航空发动机叶片制造难?这些技术顶上来!

国际金属加工网 2018年04月12日

飞机发动机是飞机的“心脏”,是一架飞机最核心的部件,一般来说,航空发动机的制造成本占整机制造成本的30%左右,重要性不言而喻。围绕着发动机的研发和创新一直是各大主流发动机厂商激烈竞争的话题。

从结构来看,从前往后依次为进气道-风扇-压气机-燃烧室-涡轮-尾喷口等;而最核心的三大部件为高压压气机、主燃烧室、高压涡轮。作为其中的关键性构件——风扇叶片,始终是最难加工的一个步骤。

航空发动机不断追求高推重比,使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求,因而国外自70年代以来纷纷开始研制新型高温合金,先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料;单晶高温合金已经发展到了第3代,如铬基高温合金叶片。80年代,又开始研制了陶瓷叶片材料,在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。

发动机中叶片主要分为四个部分:

  • 扇叶(fan blades)

  • 压气机叶片(compressor blades)

  • 高压涡轮叶片(high pressure turbine blades)

  • 低压涡轮叶片(lowpressure turbine blades)

你知道叶片在发动机中起多大作用吗?

发动机中完成对气体的压缩和膨胀,并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作的就是这众多的叶片。

叶片是一种特殊的零件,它数量多,形状复杂,要求高,加工难度大,而且是故障多发的零件一直以来各发动机厂的生产的关键,因此对其投入的人力、物力、财力都是比较大的,而且国内外发动机厂家正以最大的努力来提高叶片的性能,生产能力及质量,以满足需要。

喷气式飞机发动机的涡轮叶片

发动机的特殊结构组成及工作原理对叶片的性能提出了很高的要求,同时发动机内温度、气流和压力影响着叶片使用情况。

由于发动机叶片的曲面构型极其复杂,而又要传递相当大的扭矩和极高的燃烧温度,因此,叶片的材料一般选择的是耐高温,强度高的材料做成。最初的材料一般是多晶的镍基高温合金,后来制成了定向晶界的多晶叶片,结晶方向与受力方向一致,性能提高很多,最后发展到普遍采用钛合金材料加工。由于钛合金的强度和硬度都非常的高,引起了大家的广泛青睐,然而钛合金的加工工艺和方法都非常的困难,所以导致人们不得不寻找更为先进的加工方法。基于此,目前人们采用了整体叶片加工技术。

精彩视频:飞机叶片的制造过程

 

制造整体叶盘有以下技术途径:

电子束焊接法

先将单个叶片用电子束焊接成叶片环,后用电子束焊接技术将锻造和电解加工成形的轮盘腹板与叶片环焊接成整体叶盘结构。这种整体叶盘结构比传统的榫头连接的叶盘转子结构重量减轻30%,并可根除榫槽断裂危险。

● 锻接法(用锻压植入叶片+扩散连接)

用局部加热法将单晶精铸叶片直接连接到锻造涡轮盘的轮缘上。涡轮盘轮缘局部加热至变形温度后,用待连接的单晶叶片在局部加热的轮缘连接部位施压,使局部加热区域产生变形,即将叶片植入轮缘内的同时进行扩散连接过程,将叶片牢固地连接在涡轮盘的轮缘内。

锻接法的关键是正确有效地控制局部加热变形参数(温度、压力、变形量),这对叶片与轮盘之间消除松动、产生完全致密的高强度结合面是非常重要的。用此法制造的整体叶盘结构必须确保锻接过程中,叶片始终准确定位,并始终保持定位的位置。

● 五坐标计算机数控加工或电解加工技术

整体叶盘结构的制造还可采用经模锻的高温合金或钛合金实体整体叶盘毛坯经五坐标数控加工技术或数控电解加工技术成形。此种方法要切掉大量金属材料,价格昂贵,加工时间和制造周期长。

● 线性摩擦焊接(LFW)法

用线性摩擦焊将叶片焊接在轮盘上,可节省大量叶片的连接件和结构重量。它是先将叶片夹紧在轮缘的叶根上,并使轮盘周向以高速振动,在叶片和轮盘叶根界面产生一个窄的摩擦加热区,当加热区的温度达到要求的温度时即停止振动,叶片与轮盘固定直至固结在一起。此法要比用实体毛坯加工法更经济。

目前罗-罗公司和MTU公司已用 LFW技术成功地制造了宽弦风扇整体叶盘,并将为JSF的发动机提供LFW整体叶盘。用LFW技术可从发动机上更换掉被鸟撞损坏的叶片,也可用LFW技术将叶片与用不同材料制造的轮盘焊接在一起,以获得最佳的减重效果。

碳纤维复合材料风机叶片—GE9X发动机

增材制造法(3D打印技术)

3D打印技术作为兴起的先进加工技术,不同于以往的其他减材的加工技术,3D打印采用的是增材制造的理念。由于3D打印技术将复杂的三维制造过程转化为一系列二维制造的叠加过程,因而可在不使用模具和工具的条件下生成几乎任意形状的复杂零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。

美国GE公司就着手在这一方面进行研究,利用3D打印技术制造出发动机的叶片是一种很理想的选择,3D打印是上述结构非常理想的一种指导方法,它可以克服结构件占有空间大、形状曲面复杂,采取切割加工时往往95%~97%的材料都会被切割掉,而且在切割加工中变形非常大,且加工所用机床的制造难度非常大。

然而3D打印技术却可以很方便地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料。3D打印加工过程的材料利用率很高,可以节省制造航空航天装备零部件所需的昂贵原材料,显著降低制造成本。所以从这个角度上来说,3D打印在航空航天领域是一项颠覆性技术。


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欧特克雷尼绍

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