自20世紀40年代進入噴氣時代以來，伴隨著人們對發(fā)動機推重比需求的提高，航空發(fā)動機技術(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，必須對航空發(fā)動機關(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)用趨勢進行深入剖析。

    航空發(fā)動機是飛機性能、可靠性和成本的決定性因素。從1903年萊特兄弟首次實現(xiàn)動力飛行，所使用的推重比僅為0.11的水冷式發(fā)動機，到第二次世界大戰(zhàn)期間迅速發(fā)展起來的推重比可達1.0左右的活塞式發(fā)動機，再到如今成為航空動力裝置主力的推重比已達10.0左右的噴氣式發(fā)動機，航空發(fā)動機推重比有了重大發(fā)展（見圖1）。評價航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵性指標為發(fā)動機的推重比，其每一階段的發(fā)展都是與當(dāng)時的社會需要以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平（如耐高溫的材料、先進的加工方法等）分不開的。

圖1 1940~2010年間發(fā)動機推重比的發(fā)展

    自20世紀40年代進入噴氣時代以來，伴隨著人們對發(fā)動機推重比需求的提高，航空發(fā)動機技術(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，必須對航空發(fā)動機關(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)用趨勢進行深入剖析。

1 風(fēng)扇/壓氣機

    壓氣機用來提高進入發(fā)動機內(nèi)的空氣壓力，它不僅受較高的離心負荷、氣動負荷等，還會受到發(fā)動機進氣道外來物的沖擊，受風(fēng)沙、潮濕的侵襲，同時由于壓氣機前面增壓級和后面增壓級的流通能力不匹配，容易產(chǎn)生喘振現(xiàn)象，因此，無論在設(shè)計、制造，還是維修中都需在這方面耗費更多的精力和成本。下面分兩部分概述壓氣機結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)的發(fā)展變化。

1.1 風(fēng)扇葉片

    20世紀80年代初，風(fēng)扇葉片一般為窄弦、帶凸肩、實心結(jié)構(gòu)，由鈦合金整體鍛件加工而成，其主要加工工序為：先墩出葉根和凸肩，并預(yù)鍛成形，再在帶轉(zhuǎn)動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，氣動效率低，同時，實心的葉片質(zhì)量過大，這種葉片不適合更大推力發(fā)動機對風(fēng)扇葉片的要求。

    為解決這些難點，英國羅-羅公司于80年代中期開創(chuàng)性地設(shè)計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)活化擴散連接形成一體。

    為進一步減輕結(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，這種葉片采用鈦合金3層結(jié)構(gòu)的超塑成形/擴散連接（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飛機的“遄達”發(fā)動機上。

    同時，美國普惠公司在PW4000系列基礎(chǔ)上研制的增推型發(fā)動機PW4084的風(fēng)扇葉片的設(shè)計也采用寬弦空心結(jié)構(gòu)，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)動機上，壓氣機的使用溫度將達到705~982℃，復(fù)合材料有可能成為壓氣機葉片、機匣和空心風(fēng)扇葉片的主要材料，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。

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

    目前，普惠公司正在研究的連續(xù)SiC纖維增強的鈦基復(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)動機風(fēng)扇再減重約14%，其主要制造過程如下：

    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行碳化硅纖維預(yù)制帶的擴散連接。

    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。

1.2 整體葉盤/葉環(huán)

    整體葉盤結(jié)構(gòu)是在20世紀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)動機部件效率的新型結(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)在先進軍用發(fā)動機（如F119和EJ200）的三級風(fēng)扇、高壓壓氣機的整體葉盤轉(zhuǎn)子上進行了驗證。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)更為簡單，減重效果更加明顯。

    整體葉盤/葉環(huán)相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了很大的改進：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)，不需要進行組合裝配，有利于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平衡；而且顯著地減少了零件數(shù)，增加了發(fā)動機結(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)。早期，一般采用五坐標數(shù)控銑床來加工整體葉盤，此種方法既費時，成本又昂貴。

    20世紀90年代，GE公司發(fā)展了一種加工整體葉盤的新工藝，即電化學(xué)加工（ECM）的工藝方法，取得了較好的效益；同時，在修復(fù)技術(shù)方面，GE公司也針對性地對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)動機上。

    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，并且可以直接對損壞的單個葉片進行修復(fù)，因此得到了廣泛應(yīng)用。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)。壓氣機結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 壓氣機結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程

2 燃燒室

    航空發(fā)動機主燃燒室的傳統(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60年代，環(huán)形燃燒室出現(xiàn)，并成為燃氣渦輪發(fā)動機的優(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。

    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)動機燃燒室性能的關(guān)鍵。早期的發(fā)動機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械加工出縱向的散熱片，實踐證明，此種散熱方式效果有限，且不易加工，因而已被淘汰。為加強筒體的散熱，降低加工難度，

    目前大中型發(fā)動機的環(huán)形燃燒室上普遍采用的是機械加工成形的氣膜式火焰筒，這類火焰筒可大大提高散熱效果，滿足現(xiàn)代發(fā)動機燃燒室高容熱強度的要求。隨著航空發(fā)動機燃燒室進口溫度、壓力和出口溫升的逐步上升，高溫燃氣向火焰筒壁面的熱輻射強度也隨之增強，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火焰筒的冷卻問題，同時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，尺寸精度提高一個數(shù)量級，焊接變形難以控制等，針對這些難題，楊秀娟等已在文獻【第四代航空發(fā)動機浮壁式燃燒室制造技術(shù)】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)動機，其燃燒室出口溫度將高達2000~2200℃，火焰筒承受的溫度將大于1538~1750℃，因此，先進航空發(fā)動機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)展的用各種長纖維（Si3N4、SiC、Al2O3等）增強的陶瓷基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的耐高溫、高抗氧化和高比強等特性，美國的IHPTET 計劃提出，高性能發(fā)動機采用陶瓷基復(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

3 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氣的沖擊下承受大的熱負荷、熱沖擊等，并且材料在熱燃氣的作用下還易于腐蝕。航空發(fā)動機性能的提高依賴于渦輪前燃氣溫度的提高，20世紀50年代發(fā)動機渦輪前燃氣溫度僅為800℃，而如今軍用發(fā)動機的燃氣溫度則高達1550~1650℃，隨著發(fā)動機的發(fā)展，渦輪部件的工作環(huán)境會越來越惡劣。為滿足不斷提高燃氣溫度及降低重量的要求，必須不斷研制與發(fā)展更耐高溫的材料，改進部件結(jié)構(gòu)及冷卻技術(shù)。

3.1 渦輪盤

    渦輪盤承受著離心載荷、熱負荷和振動負荷等，早期的發(fā)動機由于推重比不高，渦輪前燃氣溫度也僅在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)很難滿足未來先進航空發(fā)動機的性能要求，美國普惠公司在IHPTET計劃的分計劃ATEGG中提出了雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)，并在第III階段的XTC67/1驗證機上對其進行試驗驗證，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個對稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結(jié)構(gòu)。

    欒永先等對雙輻板結(jié)構(gòu)強度進行了分析，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)動機結(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)動機渦輪盤的設(shè)計及冶金質(zhì)量要求，渦輪盤高溫合金坯件必須是純潔、均勻和細晶組織的，制備發(fā)動機渦輪盤高溫合金坯件主要有先進的鑄鍛變形、粉末冶金和噴射成形3種工藝方法，如圖5所示。

圖5 先進高溫合金渦輪盤坯件制備工藝流程對比

    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)動機上得到成熟、可靠的應(yīng)用。未來，高純度、細顆粒高溫合金粉末氬氣霧化批量制備和超細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)動機中有著廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 渦輪葉片

    渦輪葉片是航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件, 其承受溫度的能力是評價發(fā)動機性能和決定發(fā)動機壽命的重要因素，因此渦輪葉片的結(jié)構(gòu)和材料的選用是提高航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵，各代航空發(fā)動機渦輪葉片結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展如表1所示。

表1 各代軍用航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和材料類型

    為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動機的渦輪葉片的使用要求，20世紀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質(zhì)的飛躍，達到了800℃水平，發(fā)動機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)動機渦輪葉片的主選材料，定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，使用溫度達到了1050℃水平。

    第三代航空發(fā)動機普遍使用的單晶合金渦輪葉片即是定向凝固技術(shù)的進一步發(fā)展，其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、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)，可使使用溫度達到1550℃。目前，國外推重比10的發(fā)動機F119/120（美、GE90（美）、EJ2000（英、德、意、西）以及其他新型發(fā)動機都采用單晶高溫合金鑄造空心渦輪葉片結(jié)構(gòu)。

    在工藝方法上，早期的渦輪工作葉片均采用高溫與高強度鎳基合金鍛造后經(jīng)機械加工而成，隨后采用真空精密鑄造后拋光而成，到了20世紀80年代則逐漸采用定向結(jié)晶鑄造與單晶鑄造的葉片。

    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。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。

圖6 熱壓注法制備陶瓷型芯工藝過程

4 結(jié)束語

    發(fā)動機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。從航空推進技術(shù)的發(fā)展歷程來看，發(fā)動機關(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計劃也明確指出，未來高性能航空發(fā)動機將大量使用復(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。

    我國對發(fā)動機的研究起步較晚，生產(chǎn)設(shè)備落后，與國外差距較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝方面又處于劣勢，因此，我們必須重視基礎(chǔ)學(xué)科的研究，加強制造工藝的發(fā)展，重視設(shè)計-材料-工藝密切配合，實現(xiàn)新一代高性能航空發(fā)動機的研制成功。

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本文標題：航空發(fā)動機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及制造工藝的發(fā)展

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