■ 趙強 祝文卉 邵天巍 劉佳濤 帥焱林 / 中國航發(fā)黎明 王冉 / 東北大學

推重比和可靠性是航空發(fā)動機的關鍵考核指標。長期以來，先進航空發(fā)動機制造商都在為研發(fā)高推重比和可靠性的發(fā)動機進行諸多嘗試，而慣性摩擦焊作為一種先進的制造技術是提高發(fā)動機推重比和可靠性的重要手段之一。

慣性摩擦焊是一種先進焊接技術，國內外針對慣性摩擦焊已開展了大量深入的研究工作，并被成功地應用到一些先進航空發(fā)動機核心轉子部件的制造中。采用慣性摩擦焊技術制造發(fā)動機核心轉子部件可以提高轉子零組件的整體剛度，減少零件數量，減少故障源，減輕發(fā)動機的質量，從而提高發(fā)動機的推重比和可靠性。

圖1 典型慣性摩擦焊設備組成示意圖

圖2 慣性摩擦焊的焊接過程

慣性摩擦焊

慣性摩擦焊的設備及焊接過程

慣性摩擦焊通過在待焊材料之間摩擦產生熱量，在頂鍛力的作用下使材料產生熱塑性變形與流動，進而發(fā)生固相連接。典型的慣性摩擦焊設備一般包括主軸驅動系統(tǒng)、飛輪組、頂鍛力液壓系統(tǒng)、主軸、尾座滑、主軸側夾緊系統(tǒng)、尾座側夾緊系統(tǒng)、回轉待焊件、非回轉待焊件等9個主要組成部分（如圖1所示）。慣性摩擦焊機的驅動系統(tǒng)為主軸的轉動提供動力，主軸上裝配不同慣量組合的飛輪組用于儲存慣性焊接的能量。待焊件分別固定在主軸和尾座的夾緊系統(tǒng)上，主軸側的待焊件可以轉動，但不能前后移動；尾座側的待焊件不能轉動，但可連同夾緊系統(tǒng)整體在尾座滑臺上前后移動，移動的動力由尾座液壓系統(tǒng)提供，該系統(tǒng)也在焊接過程中提供頂鍛力。

在慣性摩擦焊的焊接過程中，尾座側待焊件固定不動，主軸旋轉并帶動飛輪組高速旋轉，當主軸加速到設定速度時，主軸與驅動系統(tǒng)斷開，此時主軸依靠主軸和飛輪儲存的動能繼續(xù)慣性旋轉。當主軸轉速降至焊接速度時，頂鍛液壓系統(tǒng)驅動尾座軸向主軸端移動，直到焊接件發(fā)生接觸。在軸向壓力和摩擦扭矩作用下，焊接界面在接觸瞬間摩擦生熱，摩擦熱輸入使界面附近的母材加熱到熱塑性狀態(tài)。頂鍛力繼續(xù)作用，使摩擦界面處的熱塑性金屬擠出形成飛邊，同時摩擦過程不斷消耗主軸和飛輪組的動能，直至能量消耗殆盡，主軸停止轉動，此時保壓一段時間后撤銷頂鍛壓力，以完成整個焊接過程。（如圖2所示）

圖3 焊接過程主要工藝參數變化圖

圖4 摩擦界面不同接觸狀態(tài)的示意圖

慣性摩擦焊的機理

慣性摩擦焊的焊接過程可分為3個階段（如圖3所示），扭矩曲線的變化可作為分析慣性摩擦焊焊接過程的一個關鍵因素。第一階段由金屬干摩擦和磨損作用主導，機加工后的金屬表面微觀上不是完全光滑的，存在微凸體，如圖4 (a)所示。在軸向壓力和摩擦扭矩作用下，在摩擦界面上接觸的微凸體發(fā)生黏結作用和塑性變形，同時金屬表面的較硬微凸體壓入較軟金屬的表面。在切向力作用下相對滑動時，較硬的金屬對較軟的金屬發(fā)生犁削作用。摩擦過程中，塑性變形、機械挖掘、黏結和分子作用等現(xiàn)象在摩擦界面同時發(fā)生。隨著摩擦界面氧化層或臟污層破碎程度的加深，清潔金屬的接觸面積增大，接觸面的黏結作用增大，導致摩擦所需的作用力增大，從而使扭矩快速上升至峰值（扭矩的前峰值）。在第一階段后期，摩擦界面金屬發(fā)生受熱軟化、熱塑性流變、形變硬化現(xiàn)象，由于摩擦界面塑性變形層的受熱軟化起主導作用，扭矩發(fā)生明顯的下降。第一階段的摩擦轉速是最高的，高轉速導致這一階段的瞬時能量輸入達到最大值。瞬時的高能量輸入將塑性流變限制在很窄的變形層范圍內，未在母材較寬區(qū)域產生顯著擴展，如圖4(b)所示。

第一階段至第二階段的轉變期間，應變硬化、受熱軟化對摩擦界面金屬塑性變形層的影響達到平衡。在第二階段，焊接進程是自動調整的，塑性變形層的軟化金屬在摩擦扭矩和軸向壓力作用下，從摩擦界面擠出，形成飛邊，界面附近高溫區(qū)域新的金屬不斷進入摩擦界面，發(fā)生摩擦—受熱軟化—飛邊形成—摩擦的循環(huán)作用。當摩擦轉速繼續(xù)下降，能量消耗、應變速率、溫度變化之間存在復雜的相互關系，多種關系之間形成動平衡狀態(tài)，扭矩保持穩(wěn)定，從圖3中的第二階段扭矩曲線可看出，扭矩保持了相對恒定的值。

第二階段至第三階段轉變瞬間，摩擦界面的溫度梯度降低，同時狹窄的塑性形變區(qū)迅速變寬。在第三階段，隨著軸向縮短量與飛邊量不斷增大，沿著焊縫中心內外側形成明顯飛邊環(huán)。這一階段后期，隨著轉速下降到較低水平，能量輸入變小，摩擦界面金屬軟化程度下降，此時摩擦的金屬充分焊合，焊縫金屬強度提高導致扭矩上升到另一個峰值，即扭矩的后峰值。當轉速完全停止時，焊縫金屬得到充分形變，形成細晶組織的焊縫，第三階段終止。

在整個摩擦焊接過程中，熱力耦合作用反復循環(huán)，摩擦界面發(fā)生復雜的變化，可能存在應變硬化、塑性流變、變形孿晶、動態(tài)再結晶、析出相的回溶和析出、形變誘發(fā)的相變、溫度引起的相變、合金元素的擴散等現(xiàn)象。

慣性摩擦焊在發(fā)動機轉子部件上的應用

慣性摩擦焊在航空發(fā)動機轉子部件上的應用非常廣泛，主要應用于風扇盤轉子組件、壓氣機轉子組件和渦輪盤軸轉子組件的焊接，其中在高壓壓氣機轉子組件制造中的應用最為典型。

在風扇盤轉子組件上的應用

慣性摩擦焊技術被應用于大型民用航空發(fā)動機風扇盤轉子組件制造中。由于風扇葉片尺寸較大，常規(guī)的風扇盤因輻板很寬而導致質量很大，因此在設計風扇盤時采用多個薄盤焊接的整體式結構，風扇葉片采用燕尾形榫頭連接到輪盤上。GE航空集團的GE90發(fā)動機風扇盤由3個帶鼓的薄盤采用慣性摩擦焊焊接而成。在GE90-115B中，如圖5所示，風扇直徑進一步加大，弦長加大，且做成后掠形，葉片葉根處寬度加大，為此增加了1個薄盤，即風扇盤由4個帶鼓的薄盤焊接而成，仍采用慣性摩擦焊連接。GEnx發(fā)動機是在GE90基礎上發(fā)展的，其風扇盤組件同樣采用慣性摩擦焊連接。

圖5 慣性摩擦焊焊接的GE90-115B風扇盤組件

圖6 CF6-GE-80C2高壓壓氣機第3～9級鈦合金慣性摩擦焊轉子組件及結構圖

表1 GE航空發(fā)動機慣性摩擦焊技術的應用情況

在壓氣機轉子組件上的應用

在航空發(fā)動機壓氣機轉子組件制造中，慣性摩擦焊技術的應用最為廣泛，同時涉及軍用和民用發(fā)動機。慣性摩擦焊被用于制造高壓壓氣機的兩種轉子結構，一種是由榫頭、榫槽連接葉片的多級盤鼓混合式整體轉子結構，一種是多級整體葉盤的轉子結構。

多級盤鼓混合式整體轉子的葉片和輪盤由榫頭、榫槽連接，先將壓氣機盤用慣性摩擦焊連接成一個整體鼓筒，再將葉片裝配到加工好的榫槽上，這種方式較為典型。GE航空集團的F101-GE-100發(fā)動機高壓壓氣機的第1～2級鈦合金盤、第4～9級A286合金盤，都是采用慣性摩擦焊連接。第1～2級轉子如果采用整體鍛件制造用料77kg，用慣性摩擦焊焊接則用料54kg，質量明顯減輕。F110-GE-129發(fā)動機高壓壓氣機轉子結構是在F101基礎上研制的，第1～2級仍為鈦合金盤，第4～9級盤改為IN718合金，也是采用慣性摩擦焊連接的。CF6-80C2發(fā)動機高壓壓氣機第3～9級鈦合金轉子采用慣性摩擦焊連接，第10級盤、第11～14級IN718合金盤鼓（慣性摩擦焊連接）及后軸焊接段之間用螺栓連接（如圖6所示）；第3～9級壓氣機轉子原為整體鍛質量為413kg，改為慣性摩擦焊連接后，質量降至300kg。GE航空集團的發(fā)動機高壓壓氣機轉子應用了慣性摩擦焊技術的情況詳見表1。

普惠公司的F100-PW-229發(fā)動機高壓壓氣機第1～2級為鈦合金轉子，第4～10級為IN718合金轉子，采用慣性摩擦焊連接，前2級和后7級鼓筒組件僅用一級螺栓連接，零件數大大減少。F100-PW-100發(fā)動機高壓壓氣機轉子采用電子束焊接，其推力增長型F100-PW-229發(fā)動機的高壓壓氣機轉子則采用了慣性摩擦焊連接；1985年首次試飛、1987年首次交付使用的PW4000發(fā)動機，其高壓壓氣機第8～11級IN718合金轉子由電子束焊連接；而1989年首次試飛、1991年初投入使用的F100-PW-229發(fā)動機，其高壓壓氣機IN718合金轉子則改為慣性摩擦焊連接。上述情況說明，普惠公司在IN718合金高壓壓氣機轉子的制造中更加傾向于使用慣性摩擦焊技術。

羅羅公司對慣性摩擦焊技術的研究始于20世紀60年代后期， 此后羅羅公司陸續(xù)配備了多臺大噸位、大慣量的慣性摩擦焊設備，并與英國曼徹斯特大學、伯明翰大學等科研機構合作開展了大量深入的基礎研究和工藝探索。截至目前，慣性摩擦焊技術在羅羅公司已經得到工程化應用，遄達 1000發(fā)動機高壓壓氣機轉子就采用了慣性摩擦焊技術。

慣性摩擦焊技術在其他公司高壓壓氣機制造上也有廣泛應用。CFM國際公司的CFM56系列發(fā)動機是有史以來銷售最好的商用航空發(fā)動機（截至2019年6月，交付了33400臺），其高壓壓氣機的第1～2級鈦合金盤，第4～9級Rene95合金盤都是采用慣性摩擦焊連接的整體式轉子，CFM國際公司的LEAP發(fā)動機高壓壓氣機轉子也采用了慣性摩擦焊技術。MTU公司負責研制的EJ200發(fā)動機的高壓壓氣機第4～5級盤及后錐形軸，均采用慣性摩擦焊連接成一體。由GE和普惠合資的發(fā)動機聯(lián)盟公司研制的GP7200發(fā)動機高壓壓氣機轉子也是用慣性摩擦焊連接的。

高壓壓氣機多級整體葉盤轉子是指將兩個以上的整體葉盤不使用螺栓連接的方式串聯(lián)在一起，形成一個整體轉子結構。多級整體葉盤轉子結構使發(fā)動機零件數大量減少，質量明顯減輕，發(fā)動機結構進一步簡化，減少了故障源，提高了發(fā)動機可靠性和維修性。慣性摩擦焊技術已被應用于這種多級整體轉子的制造。

GE航空集團的F414發(fā)動機的多級整體葉盤制造采用了慣性摩擦焊技術。GE航空集團在F404和F412發(fā)動機基礎上，開發(fā)了推力增長型F414發(fā)動機，推重比達到9.0∶1。1991年開始發(fā)展F414-GE-400發(fā)動機，1995年在F/A-18E/F“超級大黃蜂”艦載機上實現(xiàn)首飛，1998年開始批量生產。F414發(fā)動機風扇第2～3級Ti17合金整體葉盤、高壓壓氣機第1～2級Ti17合金整體葉盤都是采用慣性摩擦焊連接的。多級整體葉盤轉子的制造是采用慣性摩擦焊技術連接壓氣機的多級輪盤，結合電化學加工或者五坐標數控銑床加工等關鍵技術完成多級整體葉盤葉片的加工。F414發(fā)動機后2級風扇、前3級高壓壓氣機采用多級整體葉盤后，兩部件的質量分別減少了20.43kg與3.632kg，與F404發(fā)動機相比，風扇、高壓壓氣機的零件數目減少了484個，有利于提高可靠性。采用慣性摩擦焊制造多級整體葉盤的還有EJ200發(fā)動機高壓壓氣機的第4～5級整體葉盤轉子、CF34-8C發(fā)動機的高壓壓氣機的第1～2級整體葉盤轉子。

在渦輪盤軸轉子組件上的應用

隨著對發(fā)動機推力和推重比等指標的要求不斷提高，高壓渦輪部件的工作溫度也逐步升高，因此先進發(fā)動機渦輪盤材料已經升級為承溫能力更強的新型粉末高溫合金，渦輪軸則采用鎳基變形高溫合金。相比電子束焊，慣性摩擦焊在焊接異質高溫合金時有較為明顯的優(yōu)勢，電子束焊焊接異質高溫合金時，產生液化裂紋、應變時效裂紋、熱裂紋等缺陷的傾向性較大。因此，慣性摩擦焊是改善產生這種焊接裂紋的可行方法之一。

慣性摩擦焊被廣泛應用到渦輪盤軸轉子組件的制造中。羅羅公司的遄達 1000發(fā)動機的高壓渦輪后短軸與輪盤采用慣性摩擦焊連接。羅羅公司還開展了RR1000合金、IN718、U720Li和IN718等新型高溫合金同種材料及異種材料的慣性摩擦焊工藝研究。

結束語

由慣性摩擦焊技術制造的航空發(fā)動機整體轉子既可以滿足航空發(fā)動機推重比指標，又兼顧了可靠性和耐久性的設計要求，慣性摩擦焊已被廣泛應用到先進航空發(fā)動機的風扇盤、壓氣機、渦輪盤軸等轉子組件的制造中。但慣性摩擦焊是一項技術壁壘非常高的先進制造技術，能實現(xiàn)工程化應用的國家屈指可數。隨著國產設備綜合能力不斷提升以及關聯(lián)技術工藝取得突破，將對慣性摩擦焊技術在國內航空發(fā)動機上的工程化應用產生顯著的推動作用。