鄭 娟

（中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，四川成都 610500）

0 引言

近年，我國(guó)航空領(lǐng)域發(fā)展迅速，在航空工業(yè)領(lǐng)域也投入了不少的人力、物力和財(cái)力，并且實(shí)施了一系列的開發(fā)計(jì)劃與技術(shù)研究。航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量與效益的提高與葉片關(guān)鍵制造技術(shù)可謂是息息相關(guān)，葉片制造技術(shù)的優(yōu)劣可能直接決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。因此，提高葉片制造技術(shù)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與推動(dòng)力，使得整個(gè)航空領(lǐng)域取得飛躍式發(fā)展。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片分類和作用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，它是飛機(jī)中最核心的部件。從航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通過(guò)的順序依次為進(jìn)氣道→風(fēng)扇→壓氣機(jī)→燃?xì)馐摇鷾u輪→尾噴口（圖1）。這幾個(gè)部件中最重要的就是壓氣機(jī)、燃?xì)馐液蜏u輪，而作為其中最為關(guān)鍵且數(shù)量最多的零部件——葉片，始終是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最難加工的部分之一。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部剖視

1.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的分類

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可以分為燕尾榫頭葉片、方榫頭葉片、樅樹型榫頭葉片、軸類葉片以及銷釘型榫頭葉片等。一般燕尾榫頭葉片和樅樹型榫頭葉片為轉(zhuǎn)子類葉片；方榫頭葉片和軸類葉片為靜子葉片。

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片按照功能進(jìn)行分類，可以分為壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片。根據(jù)其工作狀態(tài)，壓氣機(jī)葉片又可以分為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片（工作葉片）和壓氣機(jī)靜子葉片（整流葉片），渦輪葉片可以分為渦輪工作葉片和渦輪導(dǎo)向葉片。進(jìn)而按照氣流溫度場(chǎng)還可以分為低壓壓氣機(jī)葉片、高壓壓氣機(jī)葉片、高壓渦輪葉片和低壓渦輪葉片。

葉片按照材料進(jìn)行分類，有不銹鋼葉片、鋁合金葉片、鈦合金葉片、高溫合金葉片、復(fù)合材料葉片等。一般來(lái)說(shuō)，燃?xì)廨啓C(jī)葉片以不銹鋼材料為主，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片主要以鈦合金和高溫合金為主，部分采用鋁合金。

1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的作用

壓氣機(jī)和渦輪是在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣流功能轉(zhuǎn)換與改變氣流方向的重要零件。因此，壓氣機(jī)葉片具有一定程度的增壓效果，空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，壓氣機(jī)葉片可將空氣進(jìn)行壓縮，氣流壓力和溫度明顯升高，以滿足燃燒室需求。渦輪葉片則具有膨脹減壓的效果，可使燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)化為渦輪功。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的材料應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計(jì)和制造水平。其材料必須具備良好的熱強(qiáng)性、抗高溫腐蝕能力和高溫疲勞性能，并能保證組織穩(wěn)定性[1]。下面針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用材料進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 變形高溫合金葉片

變形高溫合金葉片的發(fā)展年限較為久遠(yuǎn)，已經(jīng)有50 年的歷史了。在這種材料中若是鈦、鎢等的含量增加，它的材料性能持續(xù)提高，但熱加工性能會(huì)下降。如果在其中加入昂貴合金材料鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩(wěn)定性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，渦輪葉片制造選取的主要材料為GH4049 合金熱軋棒材，是渦輪葉片制造中的關(guān)鍵性材料之一。該材料在應(yīng)用中存在一定程度的問(wèn)題：合金熱軋棒材在應(yīng)用中易于出現(xiàn)鍛造裂紋現(xiàn)象；此外，鍛造過(guò)程中，易出現(xiàn)掉晶現(xiàn)象[2]。

2.2 鑄造高溫合金葉片

鑄造高溫合金材料常用采用熔模鑄造工藝，又稱精密鑄造。熔模鑄造技術(shù)取得飛快發(fā)展，由實(shí)心葉片發(fā)展成為空心葉片、從有加工余量葉片到無(wú)加工余量葉片，葉片的造型越來(lái)越復(fù)雜，但是葉片的質(zhì)量與性能得到顯著提升。鑄造高溫合金材料一般常用于渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的制造。

2.3 超塑性成形鈦合金葉片

鈦合金材料依舊是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的常用材料之一，由于鈦合金屬于輕合金材料，在高溫下具有良好的拉伸性能、蠕變強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高等特點(diǎn)。因此，一些寬弦或較大的壓氣機(jī)葉片采用該材料。

2.4 新型材料構(gòu)成的葉片材料

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造水平越來(lái)越進(jìn)步，對(duì)葉片制造技術(shù)的要求也越來(lái)越高，變形高溫合金以及鑄造高溫合金已經(jīng)不能滿足當(dāng)下航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，為此，國(guó)內(nèi)外開始葉片使用材料的研究。20 世紀(jì)80 年代以后，定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、陶瓷葉片材料等材料紛紛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造。由于全球資源處于危機(jī)狀態(tài)，環(huán)境狀況也是不容樂(lè)觀，采用新材料用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造已刻不容緩。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片關(guān)鍵制造技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊性能對(duì)葉片制造技術(shù)的要求越來(lái)越高，葉片的使用年限深受發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度、氣壓以及氣流影響。而且值得注意的是不同的航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)葉片的耗損程度也是不同的。我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)的材料主要以金屬和復(fù)合材料為主，本文以這兩種材料為切入點(diǎn)，分析現(xiàn)階段我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)的加工方法與關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 數(shù)控銑削加工技術(shù)

數(shù)控銑削加工技術(shù)主要運(yùn)用于加工復(fù)雜曲面，工序多，精度要求高的零件。因此，該加工技術(shù)大量運(yùn)用于葉片加工，一般采用多軸數(shù)控銑削設(shè)備加工葉片榫頭和葉身型面。葉片的數(shù)控加工技術(shù)是以鍛造的毛坯為基礎(chǔ)，通過(guò)粗加工、半精加工、精加工等多重工藝和手法，以計(jì)算機(jī)數(shù)控操作技術(shù)進(jìn)行高速加工處理，最終實(shí)現(xiàn)葉片的尺寸特性和表面完整性等。該加工技術(shù)適用于大量壓氣機(jī)葉片[3]。

3.2 數(shù)控強(qiáng)力磨削加工

數(shù)控強(qiáng)力磨削屬于在常規(guī)磨削基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種磨削方式。常規(guī)性的磨削通常使用于精加工的過(guò)程當(dāng)中，而強(qiáng)力磨削則使用范圍廣泛，一般應(yīng)用前無(wú)需粗加工，可用于精細(xì)化的加工過(guò)程。它可以由鑄、鍛件毛坯直接磨出零件所要求的尺寸、形狀和表面，將精加工以及粗加工進(jìn)行有效結(jié)合，從而提高效率。此外，強(qiáng)力磨削解決了難加工材料成形表面的加工問(wèn)題，尤其對(duì)于一些難加工的鎳基耐熱合金材料加工帶來(lái)了很大的優(yōu)越性[4]。因此，數(shù)控強(qiáng)力磨削加工技術(shù)大量應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，例如，渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的加工。

3.3 高速電火花小孔加工技術(shù)

高速電火花小孔加工技術(shù)的工作原理是工具和工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時(shí)局部、瞬間產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除，工具電極采用金屬管，管中通入高壓工作液。加工中，工具電極作高速旋轉(zhuǎn)和伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)高壓水質(zhì)工作液從電極管中噴出，迅速將電蝕產(chǎn)物排除。該加工技術(shù)主要應(yīng)用于渦輪導(dǎo)向葉片葉身上冷卻氣膜孔的加工。

3.4 高速拉削加工技術(shù)

高速拉削加工技術(shù)是指利用特制的拉刀逐齒依次從工件上切下很薄的金屬層，使表面達(dá)到較高的尺寸精度和較低的粗糙度，是一種高效率的加工方法。主要應(yīng)用于成批、大量生產(chǎn)的零件。因此，特別適用于樅樹形榫頭和燕尾形榫頭的加工。

3.5 焊接技術(shù)

焊接是一種以加熱、高溫或高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)。該技術(shù)主要應(yīng)用于葉片修復(fù)和多聯(lián)葉片組件的連接。一般對(duì)于渦輪葉片葉冠接觸面修復(fù)和葉片葉身阻尼臺(tái)修復(fù)，可采用真空釬焊硬質(zhì)合金塊技術(shù)。這樣大大減少葉片因磨損造成尺寸超差而報(bào)廢的損失。

3.6 線性摩擦焊接技術(shù)

線性摩擦焊接方法，簡(jiǎn)言之就是用線性摩擦技術(shù)將葉片焊接在輪盤上的工藝。這種技術(shù)有很大優(yōu)點(diǎn)，它可以極大程度上減少葉片連接點(diǎn)的重量。其原理是將葉片夾緊并放置在輪緣的葉片根部，在輪盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，使葉片和輪盤葉根產(chǎn)生一個(gè)摩擦加熱的區(qū)域。當(dāng)這個(gè)區(qū)域達(dá)到它所應(yīng)該到達(dá)的溫度時(shí)，輪盤就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)葉片和輪盤也就固定并且一直團(tuán)結(jié)在一起。這種方法性價(jià)比更高，目前美國(guó)的MTU 公司已經(jīng)采用了這種技術(shù)。

3.7 3D 打印增材制造技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的3D 打印技術(shù)，這是一種先進(jìn)的加工技術(shù)，是近幾年剛剛興起的技術(shù)，它不同于傳統(tǒng)的葉片制造技術(shù)。3D 打印的理念是“增材制造”，這是它區(qū)別于傳統(tǒng)“減材制造”工藝的最大區(qū)別。3D 打印技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，它能將三維的制作過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槎S相疊加的過(guò)程，使工藝更加簡(jiǎn)單高效，實(shí)現(xiàn)了擺脫模具和工具條件下，依舊能生產(chǎn)出任何形狀的復(fù)雜零部件，效率和質(zhì)量都有非常大的提高[5]。

最先開始3D 打印技術(shù)研究的是美國(guó)GE 公司，利用3D 打印增材技術(shù)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制作是一個(gè)近乎理想的選擇。3D 打印技術(shù)可以更為輕易地加工熔點(diǎn)和硬度高的高溫合金與鈦合金材料。3D 打印技術(shù)對(duì)材料的利用率可以說(shuō)是完美的，這樣就可以很大程度上解決航空航天裝備制作所需昂貴的原材料的浪費(fèi)問(wèn)題，極大節(jié)約了制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的成本。因此，3D 打印技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉的制作，無(wú)疑是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)扇葉制作技術(shù)的顛覆性革命。

4 結(jié)論

總結(jié)當(dāng)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片關(guān)鍵制造技術(shù)的現(xiàn)狀，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行完整研究與描述。作為飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接影響飛機(jī)的性能、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)，被譽(yù)為“工業(yè)之花”。因此，為將來(lái)建設(shè)智能化、數(shù)字化生產(chǎn)模式以適應(yīng)未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)大環(huán)境，研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等代表零件的關(guān)鍵制造技術(shù)是非常有必要的。