西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院 趙 明 涂冰怡

中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司設(shè)計(jì)所 陳養(yǎng)惠

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)性能、可靠性和成本的決定性因素。從1903年萊特兄弟首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行所使用的推重比僅為0.11的水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)到第二次世界大戰(zhàn)期間迅速發(fā)展起來的推重比可達(dá)1.0左右的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，再到如今成為航空動(dòng)力裝置主力的推重比已達(dá)10.0左右的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有了重大發(fā)展（見圖1）[1]。評(píng)價(jià)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，其每一階段的發(fā)展都是與當(dāng)時(shí)的社會(huì)需要以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平（如耐高溫的材料、先進(jìn)的加工方法等）分不開的。自20世紀(jì)40年代進(jìn)入噴氣時(shí)代以來，伴隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比需求的提高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，它每一次的更新?lián)Q代都伴隨著一些新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，而支撐這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是一些新材料與制造技術(shù)的發(fā)展與使用。因此，必須對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件在結(jié)構(gòu)、材料及制造技術(shù)方面的發(fā)展及未來的應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行深入剖析。

風(fēng)扇/壓氣機(jī)

壓氣機(jī)用來提高進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣壓力，它不僅受較高的離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷等，還會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道外來物的沖擊，受風(fēng)沙、潮濕的侵襲，同時(shí)由于壓氣機(jī)前面增壓級(jí)和后面增壓級(jí)的流通能力不匹配，容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，因此，無論在設(shè)計(jì)、制造，還是維修中都需在這方面耗費(fèi)更多的精力和成本。下面分兩部分概述壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)的發(fā)展變化。

圖1 1940～2010年間發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的發(fā)展

1 風(fēng)扇葉片

20世紀(jì)80年代初，風(fēng)扇葉片一般為窄弦、帶凸肩、實(shí)心結(jié)構(gòu)，由鈦合金整體鍛件加工而成，其主要加工工序[2]為：先墩出葉根和凸肩，并預(yù)鍛成形，再在帶轉(zhuǎn)動(dòng)爐膛的電阻爐中加熱，取出后精鍛、切邊，最后經(jīng)過數(shù)道機(jī)加工序得到成品葉片。由于凸肩的存在，降低了風(fēng)扇的流通能力，氣動(dòng)效率低，同時(shí)，實(shí)心的葉片質(zhì)量過大，這種葉片不適合更大推力發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)扇葉片的要求。為解決這些難點(diǎn)，英國羅·羅公司于80年代中期開創(chuàng)性地設(shè)計(jì)并制造出了新型寬弦、無凸肩、夾芯風(fēng)扇葉片，這種風(fēng)扇葉片能夠消除原有中間凸肩的相互干擾阻力, 提高空氣流量和氣動(dòng)效率, 增加抗外物撞擊能力及喘振裕度, 并且使風(fēng)扇的葉片數(shù)量減少1/3，其制造工藝[3]是在葉盆和葉背鈦合金面板之間放一塊鈦合金蜂窩夾芯塊，兩塊面板和蜂窩夾芯塊經(jīng)活化擴(kuò)散連接形成一體。為進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，羅·羅公司于1994年研究成功第二代寬弦空心風(fēng)扇葉片[4]，這種葉片采用鈦合金3層結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴(kuò)散連接（SPF/DB）組合工藝制成，風(fēng)扇葉片芯部采用建筑上所用的三角形桁架結(jié)構(gòu)，取代了第一代寬弦風(fēng)扇葉片的內(nèi)部蜂窩芯板，這種實(shí)心度更低的葉片比蜂窩芯葉片輕15%，該種葉片已經(jīng)用于波音777和A330飛機(jī)的“遄達(dá)”發(fā)動(dòng)機(jī)上。

同時(shí)，美國普惠公司在PW4000系列基礎(chǔ)上研制的增推型發(fā)動(dòng)機(jī)PW4084的風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)也采用寬弦空心結(jié)構(gòu)[5]，其寬弦風(fēng)扇葉片用兩塊經(jīng)過加工的鈦合金帶筋厚板，首先采用擴(kuò)散連接（DB）工藝連接，然后應(yīng)用超塑成形（SPF）工藝使葉片成形，最后數(shù)控加工出葉根與葉型。未來，在推重比15～20的發(fā)動(dòng)機(jī)上，壓氣機(jī)的使用溫度將達(dá)到705～982℃，復(fù)合材料有可能成為壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣和空心風(fēng)扇葉片的主要材料[6]，圖2為NASA最近研制的一種輕質(zhì)、低噪音復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片[7]。

目前，普惠公司正在研究的連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片，稱之為第三代寬弦風(fēng)扇葉片，這是一種剛度更高、重量更輕、耐撞擊的空心風(fēng)扇葉片，可使發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇再減重約14%，其主要制造過程[8]如下：

（1）將碳化硅纖維（SCS-6）制成預(yù)制帶，即將單方向排列的SCS-6與鈦絲編織成纖維布，鈦箔和纖維布間隔疊放，按照葉片不同部位的厚度要求確定疊放層數(shù)，然后用熱等靜壓法進(jìn)行碳化硅纖維預(yù)制帶的擴(kuò)散連接。

（2）將SCS-6預(yù)制帶和鈦合金（Ti-6Al-4V）制成TMC楔型面板，經(jīng)X射線、超聲探傷、金相和尺寸檢查合格后，按風(fēng)扇葉片要求的疊層次序制備葉片毛坯組件。

（3）最后采用SPF/DB工藝成形出寬弦空心葉片，葉片面板厚度從根部到葉尖遞減。

2 整體葉盤/葉環(huán)

圖2 NASA研制的一種輕質(zhì)、低噪音復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片

整體葉盤結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的，它是在常規(guī)葉盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率的新型結(jié)構(gòu)，即將葉片用電子束焊接方法直接焊到輪盤上，省去常規(guī)盤葉連接的榫齒和榫槽，材料一般選用鈦合金，此技術(shù)已經(jīng)在先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)（如F119和EJ200）的三級(jí)風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)的整體葉盤轉(zhuǎn)子上進(jìn)行了驗(yàn)證[9]。整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)則是采用復(fù)合材料，在結(jié)構(gòu)上省去盤體部分，使結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，減重效果更加明顯。整體葉盤/葉環(huán)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大的改進(jìn)：結(jié)構(gòu)上，它們不需加工榫頭和榫槽，盤緣徑向厚度大大減小，從而減小了整個(gè)盤葉結(jié)構(gòu)的重量；裝配上，由于它們是盤葉一體結(jié)構(gòu)，不需要進(jìn)行組合裝配，有利于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)平衡；而且顯著地減少了零件數(shù)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的整體可靠性。這種一體化結(jié)構(gòu)最大的弊端就是加工難度大，損壞后不易修復(fù)[10]。早期，一般采用五坐標(biāo)數(shù)控銑床來加工整體葉盤，此種方法既費(fèi)時(shí)，成本又昂貴。20世紀(jì)90年代，GE公司發(fā)展了一種加工整體葉盤的新工藝[11]，即電化學(xué)加工（ECM）的工藝方法，取得了較好的效益；同時(shí)，在修復(fù)技術(shù)方面，GE公司也針對(duì)性地對(duì)不同類型的葉片損傷類型發(fā)展了一套修理方法，并應(yīng)用在F414發(fā)動(dòng)機(jī)上。

目前，整體葉盤一般采用線性摩擦焊的加工方法，與五坐標(biāo)數(shù)控銑床和電化學(xué)加工方法相比，線性摩擦焊可以節(jié)約大量的鈦合金，并且可以直接對(duì)損壞的單個(gè)葉片進(jìn)行修復(fù)，因此得到了廣泛應(yīng)用[12]。隨著新的連接技術(shù)和維修技術(shù)的出現(xiàn)，可以預(yù)見SPF/DB的寬弦風(fēng)扇葉片直接與葉盤焊接的整體結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

燃燒室

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式可分為單管、環(huán)管和環(huán)形燃燒室。早期的燃燒室多為單管燃燒室，后來發(fā)展為環(huán)管燃燒室，20世紀(jì)60年代，環(huán)形燃燒室出現(xiàn)，并成為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)先選擇。隨著燃燒技術(shù)的發(fā)展，短環(huán)形燃燒室是目前普遍采用的方案[13]。

火焰筒作為主燃燒室的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)和加工工藝一直都是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能的關(guān)鍵。早期的發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是散熱片式火焰筒，這種火焰筒是在鑄造或鍛造毛坯外表面上機(jī)械加工出縱向的散熱片，實(shí)踐證明，此種散熱方式效果有限，且不易加工，因而已被淘汰。為加強(qiáng)筒體的散熱，降低加工難度，目前大中型發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)形燃燒室上普遍采用的是機(jī)械加工成形的氣膜式火焰筒[14]，這類火焰筒可大大提高散熱效果，滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室高容熱強(qiáng)度的要求。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)口溫度、壓力和出口溫升的逐步上升，高溫燃?xì)庀蚧鹧嫱脖诿娴臒彷椛鋸?qiáng)度也隨之增強(qiáng)，火焰筒目前所使用的高溫合金材料的許用工作溫度已很難提高，因此出現(xiàn)了一種新的火焰筒結(jié)構(gòu)——沖擊-對(duì)流-氣膜復(fù)合冷卻的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)很好地解決了四代機(jī)火焰筒的冷卻問題，同時(shí)還大大提高了火焰筒的性能，但這種結(jié)構(gòu)也給制造技術(shù)帶來了很大困難，如火焰筒筒體變成單層結(jié)構(gòu)后薄壁易變形，結(jié)構(gòu)剛性差，尺寸精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，焊接變形難以控制等，針對(duì)這些難題，楊秀娟等[15]已在文獻(xiàn)中介紹了浮壁式火焰筒的加工工藝路線及需要注意的問題。

未來推重比15～20以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃燒室出口溫度將高達(dá)2000～2200℃，火焰筒承受的溫度將大于1538～1750℃，因此，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的研制不僅需要結(jié)構(gòu)上的變革，還需要開辟新的材料系統(tǒng)和工藝領(lǐng)域。正在發(fā)展的用各種長(zhǎng)纖維（Si3N4、SiC、Al2O3等）增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的耐高溫、高抗氧化和高比強(qiáng)等特性，美國的IHPTET計(jì)劃提出[16]，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)采用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制造出口溫度均勻、變流量結(jié)構(gòu)火焰筒，用鈦基復(fù)合材料（TMC）制造燃燒室機(jī)匣，圖4為陶瓷基復(fù)合材料（CMC）火焰筒。

圖4 陶瓷基復(fù)合材料（CMC）火焰筒

渦 輪

渦輪部件主要由渦輪葉片和渦輪盤兩大部分組成。渦輪部件是在十分惡劣的條件下工作的，主要原因是大部分的渦輪零件在高溫燃?xì)獾臎_擊下承受大的熱負(fù)荷、熱沖擊等，并且材料在熱燃?xì)獾淖饔孟逻€易于腐蝕。航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高依賴于渦輪前燃?xì)鉁囟鹊奶岣撸?0世紀(jì)50年代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前燃?xì)鉁囟葍H為800℃，而如今軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟葎t高達(dá)1550～1650℃，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，渦輪部件的工作環(huán)境會(huì)越來越惡劣[17]。為滿足不斷提高燃?xì)鉁囟燃敖档椭亓康囊?，必須不斷研制與發(fā)展更耐高溫的材料，改進(jìn)部件結(jié)構(gòu)及冷卻技術(shù)。

1 渦輪盤

渦輪盤承受著離心載荷、熱負(fù)荷和振動(dòng)負(fù)荷等，早期的發(fā)動(dòng)機(jī)由于推重比不高，渦輪前燃?xì)鉁囟纫矁H在1150～1250℃左右，因此一般都采用普通的單輻板結(jié)構(gòu)，材料常用GH34、GH36和GH33等。隨著渦輪前溫度的提高，傳統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)已經(jīng)很難滿足未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，美國普惠公司在IHPTET計(jì)劃的分計(jì)劃ATEGG中[18]提出了雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)，并在第III階段的XTC67/1 驗(yàn)證機(jī)上對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)渦輪盤相比，雙輻板渦輪盤重量減輕了17%，轉(zhuǎn)速提高了9%。雙輻板渦輪盤是由2個(gè)對(duì)稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結(jié)構(gòu)。

欒永先等[19]對(duì)雙輻板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，比較可知雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤有很大差異，它可以使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，零件數(shù)量減少，可靠性和推重比提高。制造技術(shù)方面，為了滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的設(shè)計(jì)及冶金質(zhì)量要求，渦輪盤高溫合金坯件必須是純潔、均勻和細(xì)晶組織的，制備發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤高溫合金坯件主要有先進(jìn)的鑄鍛變形、粉末冶金和噴射成形3種工藝方法[20]，如圖5所示。目前，粉末冶金已成為制造高性能渦輪盤最重要的方法，并且已在國外高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上得到成熟、可靠的應(yīng)用。未來，高純度、細(xì)顆粒高溫合金粉末氬氣霧化批量制備和超細(xì)晶粉末高溫合金渦輪盤成形等關(guān)鍵技術(shù)必將在未來的高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 先進(jìn)高溫合金渦輪盤坯件制備工藝流程對(duì)比

2 渦輪葉片

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件, 其承受溫度的能力是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和決定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的重要因素，因此渦輪葉片的結(jié)構(gòu)和材料的選用是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵，各代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展如表1所示[21]。

表1 各代軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料類型

為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片的使用要求，20世紀(jì)50 年代研制成功的高溫合金，憑借其較為優(yōu)異的高溫使用性能，全面代替早期的高溫不銹鋼，使其使用溫度有一個(gè)質(zhì)的飛躍，達(dá)到了800℃水平，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比也提高到了2～3左右。隨著真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開始成為二代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主選材料，定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長(zhǎng)速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，使用溫度達(dá)到了1050℃水平。第三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍使用的單晶合金渦輪葉片即是定向凝固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其耐溫能力、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，結(jié)構(gòu)上開始使用空心葉片，加入冷卻技術(shù)，可使使用溫度達(dá)到1550℃。目前，國外推重比10的發(fā)動(dòng)機(jī)F119/120 （美、GE90 （美）、EJ2000 （英、德、意、西）以及其他新型發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶高溫合金鑄造空心渦輪葉片結(jié)構(gòu)[22]。

在工藝方法上，早期的渦輪工作葉片均采用高溫與高強(qiáng)度鎳基合金鍛造后經(jīng)機(jī)械加工而成，隨后采用真空精密鑄造后拋光而成，到了20世紀(jì)80年代則逐漸采用定向結(jié)晶鑄造與單晶鑄造的葉片[23]。GE 公司研制的新結(jié)構(gòu)單晶高壓渦輪葉片的陶瓷型芯技術(shù)，采用傳統(tǒng)工藝制造陶瓷型芯和等離子噴涂形成外層壁相結(jié)合的技術(shù)，并將其核心控形技術(shù)視為高度核心技術(shù)。陶瓷型芯的成型方法主要有熱壓注法、傳遞成型法、灌漿成型法等[24]。熱壓注成型是目前應(yīng)用最廣的陶瓷型芯制備方法，也是制備高溫合金葉片用陶瓷型芯最常用的一種方法，其主要工藝過程如圖6 所示[25]。

結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高主要依賴于結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展，而結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展又與制造工藝具有密切的聯(lián)系。從航空推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程來看，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及材料使用趨向于整體化、輕質(zhì)化。美國的IHPTET計(jì)劃也明確指出，未來高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)將大量使用復(fù)合材料一體化結(jié)構(gòu)，如鈦基復(fù)合材料寬弦風(fēng)扇葉片、整體葉盤/葉環(huán)、陶瓷基復(fù)合材料火焰筒等，而整體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)一直都是航空工程亟待突破的關(guān)鍵問題。我國對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備落后，與國外差距較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝方面又處于劣勢(shì)，因此，我們必須重視基礎(chǔ)學(xué)科的研究，加強(qiáng)制造工藝的發(fā)展，重視設(shè)計(jì)-材料-工藝密切配合，實(shí)現(xiàn)新一代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功。

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