫腐蝕的性能及抵抗高溫疲勞的相關(guān)性能，保證其在高溫環(huán)境下運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。

2.1 變形高溫合金葉片

此種材質(zhì)中如果增加鈦、鎢等元素，可以持續(xù)增加其材料性能，不過(guò)其熱加工性能將會(huì)有所降低。如果加入合金鈷后，能夠顯著改善其綜合性能并且增強(qiáng)其在高溫條件下的穩(wěn)定性能。

2.2 鑄造高溫合金葉片

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)中葉片結(jié)構(gòu)的造型日趨復(fù)雜化，葉片部件的品質(zhì)和性能都獲得了大幅度提高。鑄造高溫合金通常情況下多用在渦輪類(lèi)型葉片及導(dǎo)向類(lèi)型葉片的加工制造過(guò)程中。

2.3 超塑性成形鈦合金葉片

因?yàn)殁伜辖鸩馁|(zhì)是一種輕合金，其在高溫的環(huán)境中有比較優(yōu)秀的拉伸能力及疲勞強(qiáng)度比較高等優(yōu)勢(shì)。所以該材料多用于某些寬弦或者尺寸數(shù)值較大的壓氣機(jī)裝置的葉片上。

2.4 新型材料材質(zhì)的葉片

目前國(guó)內(nèi)外廣泛進(jìn)行了葉片新型材料的研究工作。目前定向凝固類(lèi)型的高溫合金、單晶狀態(tài)的高溫合金、陶瓷類(lèi)型的葉片材料等新型材料已經(jīng)大量應(yīng)用在葉片的加工制造領(lǐng)域。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片部件的關(guān)鍵加工制造技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)航空工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)動(dòng)機(jī)葉片部件的加工制造技術(shù)方面，其主流的葉片材質(zhì)是以金屬和復(fù)合材料為主，因此本文重點(diǎn)介紹這2類(lèi)材質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工制造過(guò)程，闡述目前國(guó)內(nèi)航空工業(yè)中有關(guān)葉片部件的加工制造方面的主要技術(shù)。

3.1 數(shù)控銑削的加工制造相關(guān)技術(shù)

通常來(lái)講，如果待加工的零件具有相對(duì)復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，加工的工序比較多，并且是尺寸精度要求相對(duì)比較高的情況，需要采用數(shù)控銑削加工的相關(guān)技術(shù)。因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片零件的加工過(guò)程中，廣泛采用數(shù)控銑削的加工方式，一般情況下采用多軸類(lèi)型的數(shù)控銑削機(jī)床來(lái)加工葉片的榫頭及葉身的曲面造型。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的數(shù)控加工過(guò)程是基于鍛造之后的毛坯件，通過(guò)粗加工過(guò)程、半精加工過(guò)程及精加工過(guò)程等多個(gè)流程和步驟，采用計(jì)算機(jī)為主的數(shù)控操作模式實(shí)施高速的加工制造和處理，最后能夠高質(zhì)量地完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的外形尺寸特性及零件表面完整程度。此種加工技術(shù)廣泛應(yīng)用在壓氣機(jī)裝置葉片的加工制造的過(guò)程之中[2]。數(shù)控銑削加工過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)控銑削加工過(guò)程

3.2 數(shù)控強(qiáng)力磨削加工制造技術(shù)

數(shù)控加工制造的技術(shù)中，強(qiáng)力磨削方法是一類(lèi)在普通磨削技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的一類(lèi)新型的磨削加工制造方法。普通的磨削加工一般是應(yīng)用在精加工的流程之中，強(qiáng)力磨削技術(shù)則具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可以用在無(wú)需粗加工的情況，也可用在精細(xì)加工制造的環(huán)節(jié)。其能夠把精細(xì)加工及粗加工方式實(shí)施合理的融合，實(shí)現(xiàn)大幅度提升加工效率的目的。除此以外，針對(duì)某些難以加工的鎳基為主的耐熱合金材質(zhì)，使用數(shù)控強(qiáng)力磨削加工技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，此類(lèi)加工技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的熱端部位，比如渦輪裝置葉片及導(dǎo)向裝置葉片的加工和制造過(guò)程。

3.3 高速電火花小孔加工相關(guān)技術(shù)

高速電火花小孔加工相關(guān)技術(shù)，其主要的加工原理是在加工設(shè)備和待加工工件間持續(xù)地生成放電的電火花，依靠放電作用時(shí)出現(xiàn)的局部、瞬態(tài)的高溫效應(yīng)將金屬腐蝕和移除，加工設(shè)備上的工具電極部件進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給動(dòng)作，同時(shí)高壓的工作液會(huì)從電極的管內(nèi)向外噴射，快速把電化學(xué)的蝕物除去。這種加工技術(shù)一般用在渦輪裝置導(dǎo)向葉片零件冷卻用的氣膜孔結(jié)構(gòu)處的加工制造過(guò)程中。

3.4 高速拉削加工制造相關(guān)技術(shù)

高速拉削類(lèi)型的加工技術(shù)指的是應(yīng)用特殊的拉刀逐齒從待加工的零件上去除薄薄的一層金屬材料，最后使得零件的表面滿(mǎn)足較嚴(yán)格的尺寸精度及較高的粗糙度方面的要求，屬于一類(lèi)效率比較高的先進(jìn)加工制造技術(shù)。此類(lèi)技術(shù)一般用在批量比較大的零件的生產(chǎn)過(guò)程之中。適用于樅樹(shù)類(lèi)型的榫頭及燕尾類(lèi)型的榫頭部位的加工制造流程。

3.5 3D打印的增材類(lèi)型的加工制造技術(shù)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的葉片加工制造過(guò)程中應(yīng)用3D打印相關(guān)的技術(shù)，是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一類(lèi)新興的制造技術(shù)，和常規(guī)的葉片零件加工制造技術(shù)不同。3D打印技術(shù)的核心理念為“增材制造”的思路，和常規(guī)的“減材制造”類(lèi)型的加工工藝之間存在著本質(zhì)上的區(qū)別。3D打印相關(guān)加工技術(shù)具有非常多的優(yōu)勢(shì)，是可以把立體空間層面上的加工制作流程轉(zhuǎn)化成2D平面空間的相互疊加的一個(gè)制造流程，加工的過(guò)程可以完全擺脫模具及其他輔助工具，仍然可以加工形狀相對(duì)復(fù)雜的各類(lèi)零部件產(chǎn)品，執(zhí)行效率及最終成品的品質(zhì)都將獲得大幅度的提升[3]。常見(jiàn)的3D打印設(shè)備如圖3所示。

圖3 3D打印設(shè)備

4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片部位的典型缺陷

4.1 損傷類(lèi)缺陷

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置的葉片部件在其工作的過(guò)程中將會(huì)受到離心類(lèi)型的載荷、氣動(dòng)類(lèi)型的載荷和振動(dòng)類(lèi)型的載荷等多類(lèi)外加載荷的復(fù)合作用，并且承受了高溫狀態(tài)的燃?xì)獾母g，在上述載荷的長(zhǎng)時(shí)間作用之下，出現(xiàn)裂紋、磨損、腐蝕及斷裂等損傷類(lèi)的缺陷。

4.2 附著類(lèi)缺陷

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作的過(guò)程之中，由于其受到多種外在載荷及高溫燃?xì)夤餐饔?，長(zhǎng)時(shí)間以后在葉片的表面邊緣位置可能會(huì)因?yàn)闊Y(jié)效應(yīng)而出現(xiàn)積垢的結(jié)構(gòu)，這樣的現(xiàn)象也稱(chēng)為積碳。積碳增多之后將會(huì)顯著改變?nèi)~片零件的外形、大幅度降低葉片零件的表面品質(zhì)，最終嚴(yán)重影響葉片的空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的性能及熱力學(xué)方面的性能。并且長(zhǎng)久累積的積碳，隨著厚度值的持續(xù)增大，將會(huì)嚴(yán)重影響渦輪的效率，并且其還會(huì)掩蓋葉片零件的表面損傷問(wèn)題，對(duì)于葉片的修理和檢測(cè)工作帶來(lái)不利影響。

5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片部件的再制造相關(guān)技術(shù)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片零件的再制造相關(guān)技術(shù)，主要可以分成增材類(lèi)型的再制造相關(guān)技術(shù)和減材類(lèi)型的再制造相關(guān)技術(shù)這2大類(lèi)。

5.1 增材類(lèi)型的再制造相關(guān)技術(shù)

（1）激光熔覆：應(yīng)用高能類(lèi)型的激光束進(jìn)行輻照操作，讓熔覆層的材質(zhì)和基體材料的表面薄層共同發(fā)生熔化反應(yīng)，之后再迅速凝固成熔覆層的一類(lèi)加工方法，可以實(shí)現(xiàn)損傷零件的修復(fù)工作，而且具有提升零件表面的耐磨及耐腐蝕指標(biāo)的作用。

（2）焊接：如果根據(jù)葉片再造過(guò)程中母材是否熔化來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)，可將葉片焊接再制造的方法分成固相焊（母材保持原始的固態(tài)不發(fā)生改變）及熔焊（母材發(fā)生熔化）。固相焊：采用相應(yīng)手段把裂紋處的多余物清理干凈，之后在裂紋處設(shè)置焊料，應(yīng)用高溫的條件讓焊料熔化之后填滿(mǎn)裂紋的縫隙，并且使之與基體進(jìn)行嚴(yán)密的連接。熔焊：主要代表是等離子弧焊，等離子弧焊接的方法具有能量密度相對(duì)集中、熔透能力比較強(qiáng)及焊接過(guò)程的質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，并且焊后的機(jī)械加工的工作量比較小，工作效率比較高。

5.2 減材類(lèi)型的再制造相關(guān)技術(shù)

5.2.1 水基類(lèi)型清洗法

采用水基類(lèi)型的清洗劑，配合助洗劑及防銹劑等添加劑，這種方法的主要機(jī)理是應(yīng)用表面活性劑具有的吸附效應(yīng)降低污垢和水溶液間的表面張力數(shù)值，結(jié)合機(jī)械類(lèi)型的攪拌、超聲波等方法的輔助效應(yīng)來(lái)除去表面的污垢、積碳等。

5.2.2 物理去除法

主要有手工拋光方法，不過(guò)由于精度比較低，后期已經(jīng)被新方法所取代。新的機(jī)械物理去除方法主要有：①吹砂。通過(guò)壓縮空氣把磨料噴射到葉片表面去除表面的附著物的方法。②磨料流光整加工。在黏彈性流體或黏性流體中摻入磨料，在壓力下流過(guò)葉片表面進(jìn)行的光整方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝置中葉片的主流制造技術(shù)，并且對(duì)于葉片的再制造技術(shù)進(jìn)行介紹。為適應(yīng)未來(lái)航空產(chǎn)業(yè)的變革，大力提升葉片等關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)是一項(xiàng)非常必要的任務(wù)，值得廣大科研人員不懈努力。