現代航空發動機整體葉盤及其制造技術
2014-1-20 來源：數控機床市場網 作者：黃春峰
[ 摘要] 整體葉盤是現代航空發動機的一種新型結構部件, 對于提高其性能具有重要作用。本文主要介紹了航空發動機整體葉盤結構的特點、應用現狀、發展趨勢及其制造技術。
關鍵詞: 發動機結構 整體葉盤 特種加工 制造技術
現代航空發動機的結構設計和制造技術是發動機研制、發展、使用中的一個重要環節, 為滿足以 F119、F120、 EJ200 為標志的第 4 代戰斗機用發動機以及未來高推比新概念發動機的性能要求, 除采用先進技術減少飛機機體結構、機載設備的重量外, 關鍵是要求發動機的推重比達到 10 這一級, 重點突破發動機部件的氣動、結構設計、材料、工藝等方面的關鍵技術。其中,在發動機風扇、壓氣機、渦輪上采用整體葉盤(Blisk) 結構( 包括整體葉輪、整體葉環) 是重要措施。
1 整體葉盤結構的特點
(1) 整體葉盤是航空發動機的一種新型結構部件,它與常規葉盤連接相比有以下特點:·不需葉片榫頭和榫槽連接的自重和支撐這些重量的結構, 減輕了發動機風扇、壓氣機、 渦輪轉子的重量。英國 R· R 公司在發動機中采用整體葉盤結構后, 與傳統的葉片、輪盤分體結構相比, 重量可減輕50%; 若采用金屬基復合材料 (MMC) 的整體葉環(Bling), 則可減重 70%。·原輪緣的榫頭變為鼓筒; 盤變薄, 其內孔直徑變大; 消除了盤與榫頭的接觸應力, 同時也消除了由于榫頭安裝角引起的力矩產生的擠壓應力; 減輕了盤的重量, 提高了葉片的振動頻率。
·整體葉盤可消除常規葉盤中氣流在榫根與榫槽間縫隙中逸流造成的損失, 使發動機工作效率增加, 從而使整臺發動機推重比顯著提高。
·由于省去了安裝邊和螺栓、螺母、鎖片等連接件, 零件數量大大減少, 避免了榫頭、榫槽間的微動摩損、微觀裂紋、鎖片損壞等意外事故, 使發動機工作壽命和安全可靠性大大提高。
·如整體葉盤葉片損壞, 為避免拆換整個轉子, 將整體葉盤與其他級用螺栓相連, 形成可分解的連接結構。
·由于高壓壓氣機葉片短而薄, 葉片離心力較小,輪緣徑向厚度小, 采用整體葉盤結構減重不顯著。例如F414發動機的高壓壓氣機, 前3級采用整體葉盤后重量只減少3.632kg;而兩級風扇采用整體葉盤減重20.43kg, 因此EJ200發動機的高壓壓氣機僅第一級采用整體葉盤結構。
(2) 航空發動機整體葉盤結構在研究發展中也存在一些問題。
·整體葉盤加工困難, 只有制造技術發展到一定水平后, 整體葉盤的應用才成為可能。
·發動機在使用過程中, 轉子葉片常遇到外物打傷或因振動葉片出現裂紋, 整體葉盤要更換葉片非常困難, 有可能因為一個葉片損壞而報廢整個整體葉盤。因此風扇的第1、2級一般不用整體葉盤結構, 整體葉盤葉片的修理技術也是整體葉盤擴大應用必須解決的關鍵問題。
·由于整體葉盤的葉型復雜, 精度要求高, 葉型薄, 受力后變形大, 所以機械加工非常困難, 又因為齒數多、齒密, 所以加工量非常大。因此葉型加工是整體葉盤制造的主要工序。
2 整體葉盤結構的應用
隨著航空制造技術的不斷發展, 近年來整體葉盤結構在新研制航空發動機中已得到廣泛應用( 表 1)。
2.1 美國整體葉盤的應用
美國GE公司最早在20世紀70年代就在T700發動機的壓氣機上大量采用整體葉盤結構, 爾后又陸續將這一技術應用到CT7、CFE738、GE23A、YF120、F414和F110發動機上。YF120的2級風扇和5級高壓壓氣機全部采用整體葉盤結構的轉子, 風扇葉片采用低展弦比葉片, 其中第1級為空心葉片。F414的第2、3級風扇采用低展弦比葉片的串列轉子采用惰性氣體焊接的鈦合金(Ti17) 整體葉盤結構,且兩個整體葉盤還焊接在一起形成整體轉子, 使風扇轉子重量比F404減輕了20.41kg; 高壓壓氣機前3級也采用了整體葉盤, 第1、2級用Ti17合金制成, 且焊成一體, 第3級采用Inconel 718鎳基合金制成, 使壓氣機的重量減輕3.63kg。F404整臺發動機5級整體葉盤轉子比常規葉盤連接的零件減少了484個, 與原型機F404相比, 其推重比由7.5提高到9.1。由幾個整體葉盤前后串起焊成一體的設計, 是F414優于EJ200發動機的顯著特點, 它能進一步降低轉子的重量, 提高發動機耐久性。F110- GE- 129改型為F110- GE- 129R時, 即將3級風扇全改成寬弦葉片、整體葉盤結構, 零件數減少了2/3。由于風扇效率與空氣流量提高, 使發動機推力增加5.9%。如維持原推力, 則熱端部件壽命由4000TAC循環( 戰術空間循環) 提高到6000TAC循環。
90年代GE公司還研究了一種前掠葉片的整體葉盤結構風扇, 并在前掠氣動研究試驗臺(GESFAR) 上成功地進行了試驗。這種新型風扇部件具有高速、小展弦比、前掠葉片的特點, 整體葉盤由高強度鈦合金制成, 葉尖直徑約為508～ 635mm, 空氣流量約為100kg/s。試驗結果表明該風扇不僅減輕了重量, 而且比常規風扇的效率高4%, 其中尖部效率提高8%, 失速裕度提高3%～ 5%, 因而使發動機抗流場畸變能力提高80%。目前GE公司已將其安裝到IHPTET驗證機上進行了評估, 并將用于改進現役發動機, 如F414等。
80年代初, 美國P&W公司開始在PW5000發動機上使用和驗證風扇壓氣機整體葉盤結構, 目前已應用到F119和F100發動機上。P&W公司為先進戰術戰斗機ATF/F22研制的推重比為10的F119- PW- 100發動機, 3級風扇、6級高壓壓氣機的轉子, 全部采用了整體葉盤,是唯一一種在風扇與壓氣機中全部采用整體葉盤結構的發動機, 6級軸流高壓壓氣機整體葉盤的第1、2級為鈦合金, 葉片和輪盤用線性摩擦焊將其焊成一體; 第3～6級為粉末高溫合金, 葉片與輪盤的焊接采用了鍛接擴散連接技術。有的F119壓氣機轉子還采用ALLOY- C型阻燃鈦合金整體葉盤。ALLOY- C型鈦合金不但具有良好的阻燃性能, 而且具有良好的高溫變形、冷軋、延展、焊接和鑄造性能, 其鈑金成形延展率可達40%～ 50%。
在F100- PW- 229發動機改型(F100- PW- 229A) 中的第2～ 3級全部采用整體葉盤結構。 改型后的發動機在保持推力不變的情況下, 渦輪進口溫度降低49℃, 發動機的可靠性和壽命得到提高。在PW7000發動機方案中, 5級高壓壓氣機全部采用大后掠、高效率葉片的整體葉盤結構轉子。90年代初, P&W公司還研究了帶后掠葉片的整體葉盤結構的兩級風扇, 其尺寸和流量與F119的風扇的基本相同, 目前該葉片為后掠實心葉片,但將來可能采用空心的金屬葉片或復合材料葉片。該風扇效率比當時的IHPTET基準風扇的效率高50%左右, 每級風扇的壓比比IHPTET基準風扇的高30%, 不久將裝到IHPTET驗證機發動機上進行試驗驗證。
美國聯合攻擊機JSF的升力風扇也采用了整體葉盤結構, 這是迄今為止最大的整體葉盤, 外徑1.27m, 毛坯重1 500kg,成品重100kg。艾利遜公司1998年在XTC16/1A核心機上試驗了渦輪整體葉盤, 這是用鍛接工藝將單晶Lamilloy葉片粘接在粉末冶金盤上的,Lamilloy轉子葉片比常規氣膜冷卻葉片少用30%的冷卻空氣, 壽命增加100%, 整體葉盤結構減少重量25%～30%。據《航空周刊》最新報道, 美國P&W公司在IHPTET計劃下成功完成了XTC67/1先進發動機核心機的試驗。XTC67/1核心機壓氣機的第1級轉子、第3級靜子葉片采用了比強度高的γ 鈦鋁合金整葉片盤, 目的用于驗證IHPTET計劃第三階段的性能目標, 推重比要比F119發動機提高100%, 渦輪進口溫度提高204.5℃, 4級壓氣機的壓比比F119的6級壓氣機壓比還要高。該核心機在美國空軍阿諾德工程發展中心的J1試驗臺上進行了6批次試驗, 截至2003年4月累計時數28h。另外, 為滿足波音公司的B- 7E7飛機推進系統和成本目標, 美國P&W公司的基準發動機也將采用已驗證技術和先進制造技術。其中B- 7E7發動機前4級或前5級壓氣機將采用整體葉盤。P&W公司還將在美國空軍阿諾德工程發展中心(AEDC) 進行7E7發動機的高空模擬試驗, 累計試驗時數將達到15 000個工作循環。這項計劃已于2004年正式啟動。
2.2其他國家整體葉盤的應用
英國、德國、意大利和西班牙合作研制的EJ200發動機, 其3級風扇壓比為4.2, 最初只在遠離進口處的第3級風扇上采用了電子束焊接的整體葉盤結構, 后來在第2級也采用了整體葉盤結構, 目前第1級上也已采用整體葉盤結構, 并有可調進口導流葉片以保證有足夠的壓氣機喘振裕度。其材料為鈦合金, 用線性摩擦焊取代電子束焊制造整體葉盤。
在寶馬- R · R公司研制的BR715發動機上, 由于第1級風扇葉片采用了RB211- 535E發動機的寬弦無凸臺夾芯葉片, 塵砂進入極少。風扇后的兩級低壓( 增壓) 壓氣機都采用寬弦空心葉片的整體葉盤, 并將兩級焊成一體, 形成不可分散的連接結構, 這是整體葉盤在民用高涵道比發動機上首次應用。加工和修理整體葉盤結構除采用電子束焊外, R· R公司與MTU公司還共同開發了線性摩擦焊工藝。
法國國營航空發動機制造公司SNECMA在20世紀90年代初開展了一項為發展新型民用發動機核心機的技術驗證計劃, 即P.A.T計劃( 技術活動計劃, Plan Act~ion Technologies)。在該計劃中, 11級壓氣機中第8、9兩級采用了整體葉盤結構, 這實際上也是為整體葉盤結構在大型民用發動機中推廣進行的技術儲備與探索。
我國正在研制帶箍的整體葉盤結構, 目的是為了克服前掠葉片的顫振。這種葉片帶箍設計, 即葉片尖部加一個環帶, 這樣葉片振動受到了約束, 顫振可以消除; 但葉片箍的受力非常大, 一般金屬材料是無法承受的。利的。利用碳纖維可以承受極大的拉力這一特性,在金屬箍外面加繞碳纖維的復合材料, 葉片、盤及箍產生的離心力由碳纖維復合材料承擔。由于碳纖維復合材料密度只有 1.6～ 1.7g/cm3, 而鈦合金材料為 4.6g/cm3左右, 所以箍的重量不大。常規設計中, 葉片受的是拉伸應力, 現在帶箍葉片上半部受的是壓縮應力, 葉片受的應力下降, 所以葉片厚度可以下降很多, 盤的重量也可以大大下降, 重量大約是常規葉盤結構的50%。預計在不久的將來, 這項技術會普遍應用在航空發動機的風扇和高壓壓氣機設計中。
2.3 整體葉盤結構的發展趨勢
整體葉盤結構不僅應用在研制和改進中的發動機上, 而且還將用在未來推重比為15～ 20的高性能發動機上 ,如歐洲未來推重比15～ 20的發動機和美國的HPTET計劃中推重比為20的發動機, 在這些發動機上將采用效果更好的SiC陶瓷基復合材料或抗氧化的C/C復合材料制造整體渦輪葉盤。美國研制的C/C復合材料整體渦輪葉盤已在1 760℃環境中進行了地面超轉試驗。采用整體葉盤結構, 其轉子葉片必然要設計成抗外物損傷的葉片, 以減少維修次數費用。目前風扇和壓氣機整體葉盤結構的轉子葉片普遍采用小展弦比的鈦合金葉片, 有空心、實心、掠式和非掠式的; 而下一代推重比為15～ 20的發動機必將采用氣動性能先進的掠式、重量更輕的空心抗外物損傷能力強的小展弦比葉片, 如果可能, 也將用強度和剛性更好及密度更小的金屬基復合材料代替高溫鈦合金, 這樣可提高氣動性能和效率, 既滿足強度和可靠性要求, 又大大減輕重量, 使發動機推重比大大提高。
如果將整體葉盤中的輪盤部分去掉, 就成為整體葉環, 這時該件的重量將進一步降低。整體葉環直接固定在承力環上。由于缺少了承受負荷的輪盤, 整體葉環承受不了葉片的離心負荷, 為此, 整體葉環只能用密度較小的復合材料來制造。這種整體葉環的重量約為常規結構重量的30%, 目前, 正在研制的整體葉環是用連續單根碳化硅長纖維增強的Ti基復合材料 (TiMMC)制造的。TiMMC具有比強度、比剛度高, 使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優點。例如德國研制的SCS- 6SiC/IMI834復合材料的抗拉強度高達2 200MPa, 剛度達220GPa, 而且具有極為優異的熱穩定性, 在700℃溫度暴露2 000h后, 力學性能不降低。TiMMC葉環代替壓氣機盤, 可使壓氣機的結構重量減輕70%。
美國制造的TiMMC整體葉環已成功用在P&W的XTC- 65IHPTET驗證機的第3～ 4級壓氣機上, 由于材料和結構的先進性使轉子重量大大減輕, 如第3級整體葉環轉子重量只有4.5kg左右, 而常規鎳基合金制造的同樣轉子的實際重量為25kg。由于TiMMC復合材料只能承受477℃的溫度, 壓氣機不能在高溫環境下工作, 下一步將考慮用Al- Ti化合物(Ti3Al和TiAl) 作基體, 可耐溫927℃。英、法、德也研制了TiMMC葉環, 并成功地進行了臺架試驗, 用于改進EJ200的3級風扇、高壓壓氣機和渦輪, 以便為EJ200在21世紀推重比達15～ 20提供技術基礎。在我國與印度開展的國際合作項目中, 有一帶環箍的單級風扇試驗研究, 該風扇的設計參數為: 增壓比3.0, 葉尖切向速度470m/s, 有17片葉片, 外徑0.4m, 采用了帶外箍環的整體葉環結構 ( 只能用復合材料來制作), 目前印度已成功制造出該試驗件, 在國際上處于領先地位。
3 整體葉盤的制造技術
發動機整體葉盤的制造工藝和維修的復雜性是目前影響其應用和推廣的兩大因素。整體葉盤的機械制造加工面臨越來越強的挑戰。由于整體葉盤結構復雜,加工精度要求高, 尤其是葉片工作表面為空間自由曲面, 形狀極其復雜; 特別是為適應其高溫、高壓、高轉速的工作條件, 廣泛采用鈦合金、粉末高溫合金等高性能金屬材料和鈦基復合材料、鈦鋁化合物基復合材料等先進復合材料, 因此影響了材料的可加工性, 傳統的機械加工方法已難以勝任, 必須應用現代特種制造加工技術, 探索研究出更加高效、可靠的加工工藝方法。整體葉盤從結構設計上分為整體式和焊接式兩類。整體式整體葉盤制造依賴于精密制坯技術、特種加工技術和數控機床的發展; 焊接式把復雜、困難的葉型加工改變成單個葉片的葉型加工, 但增加焊接工序, 焊接的精度和焊縫質量與整體葉盤的性能和工作可靠性密切相關。因此, 焊接工序只能采用先進、精密的焊接工藝, 如電子束焊、線性摩擦焊、真空固態擴散連接等。
目前, 制造整體葉盤有以下5種技術途徑。
3.1 精密制坯技術
現代精密制坯技術( 精密鑄造和鍛造) 的發展日臻完善。精密鑄造和精密鍛造采用CATIA軟件、預測模型和計算機模擬技術實現了“實體造型” 以及鑄、鍛過程用計算機模擬仿真, 這些技術提高了金屬填充和凝固質量, 消除了疏松, 避免了熱裂, 可取代常規的試鑄法,從而提高了精密鑄造和精密鍛造的質量與效率, 降低了成本。
(1) 精密鍛造技術的發展使鍛壓工藝徹底突破了毛坯生產的范疇, 可以加工出接近成品的零件。現在,整體葉盤大多采用精密鍛造作為制坯手段, 能節省貴重金屬材料, 減少難加工材料的機械加工量, 提高整體葉盤的疲勞強度和使用壽命。美國GE公司已用等溫鍛造技術制造出了帶葉片的壓氣機整體葉盤轉子, 材料利用率提高4倍。精密鍛造零件的尺寸精度可以達到 (0.1～ 0.25)mm, 表面粗糙度可以達到Ra0.4～ 1.6μ m。整體葉盤精密鍛造的精度和質量主要依靠計算機對鍛造過程進行控制。GE公司已用熱等靜壓法將鈦合金粉末高溫合金盤與精鍛葉片復合成形為鈦合金整體葉盤;在精密鍛造時還采用了超塑等溫模擬技術, 獲得了優異的組織和力學性能。
(2) 精密鑄造技術。由于精密鑄造工藝的新發展,特別是金屬材料定向凝固和熱等靜壓理論的深入研究, 使得鑄造合金組織和性能大大改善, 解決了葉片疲勞斷裂的裂紋沿垂直于葉片主應力方向的晶粒邊界發生; 熔模鑄造內部存在縮松缺陷等問題, 使葉片的抗疲勞性、應力斷裂壽命大為提高, 并且可以減少焊后裂紋, 降低鑄件的性能變化和分散程度。目前, 較為成熟的精密鑄造技術有實型鑄造和熔模鑄造。
我國航空材料研究院整體葉盤的精密鑄造技術已取得重要成果。采用 K4184 鎳基高溫合金, 成功鑄造出了直徑為 120mm, 帶有 34 個葉片的動力渦輪整體葉盤。采用的方法是將輪盤鑄造成細晶, 將整體葉片鑄造成定向柱晶或單晶, 不同晶粒形態各有優勢, 細晶具有較好的低周疲勞和拉伸性能, 適合于中低溫下使用;而方向性柱晶則具有較好的冷熱疲勞、低周疲勞和抗振動疲勞性能, 適合于高溫下工作。
為了進一步提高采用精密鑄造制造的整體葉盤坯件的密度, 改善力學性能, 應將坯件進行等靜壓處理和真空熱處理
3.2 鍛接法
美國 P&W 公司在制造粉末高溫合金整體葉盤時, 應用了鍛接擴散連接技術( 即擴散連接技術), 它用局部加熱法將單晶精鑄葉片直接連接到鍛造渦輪盤的輪緣上。 渦輪盤輪緣局部加熱至變形溫度后, 用待連接的單晶葉片在局部加熱的輪緣連接部位施壓, 使局部加熱區域產生變形, 即在將葉片植入輪緣內的同時進行擴散連接, 將葉片牢固地連接在渦輪盤的輪緣內。鍛接法的關鍵是正確有效地控制局部加熱和變形參數( 溫度、壓力、變形量), 這對葉片與輪盤之間消除松動,產生完全致密的高強度結合面是很重要的。用此法制造的整體葉盤結構必須確保鍛接過程中葉片始終準確定位, 并始終保持定位的位置。P&W 公司已研究出葉片/盤的鍛接專利工具, 可準確地保持葉片的正確位置。
鍛接工藝可有效用于超級耐熱合金和鈦合金之間的連接和修補, 可用于風扇、壓氣機和渦輪整體葉盤結構的制造、修補和更換葉片。
3.3 電子束焊接法
在各種先進精密的焊接工藝中, 電子束焊發展較早, 也較成熟, 并最先用于整體葉盤的制造過程中。整體葉盤因其主要用于風扇的第 2、3 級和高壓壓氣機的第 1、2 級, 故材料多為鈦合金。由于鈦合金電子束焊具有大穿透、小變形、無氧化、高強度、焊接尺寸精度高、質量穩定、效率高等優點, 因而在我國高性能航空發動機制造中很多鈦合金零件都采用電子束焊接工藝。
EJ200 也采用此法制造, 即先將單個葉片用電子束焊接成葉片環, 后用電子束焊接技術將鍛造和電解加工成形的輪盤腹板與葉片環焊接成整體葉盤結構。這種整體葉盤結構比傳統的榫頭連接的葉盤轉子結構重量減輕 30%。
3.4 線性摩擦焊(LFW)
線性摩擦焊是一種固態連接技術, 是旋轉摩擦焊的重要發展, 類似于擴散連接。擴散連接從結構上講,連接處看不出“焊縫” 來, 且其強度與彈性均優于本體材料。 線性摩擦焊與擴散連接不同之處在于: 在擴散連接中, 連接的工件是在爐中加溫使其達到高溫的; 而線性摩擦焊中, 工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振蕩產生的。 用線性摩擦焊將葉片焊接在輪盤上,可節省大量葉片的連接件和結構重量。它先將葉片夾緊在輪緣的葉根上, 并使輪盤周向以高速振動, 在葉片和輪盤葉根界面產生一個窄的摩擦加熱區, 當加熱區的溫度達到要求的溫度時即停止振動, 葉片與輪盤固定直至固結在一起。最后再在五坐標數控銑床上用銑刀將多余材料銑掉。F119 的 2、3 級風扇和 6 級高壓壓氣機以及EJ200 發動機的 3 級低壓壓氣機的整體葉盤是線性摩擦焊接技術成功應用的頂級標志。其中, 用LFW 技術加工的 EJ200 發動機的整體葉盤, 所用設備是英國 Blacks 公司制造的線性摩擦焊機。該焊機由 1個主驅動電機( 功率 89kW)、振動器及夾具組成, 振動器可產生線性振動, 振幅 0～ 3mm。夾具帶有分度機構,可對工件進行分度、定位和固定, 并傳遞夾緊力、頂鐓力和摩擦力。振動器可以在焊接工序完成時的幾分之一秒內使振幅為零, 保證被焊葉片的定位精度。瑞士的一家公司可以提供與之配套的高速磨床和理想的軟件包。目前 R · R 公司和 MTU 公司已用 LFW 技術成功地制造了寬弦風扇整體葉盤, 并將為 JSF 的發動機提供LFW 整體葉盤。用 LFW 技術加工整體葉盤與用整體鍛坯在五坐標數控銑床上加工或電化學加工相比, 可以節約大量貴金屬; 用 LFW 技術可從發動機上更換掉被撞擊損壞的葉片。也可用 LFW 技術將葉片與用不同材料制造的輪盤焊接在一起, 以獲得最佳的減重效果。
擴散連接和線性摩擦焊是在接合表面產生塑性變形和加熱條件下, 達到表面原子間結合, 并互相擴散形成焊接頭, 加熱溫度一般為被焊材料熔點溫度的 70%,因此焊接接頭的質量比熔焊( 電子束焊) 的質量高, 可以使葉片和盤的過渡區的晶粒組織變得很細, 其靜態、動態力學性能超過非焊接的基體材料。
采用線性摩擦焊加工整體葉盤有下列好處:
(1) 可以節約大量貴重的鈦合金。例如 R · R 公司為 JSF( 聯合攻擊機) 用的升力風扇發動機生產整體葉盤的風扇轉子( 該轉子是目前世界上最大的整體葉盤,其外徑為 1.27m) 時, 采用整體鍛坯用五坐標數控銑床加工, 坯料重 840kg, 加工后成品件重 97.6kg, 即材料損耗高達 88%; 而采用線性摩擦焊時, 焊接后銑去的材料不多, 并且還可減少加工時間。
(2) 可以對損壞的單個葉片進行修理。在采用(特別是在風扇第 1 級采用)整體葉盤時, 能否對整體葉盤進行修理是要考慮的一個重要問題, 因為發動機在使用中, 不可避免地會遇到外來物(特別是鳥類)撞傷葉片的情況, 在常規的設計中, 可以輕易地更換損傷的葉片; 而整體葉盤就不能更換葉片, 如沒有方便而適用的修理損壞葉片的方法, 整體葉盤的應用就受到限制。有了線性摩擦焊的加工方法, 可以將損壞的葉片切去后再焊上新葉片, 由于有此優越性, EJ200、F119 發動機風扇第 1 級轉子也采了整體葉盤 (EJ200 最初的設計中, 僅風扇第 3 級、高壓壓氣機第 1 級采用整體葉盤)。
(3) 可以將 2 種不同材料焊在一起, 這樣可根據葉片、輪盤的工作條件選用不同材料, 從而充分挖掘轉子結構材料的性能潛力, 使轉子結構的重量進一步降低。
3.5 數控電解加工技術
整體葉盤由于構型復雜, 特別是由難切削材料制成的、帶薄型葉片、結構復雜的整體葉盤用數控銑削、精密鑄造方法加工時就更困難, 甚至不能加工( 如帶冠整體葉輪)。此時特種加工方法便顯示出它突出的優越性, 其中, 電解加工與數控技術相結合的數控電解加工技術, 作為一種補充技術, 可以解決數控銑削精密鑄造不能加工的難題, 為整體葉盤制造提供了一種優質、高效、低成本、且具有快速響應能力的新加工技術。整體葉盤的數控電解加工技術能綜合發揮計算機數控和電解加工的技術優勢, 同時又能取長補短。這種工藝具有電解加工的優點, 即工具陰極無損耗, 無宏觀切削力, 適宜加工各種難切削材料和長、薄葉片及狹窄通道的整體葉盤, 加工效率高, 表面質量好, 這些優點是數控銑削所不具備的; 它又具有數控的優點, 能以計算機數控方式實現型面三維運動, 可用于加工各類復雜結構、多品種、小批量零件, 甚至單件試制的生產中,這些優點又是一般拷貝式電解加工所不具備的。 因此,這種工藝技術非常適合于加工用數控銑削、精密鑄造難加工或不能加工的零件, 如小直徑、多葉片、小葉間通道(1.5～ 3mm寬度) 零件, 難切削材料變截面扭曲葉片整體葉輪, 以及數控銑無法加工的帶冠整體葉輪等。研究及應用情況表明, 整體葉盤電解加工與五坐標數控銑削方法相比有很多優點:
·工時可減少50%以上 ( 加工帶長葉片的整體葉盤工時減少更多);
·可以加工任何高強、高硬度的難切削金屬材料;
·不會產生殘余應力和變形, 這對薄型葉片的整體葉盤加工尤為重要。
美、英、俄和中國都高度重視整體葉盤數控電解加工技術的研究并已得到應用, 在新型航空發動機及航天火箭發動機的研制中發揮了重要作用。
(1) 美國GE公司的五軸數控電解加工。
美國GE公司在電解加工先進航空發動機的整體葉盤時, 采用了以成形或近成形陰極進行多坐標數控送進運動的加工方式。在制造為裝備 “先進戰斗機ATF(即F22)” 而研制的GE37/YE120發動機的鈦制整體葉盤及F414發動機整體葉盤時, 與美國Lehr.precision公司合作發展了五軸數控電解加工技術。與原用五坐標數控銑削葉片相比, 加工時間減少約85%, 同時還避免了在葉片加工中產生的殘余應力。電解加工仍分粗加工和精加工兩道工序, 加工出的葉片葉型厚度公差+0.1mm, 型面公差+0.1mm, 可不需手工拋光。
(2) 美、俄仿形電加工帶冠整體葉輪。
在帶冠整體葉輪的加工中, 美國采用精密數控電火花工藝, 俄羅斯則采用機械仿形電火花與電解加工的組合工藝。電解加工既可以提高加工速度, 又可以去除電火花加工后的表面變質層, 提高表面質量。電火花—電解加工的組合工藝在新型發動機, 特別是火箭發動機帶冠整體渦輪的研制中發揮了重要作用。
(3) 國內數控電解加工整體葉盤的研究。
在國內, 南京航空航天大學從 20 世紀 80 年代中期就開始進行數控展成電解加工的研究, 其中重要研究成果有: “直線刃” 陰極數控展成電解加工, 成形或近成形陰極柔性電解加工。
“直線刃”陰極數控展成電解加工與數控銑相似,以簡單的 “直線刃” 陰極進行數控展成運動, 基于電化學陽極溶解原理而實現整體葉盤葉間槽和葉片型面的粗、精加工。數控展成電解加工通常需要 5 軸聯動, 即直線位移 x、y、z 軸以及陰極擺動 CT軸和工件旋轉 CW軸。該研究成果已經應用于加工改型航空發動機整體導風輪( 外徑190mm) 并裝機使用。
成形或近成形陰極柔性電解加工是南京航空航天大學正在研究的加工非可展直紋面的一種新方法, 采用成形或近成形陰極相對零件作數控仿形運動, 可實現帶冠整體渦輪、整體葉環和組合式整體葉輪的加工。
4 整體葉盤結構的維修
航空發動機上風扇/壓氣機葉片經常被打壞, 在以往的常規設計中, 遇到這種情況時更換受損的葉片就可以了, 但是葉盤結構就不能因為一個葉盤上有幾個葉片打傷而報廢一個葉盤, 所以必須發展整體葉盤中個別損壞葉片的修理技術。GE 公司發展特殊的修理技術后才在 F414 中使用了5 個整體葉盤。在 IHPTET 計劃實施中, 利用激光曲線焊接(Laser Twist Weld) 方法對整體葉盤進行修復, 葉片修復后強度與原葉片差不多。這樣, 葉盤結構具有了生命力, 就能在航空發動機上得到更廣泛的應用。
5 結束語
(1) 航空發動機部件結構正朝著輕量化、整體化方向發展。美國的先進戰斗機(ATF) 計劃中把整體葉盤設計制造列為重要核心技術, 美國國防部的高性能渦輪發動機技術(IHPTET) 的第三階段計劃要求, 到 2020年, 戰斗機上發動機的渦輪都將采用整體葉盤結構。由此可見, 整體葉盤( 環) 已經作為新型航空發動機、火箭發動機的重大改進部件, 不僅應用在研制中和改進的發動機上, 而且還將用在未來 10～ 15 年后推重比為25～ 30 的發動機上, 用性能更加優異的 SiC 或 C/C 增強復合材料制造出整體葉盤或整體葉環。
(2) 隨著新的更難切削材料的采用及結構的更復雜化(扭曲葉片整體葉盤、帶冠整體渦輪), 航空發動機的加工將更困難。美、英、俄等工業發達國家都在加緊研究優質、高效、經濟的加工方法并正逐步取得成果。
(3) 整體式葉盤的制造將依賴于精密制坯技術、特種加工和數控機床的發展。其中數控電解加工能綜合發揮電解加工和計算機數控技術的優勢, 同時又能互相取長補短, 彌補各自的不足之處, 是優質、高效、低成本、快速響應地解決整體葉盤加工難題的一條重要途徑。這種方法具有顯著的技術經濟效果。
焊接式整體葉盤的焊接工序只能采用先進的精密的焊接工藝( 電子束焊、真空擴散連接和線性摩擦焊),特別是線性摩擦焊的加工成本低, 焊接質量高, 可用于各種材料的焊接或整體葉盤的制造、修理和更換葉片,在整體葉盤的制造中可以發揮獨特而重要的作用。
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