航空发动机取得核心突破 中国“心”展翅高飞

国际金属加工网 2018年10月10日

近日,中国科学院第三季度例行新闻发布会上传来了关于国内航空制造领域的好消息。中科院西安光学精密机械研究所瞄准航空、航天等战略领域对极端精密制造装备的重大需求,在中科院科技成果转移转化重点专项(弘光专项)项目“航空航天发动机极端精细制造装备”等的支持下,开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器,研制出系列化超快激光极端制造装备,实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破。

在航空领域,航空发动机一直被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,其制造水平代表着一个国家的科技、工业和国防实力。然而,我国现有加工手段容易导致航空发动机关重件出现各种制造缺陷,严重影响新一代航空发动机的研制和生产。在航天领域,卫星电推进器等关重件存在微米级加工精度、高表面质量、大幅曲面薄壁结构等极端制造瓶颈,会极大影响航天飞行器的性能、寿命及可靠性。因此,对于本次国产“黑科技”的突破,中科院西安光学精密机械研究所研究员杨小君表示:“研制出系列化超快激光极端制造装备,填补了国内空白,达到了国际先进水平。”

在国际上率先突破关键技术

杨小君介绍,这次创新在国际上率先突破了小空腔(0.5毫米)叶片对壁无损伤微孔加工的世界技术难题,在国内率先攻克了高精度、三维可编程、异型微结构扫描成形技术,实现了超高精度(±2微米)及异型气膜孔的高品质加工,为新型航空发动机叶片的研制提供了重要的技术支撑。

中国经济导报记者了解到,在弘光专项项目的支持下,西安中科微精光子制造科技有限公司(以下简称“中科微精”)实现了系列化超快激光极端制造装备的产业化。截至目前,已建成1条核心部件及3条极端精细制造装备的中试生产线,相关产品已在中国航发商发、中国航发西航、中国航发黎明、贵阳精铸、中国航发航材院等20余家航空航天领域优势单位得到应用,为我国航空航天发动机关重件加工提供了新的加工手段和装备,有力推动了我国航空航天发动机领域的技术进步和产业发展。

杨小君说,此次针对航空领域,项目组在国内率先利用超快激光极端制造技术攻克了新型超高温单晶材料和高精度复杂微结构制造难题,实现了对高压涡轮叶片气膜孔的“超精细冷加工”,解决了现有电火花、长脉冲激光加工工艺存在重铸层、微裂纹、再结晶等缺陷的问题,完成了国产发动机多型号、多批次高压涡轮单晶叶片的气膜孔加工及验证,为国产大飞机发动机换上“中国心”打下了坚实基础。同时,针对航天领域,攻克了50±2微米高品质钻孔技术,将航天推进器流量控制板的控制精度提升三个数量级(由毫克/秒提升至微克/秒),减少燃料携带量约20%,并成功应用于世界首套在轨验证的磁聚焦霍尔推进系统,促进了航天推进系统升级。

“超快激光极端智造技术是我国飞机发动机性能提升与发展的革命性技术,航空发动机涡轮叶片气模孔是微米级,而且叶片中间是空心的,要求对壁不能损伤,我们通过超快激光微加工技术,突破了传统制造方式加工叶片气膜孔存在的重铸层、微裂纹、再结晶等缺陷,解决了航空发动机在超高温(1700℃)及超高压等苛刻条件下,造成叶片易产生裂纹、蠕变、侵蚀甚至是断裂等难题,实现对高压涡轮叶片气膜孔‘超精细冷加工’的重大突破,显著提升了发动机寿命及推力,促使我国航空发动机设计、制造等进入了新的发展阶段。”中科微精科技发展部的经理表示,超快激光因具有极短的作用时间和超强的峰值功率等特性,可将作用区域材料直接电离,实现无材料选择的非热熔性“冷加工”,获得传统工艺无法比拟的超精细、低损伤等加工优势,已成为航空、航天、电子等领域极端制造的重要手段。

叶片研究与应用正逐步赶超

叶片无疑是航空发动机核心中的核心,突破叶片技术难关,成为航空发动机逆袭的关键。多年来,中国的航空材料人不仅实现了单晶叶片的技术突破,还打通了从基础研究到应用技术研究,再到工程化研究,直至型号应用和型号保障的全流程科研工程系统。中国航空发动机所需的单晶合金叶片研究与应用,已经走上了可持续发展的快车道。

在叶片工作的过程中,叶片需要承受发动机工作时的启动制动力,发动机将面临温度剧变、转子叶片在高速运动下的离心力和根部切应力。这样的工作环境,就要求叶片的材料具有较高的蠕变强度、热机械疲劳强度、抗硫化腐蚀等特性,一些较为先进的航空发动机内部力要求更高。公开数据显示,一个小小的涡轮叶片(几十毫米量级大小)在工作时承受着相当于5辆皮卡车的重量,一个十几克重的涡轮叶片给涡轮盘施加的离心拉力为上万公斤。

这么高难度的核心制造工艺属于欧美长期垄断和严格技术封锁的技术项目,至今中国航空发动机的落后领域仍然是在叶片,虽然已取得巨大进步,但是与主要发达国家相比,仍存在差距。早些年因为我国的航空工业实力不够,我们的高端发动机一直都依赖国外进口。业内人士表示,这种差距除体现在技术、工艺、材料上,还有一个至关重要的东西需要跟上,那就是技术积累。

中国航空工业近年来的蓬勃发展,离不开一代代军工人呕心沥血的科研攻关。对于航天器来说,飞机的“心”一直是我国军工的一项短板,也是制约我国飞行器发展的最重要一环。不过,目前,这一差距正在逐渐缩小。

2014年,我国自行研制的第五代含铼高温合金材料、陶瓷基高温涡轮叶片及单晶涡轮叶片项目正式投产,这是我国在航空发动机和工业汽轮机制造领域取得的新突破,只有中日两国成功研制了第五代高温单晶合金。目前,我国自主研发的第一代和第二代单晶叶片已经用于涡扇-10改进型发动机,而三代高温单晶合金也已经应用于涡扇-15发动机上。据介绍,航空发动机叶片相关技术的掌握,意味着我国将大大提高大推重比发动机的生产能力,并将大大提高原有发动机的使用寿命。

相关技术还将惠及公众生活

中科微精成立短短三年来,不断攻克超快激光极端精细制造领域的一个个技术难关并进行了产权固定,团队申请专利120余件,从设备整机到关键部件再到加工系统集成专业软件,均有知识产权覆盖保护,加速了公司的市场开拓和快速发展。

激光技术自问世以来,60多年间,取得了飞跃的发展,其应用几乎涵盖所有工业领域,除轻工业、汽车、航空航天、动力及能源行业外,正逐步向精细、微细加工领域拓展,有力推动了电子制造、集成电路、通讯、机械微加工、医疗、牙科、美容仪器设备及新兴应用的发展。

中国经济导报记者了解到,作为国内超快激光高端制造装备的先导者,中科微精也相继开发出系列化超快激光加工装备(航空类、航天类、汽车类、电子类),在将超快激光极端智造技术应用于航空航天事业的同时,也不断向民用领域拓展,惠及公众生活。

超快激光智造技术和装备可以应用在电子、汽车、医疗等方面。由于燃料不完全燃烧造成的汽车尾气是空气污染的一个重要原因,利用超快激光技术可实现汽车喷油嘴倒锥孔高精度加工,经过高压雾化的燃料可更加充分地燃烧,达到减少废气污染的目的。在医疗领域,超快激光解决了国产心脏支架加工精度低、筋宽不一致、毛刺多等加工缺陷,解决了制约国产心脏血管支架激光切割加工的“瓶颈”技术问题。在电子通信领域可实现蓝宝石、玻璃等硬脆材料高效、高品质加工瓶颈,可大幅提升加工效率,降低制造成本。

(郭丁源 中国经济导报)

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