商用渦扇航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)

新一代航空發(fā)動機(jī)的研制越來越多地依賴材料和制造技術(shù)的進(jìn)步。高性能航空發(fā)動機(jī)研制的迫切需求將促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)獲得新的突破。中國航發(fā)商發(fā)以“兩機(jī)”專項為契機(jī)，明確目標(biāo)、聚焦瓶頸、集智攻關(guān)、加速成熟，助力我國商用大涵道比渦扇航空發(fā)動機(jī)早日實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

新型航空發(fā)動機(jī)研制是我國實現(xiàn)從制造大國向制造強(qiáng)國成功轉(zhuǎn)型的標(biāo)志之一，在“中國制造2025”十大重點領(lǐng)域規(guī)劃中占據(jù)重要地位。隨著國產(chǎn)商用大涵道比渦扇航空發(fā)動機(jī)研制的不斷深入，開展商用渦扇航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)研究，對保障項目工程化研制順利推進(jìn)具有重要意義。

新一代商用航空發(fā)動機(jī)研制的主要特點與挑戰(zhàn)

與現(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)相比，新一代航空發(fā)動機(jī)的燃油消耗率、噪聲裕度、NOx排放、增壓比、渦輪前溫度等指標(biāo)均有很大提升。為了滿足日趨嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)要求，需要新的設(shè)計、選材、制造等方面的關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行支撐。例如，LEAP發(fā)動機(jī)風(fēng)扇部件采用鈦合金包邊復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣和空心出口導(dǎo)向葉片（OGV），壓氣機(jī)采用鈦合金整體葉盤，燃燒室采用雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒技術(shù)，NOx排放量同現(xiàn)有CAEP/6要求相比降低約50%，渦輪部件采用陶瓷基復(fù)合材料渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片及高溫涂層技術(shù)；PW1000G發(fā)動機(jī)采用輕質(zhì)風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，壓氣機(jī)采用刷式密封，燃燒室采用浮壁技術(shù)，渦輪采用指尖密封等技術(shù)；遄達(dá)XWB發(fā)動機(jī)采用鈦合金寬弦后掠空心風(fēng)扇葉片，輕量級鈦合金風(fēng)扇機(jī)匣，單環(huán)貧油混合燃燒室，第三代單晶高壓渦輪導(dǎo)向葉片，鈦鋁（TiAl）合金葉片低壓渦輪導(dǎo)向葉片等。

新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用對商用航空發(fā)動機(jī)的制造技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)越來越多地使用了整體結(jié)構(gòu)、空心結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和耐高溫結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，并開始采用高溫鈦合金、單晶高溫合金、金屬間化合物、陶瓷基復(fù)合材料等新型材料。此外，短艙部件具有尺寸大、壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，國內(nèi)制造成熟度較低，加工變形、殘余應(yīng)力控制方面也具有一定困難。

商用航空發(fā)動機(jī)的研制還要接受適航法規(guī)的挑戰(zhàn)。制造標(biāo)準(zhǔn)的建立與驗證、產(chǎn)品加工的符合性、制造過程的質(zhì)量穩(wěn)定性等，都需要滿足適航規(guī)章的嚴(yán)格要求。高性能、高可靠、長壽命、低噪聲、低排放和低成本，是新一代航空發(fā)動機(jī)研制的基本特征，標(biāo)準(zhǔn)適用、過程受控、證據(jù)充分是對產(chǎn)品制造過程的基本要求。

制造技術(shù)管理也面臨新挑戰(zhàn)。設(shè)計、材料、工藝的正向研發(fā)并行推進(jìn)，制造技術(shù)研究與技術(shù)管理也面臨著多方案攻關(guān)構(gòu)型管控難度大、試驗驗證資源沖突、迭代提升周期緊張等實際問題。

國產(chǎn)商用渦扇航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)研究進(jìn)展

為了提高產(chǎn)品的國際競爭力，國產(chǎn)商用渦扇發(fā)動機(jī)研制也具有自身的特點。在新結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，風(fēng)扇部件采用外涵OGV與支板融合設(shè)計、樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片及包容機(jī)匣；高壓壓氣機(jī)采用低輪轂比設(shè)計與雙級整體葉盤來提升效率、減輕質(zhì)量；燃燒室部件采用增材制造燃油噴嘴、沖擊—發(fā)散雙層帶涂層異形冷卻氣膜孔等結(jié)構(gòu)；渦輪部件采用新一代三維氣動設(shè)計技術(shù)、盤軸一體化結(jié)構(gòu)、主動間隙控制、高升力葉型設(shè)計等技術(shù)。在新材料應(yīng)用方面，壓氣機(jī)盤、篦齒盤及高壓渦輪盤采用新型粉末冶金材料；高低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片、導(dǎo)向葉片采用先進(jìn)單晶材料及TiAl合金材料；短艙系統(tǒng)50%零組件采用復(fù)合材料等。在新工藝應(yīng)用方面，主要涉及增材制造、復(fù)合材料制造、焊接及特種加工、高效數(shù)控加工、表面工程、微尺度、弱結(jié)合缺陷無損檢測、智能化裝配工藝等。在共性基礎(chǔ)技術(shù)方面，主要涉及的工藝設(shè)計一體化、抗疲勞制造、邊緣處理、多余物與清潔度控制、禁限用工藝等都獲得初步應(yīng)用。

增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)具有提升設(shè)計自由度、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、縮短研制周期等特點。目前，已經(jīng)實現(xiàn)燃油噴嘴、中央傳動齒輪箱（IGB）機(jī)匣、軸承座等的研制，為國產(chǎn)商用航空發(fā)動機(jī)研制在結(jié)構(gòu)整合、性能提升、降低成本、縮短周期方面發(fā)揮了重要作用，典型零部件如圖1所示。存在的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、缺乏增材制造零件適航經(jīng)驗等。后續(xù)主要工作方向是完善增材制造相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)適航驗證工作。

圖1 增材制造的典型零部件

復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)

復(fù)合材料具有抗疲勞、耐腐蝕、質(zhì)量輕、可設(shè)計性強(qiáng)等特點。歷經(jīng)多年技術(shù)攻關(guān)，已實現(xiàn)風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇流道板、風(fēng)扇包容機(jī)匣等的裝機(jī)應(yīng)用，典型零部件如圖2所示。主要改進(jìn)方向是進(jìn)一步提升復(fù)雜型面零件成形精度，完成符合性驗證工作。

圖2 復(fù)合材料典型零部件

焊接及特種加工技術(shù)

摩擦焊技術(shù)。該技術(shù)具有接頭綜合機(jī)械性能好、工藝性強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定、適用異種材料焊接等特點。針對商用航空發(fā)動機(jī)的研制需求，國內(nèi)研究院所已經(jīng)完成了大噸位摩擦焊設(shè)備研制、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件、高壓渦輪盤軸組件、空心OGV等試制及考核驗證等工作，典型零部件件如圖3所示。后續(xù)工作重點是積累批量接頭性能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高焊接尺寸精度和穩(wěn)定性。

圖3 典型的摩擦焊設(shè)備及零部件

真空電子束焊接技術(shù)。電子束焊接具有接頭性能高、焊縫熱影響區(qū)及焊接變形小、工藝穩(wěn)定等特點，已在靜子組件、壓氣機(jī)組件、機(jī)匣組件等關(guān)鍵承力部件研制中獲得應(yīng)用。后續(xù)工作重點是圍繞減輕質(zhì)量要求，開展新材料、異種材料變截面結(jié)構(gòu)的焊接，優(yōu)化焊接工藝，減少焊接變形。

真空釬焊技術(shù)。主要技術(shù)特點是焊縫質(zhì)量好、變形小，可用于復(fù)雜、精密結(jié)構(gòu)件的批量焊接，已經(jīng)應(yīng)用于單晶渦輪葉片、燃油噴嘴、蜂窩封嚴(yán)等組件的研制。后續(xù)將進(jìn)一步提高接頭性能，實現(xiàn)減輕質(zhì)量的設(shè)計優(yōu)化是后續(xù)重點的改進(jìn)方向。

精密電火花加工技術(shù)。電火花加工技術(shù)具有加工過程無機(jī)加應(yīng)力、加工效率高等特點，特別適用于常規(guī)加工難以實現(xiàn)的細(xì)微孔、狹窄凹槽的加工。例如，葉片氣膜孔、封嚴(yán)槽、蜂窩磨削等加工。其主要不足是加工表面存在重熔層及熱影響區(qū)等缺陷，限制了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。后續(xù)工作重點是開展整體鑄造葉片異形氣膜孔高效自適應(yīng)加工技術(shù)開發(fā)、雙層壁葉片對壁擊傷防護(hù)與控制等工作。

超快激光加工技術(shù)。超快激光加工技術(shù)具有加工效率高、無重熔層、無裂紋等特點。目前，已經(jīng)實現(xiàn)熱端部件渦輪葉片、燃燒室氣膜孔的加工，典型零部件如圖4所示。后續(xù)重點是開展帶涂層異形氣膜孔加工裝備的國產(chǎn)化研制與應(yīng)用工作，降低加工成本，提高加工效率。

圖4 超快激光加工典型零部件

精密數(shù)控加工技術(shù)

精密數(shù)控加工技術(shù)具有響應(yīng)快、精度高、柔性好、質(zhì)量穩(wěn)定等特點。在商用發(fā)動機(jī)新結(jié)構(gòu)、新材料加工方面，已經(jīng)實現(xiàn)大量應(yīng)用，如雙級整體加工（見圖5）、鈦合金包邊等難加工、大尺度、弱剛性構(gòu)件的加工。后續(xù)重點是開展自適應(yīng)數(shù)控加工技術(shù)，多軸聯(lián)動與車銑復(fù)合數(shù)控加工技術(shù)，高精密大行程數(shù)控加工專機(jī)、專線研制等工作，進(jìn)一步提高加工效率，降低制造成本。

圖5 精密數(shù)控加工典型零部件

涂層制備技術(shù)

涂層制備技術(shù)在延長發(fā)動機(jī)壽命、提高性能可靠性、降低耗油率方面發(fā)揮著不可或缺的獨(dú)特作用。熱障涂層、封嚴(yán)涂層、耐磨涂層主要應(yīng)用于渦輪葉片、燃燒室等關(guān)鍵部件的研制過程。存在的突出問題是涂層壽命低，難以滿足商用航空發(fā)動機(jī)的研制要求。主要改進(jìn)方向是開發(fā)更高耐溫能力的新型熱障涂層材料及工藝，推進(jìn)大功率電子束物理氣相沉積設(shè)備國產(chǎn)化，實現(xiàn)長壽命單晶葉片熱障涂層設(shè)備自主保障，建立適用于商用發(fā)動機(jī)模擬環(huán)境的熱障涂層考核驗證平臺，開展各類涂層性能的考核驗證，逐步提高涂層壽命。

特殊典型結(jié)構(gòu)的工藝集成應(yīng)用技術(shù)

在商用渦扇航空發(fā)動機(jī)研制中，還有一類零件，具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、精度要求高的特點，超出國內(nèi)現(xiàn)有發(fā)動機(jī)零部件加工能力范圍。針對這一類特殊典型結(jié)構(gòu)的研制需求，在研制過程通過聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢研究院所開展工藝集成應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)，基本滿足了型號階段研制需要。例如，采用突破大尺寸雙曲率非回轉(zhuǎn)體變截面薄壁鋁合金短艙唇口制造技術(shù)，該件最大輪廓超過2.5m，最小壁厚為1.6mm，面輪廓度要求1mm，厚度公差為±0.3mm；采用增材制造與精密數(shù)控加工完成大尺寸復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的油路適配器的研制；突破大尺寸薄壁焊接結(jié)構(gòu)承力渦輪機(jī)匣制造技術(shù)等，典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。后續(xù)工作重點是穩(wěn)定工藝、提高效率、降低成本。

圖6 特殊典型結(jié)構(gòu)的工藝集成技術(shù)應(yīng)用

加速關(guān)鍵制造技術(shù)突破與成熟的思考及建議

經(jīng)過多年研制的迭代，我國商用渦扇航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)取得了長足進(jìn)步，基本保障了項目研制的階段需求。但是，對標(biāo)適航認(rèn)證、商業(yè)化的需求，關(guān)鍵制造技術(shù)與國際先進(jìn)水平還存在不小差距。加之，在進(jìn)一步減輕質(zhì)量及優(yōu)化方面的設(shè)計需求，還將給制造技術(shù)帶來新的更大挑戰(zhàn)。

為此，我國商用渦扇航空發(fā)動機(jī)研發(fā)堅持任務(wù)牽引、系統(tǒng)策劃、聚焦瓶頸、迭代提升的總體思路，以系統(tǒng)工程理論、技術(shù)軌道理論、技術(shù)成熟度理論、先進(jìn)工藝管理理論為技術(shù)支撐，充分挖掘工藝資源環(huán)境條件的潛力，立足自主、吸收借鑒、夯實技術(shù)基礎(chǔ)，大力推進(jìn)關(guān)鍵制造技術(shù)各專業(yè)學(xué)科的分類研究，不斷提高技術(shù)成熟度。

中國航發(fā)商發(fā)結(jié)合型號分階段研制進(jìn)程，不斷推進(jìn)瓶頸環(huán)節(jié)技術(shù)措施與技改落地，支撐制造成熟度的不斷提升，以制造體系保障能力提升作為主要評價指標(biāo)，構(gòu)建完善的管控平臺，實現(xiàn)型號制造技術(shù)管理相關(guān)方法、工具、流程、標(biāo)準(zhǔn)、工程數(shù)據(jù)庫等技術(shù)資源的有機(jī)關(guān)聯(lián)，加速制造技術(shù)突破、成熟，為型號研制提供堅實的關(guān)鍵制造技術(shù)保障。

結(jié)束語

制造技術(shù)是航空發(fā)動機(jī)研制的重要基礎(chǔ)，航空發(fā)動機(jī)性能的提升以及新一代航空發(fā)動機(jī)的研制，越來越多地依賴材料和制造技術(shù)的進(jìn)步。同時，在高性能航空發(fā)動機(jī)研制的迫切需求的牽引之下，也必將促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)獲得新的突破，邁向更高水平。