航空发动机中叶盘整体加工技术.docx

整体叶盘加工中应用到的特种加工技术1.1绪论现代航空发动机的结构设计和制造技术是发动机研制、发展 、使用中的一个重要环节，为满足以 FII9、FI20、EJ200为标志的第 4 代 战斗机用发动机以及未来高推重比新概念发动机的性能要求除采用先进技术、减少飞机机体结构、机载设备的重量外，关键是要求发动机的推重比达到 I0 这一级 重点突破发动机部件的气动、结构设计、材料、工艺等方面的关键技术。其中在发动机风扇、压气机、涡轮上采用整体叶盘(Biisk)结构(包括整体叶轮、整体叶环)是重要措施。1.2整体叶盘结构的特点整体叶盘是航空发动机的一种新型结构部件，它与常规叶盘连接相比有以下特点：（1）不需叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些重量的结构，减轻了发动机风扇、压气机、涡轮转子的重量。（2）原轮缘的榫头变为鼓筒；盘变薄，其内孔直径变大;消除了盘与榫头的接触应力，同时也消除了由于榫头安装角引起的力矩产生的挤压应力; 减轻了盘的重量提高了叶片的振动频率。（3）整体叶盘可消除常规叶盘中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提高。（4）由于省去了安装边和螺栓、螺母、锁片等连接件，零件数量大大减少，避免了榫头、榫槽间的微动摩损、微观裂纹、锁片损坏等意外事故，使发动机工作寿命和安全可靠性大大提高。（5）如整体叶盘叶片损坏，为避免拆换整个转子将整体叶盘与其他级用螺栓相连形成可分解的连接结构。（6）由于高压压气机叶片短而薄叶片离心力较小，轮缘径向厚度小 采用整体叶盘结构减重不显著。 1.3航空发动机整体叶盘结构在研究发展中存在的问题虽然，整体叶盘具有如此多的我优点，但是在整体叶盘的加工和使用过程中，我们也遇到了很多的问题，比如：（1）整体叶盘加工困难，只有制造技术发展到一定水平后，整体叶盘的应用才成为可能。 （2）发动机在使用过程中转子叶片常遇到外物打伤或因振动叶片出现裂纹，整体叶盘要更换叶片非常困难，也有可能因为一个叶片损坏而报废整个整体叶盘，因此风扇的第I2级一般不用整体叶盘结构。（3）由于整体叶盘的叶型复杂，精度要求高叶型薄、受力后变形大，所以机械加工非常困难；又因为齿数多、齿密，所以加工量非常大。 因此叶型加工是整体叶盘制造的主要工序。1.4整体叶盘的特种制造技术简析 发动机整体叶盘的制造工艺和维修的复杂性是目前影响其应用和推广的两大因素，整体叶盘的机械制造加工面临越来越强的挑战，由于整体叶盘结构复杂、加工精度要求高，尤其是叶片工作表面为空间自由曲面，形状极其复杂，特别是为适应其高温、高压、高转速的工作条件，广泛采用钛合金粉末高温合金等高性能金属材料和钛基复合材料、钛铝化合物基复合材料等先进复合材料。因此影响了材料的可加工性，传统的机械加工方法已难以胜任必须应用现代特种制造加工 技术探索研究出更加高效、可靠的加工工艺方法。1.5整体叶盘从结构设计上分为整体式和焊接式两类：整体式整体叶盘制造依赖于精密制坯技术、特种加工技术和数控机床的发展；焊接式把复杂、困难的叶型加工改变成单个叶片的叶型加工。 但增加焊接工序，焊接的精度和焊缝质量与整体叶盘的性能和工作可靠性密切相关。因此，焊接工序只能采用先进、精密的焊接工艺，如电子束焊、线性摩擦焊、真空固态扩散连接等。 1.6整体叶盘制造的技术途径目前制造整体叶盘有以下5种技术途径：1.6.1精密制坯技术 现代精密制坯技术、精密铸造和锻造的发展日臻完善。精密铸造和精密锻造采用CATIA软件预测模型和计算机模拟技术，实现了实体造型以及铸、锻过程中用计算机模拟仿真。这些技术提高了金属填充和凝固质量，消除了疏松，避免了热裂，可取代常规的试铸法。从而提高了精密铸造和精密锻造的质量与效率，降低了成本。（1）精密锻造技术的发展使锻压工艺彻底突破了毛坯生产的范畴， 可以加工出接近成品的零件。现在整体叶盘大多采用精密锻造作为制坯手段，能节省贵重金属材料，减少难加工材料的机械加工量，提高整体叶盘的疲劳强度和使用寿命。 例如，美国GE公司已用等温锻造技术制造出了带叶片的压气机整体叶盘转子，材料利用率提高4倍。 精密锻造零件的尺寸精度可以达到 + (O.l-O.25)mm， 表面粗糙度可以达到RaO.4-l.6um。整体叶盘精密锻造的精度和质量主要依靠计算机对锻造过程进行控制，GE公司已用热等静压法将钛合金粉末高 温合金盘与精锻叶片复合成形为钛合金整体叶盘;在精密锻造时还采用了超塑等温模拟技术，获得了优异的组织和力学性能。1.6.2精密铸造技术由于精密铸造工艺的新发展，特别是金属材料定向凝固和热等静 压理论的深入研究，使得铸造合金组织和性能大大改善，解决了叶片疲劳断裂的裂纹沿垂直于叶片主应力方向的晶粒边界发生、熔模铸造内部存在缩松缺陷等问题。使叶片的抗疲劳性、应力断裂寿命大为提高，并且可以减少焊后裂纹、降低铸件的性能变化和分散程度。目前较为成熟的精密铸造技术有实型铸造和熔模铸造两种。 我国航空材料研究院整体叶盘的精密铸造技术已取得重要成果。采用K4l84镍基高温合金成功铸造出了直径为l2Omm、带有34个叶片的动力涡轮整体叶盘。采用的方法是将轮盘铸造成细晶，将整体叶片铸造成定向柱晶或单晶，不同晶粒形态各有优势；细晶具有较好的低周疲劳和拉伸性能，适合于中低温下使用; 而方向性柱晶则具有较好的冷热疲劳、低周疲劳和抗振动疲劳性能，适合于高温下工作。为了进一步提高采用精密铸造制造的整体叶盘坯件的密度、改善力学性能，应将坯件进行等静压处理和真空热处理。1.6.3锻接法 美国PSW公司在制造粉末高温合金整体叶盘时，应用了锻接扩散连接技术，即扩散连接技术。它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， 即在将叶片植入轮缘内的同时进行扩散连接，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 热和变形参数、 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很重要的。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。锻接工艺可有效用于超级耐热合金和钛合金之间的连接和修补，可用于风扇、压气机和涡轮整体叶盘结构的制造、修补和更换叶片。1.6.4电子束焊接法 在各种先进精密的焊接工艺中，电子束焊发展较早，也较成熟，并最先用于整体叶盘的制造过程中。整体叶盘因其主要用于风扇的第 23级和高压压气机的第 l2 级，故材料多为钛合金。由于钛合金电子束焊，具有大穿透、小变形、无氧化、高强度、焊接尺寸精度高、质量稳定、效率高等优点，因而在我国高性能航空发动机制造中很多钛合金零件都采用电子束焊接工艺。EJ2OO也采用此法制造，即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，从而达到减重效果。1.6.5线性摩擦焊 线性摩擦焊是一种固态连接技术， 是旋转摩擦焊的重要发展，类似于扩散连接。线性摩擦焊与扩散连接不同之处在于：在扩散连接中，连接的工件是在炉中加温使其达到高温的;而在线性摩擦焊中，工件的高温是通过两配合面间的相互高频振荡产生的。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，最后再在五坐标数控铣床上用捧铣刀将多余材料铣掉。Fll9 的 23 级风扇和 6 级高压气机以及 EJ2OO 发动机的 3 级低压压气机的整体叶是线性摩擦焊接技术成功应用的顶级标志。 1.6.6数控电解加工技术整体叶盘由于构型复杂, 特别是由难切削材料制成的、带薄型片结构复杂的整体叶盘用数控铣削、精密铸造方法加工时就更困难,甚至不能加工(如带冠整体叶轮)。电解加工与数控技术相结合的数控电解加工技术,作为一种补充技术,可以解决数控铣削、精密铸造不能加工的难题,为整体叶盘制造提供了一种优质、高效、低成本，且具有工具阴极无损耗,无宏观切削力,适宜加工各种难切削材料和长、薄叶片及狭窄通道的整体叶盘,加工效率高,表面质量好等优点。同时，它又具有数控的优点,能以计算机数控方式实现型面三维运动, 可用于加工各类复杂结构、多品种、小批量零件,甚至单件试制的生产中。 因此这种工艺技术非常适合于加工用数控铣削、精密铸造难加工或不能加工的零件,如小直径、多叶片、小叶间通道(1.5-3mm宽度)零 件 ,难切削材料变截 面扭曲叶片整体叶轮,以及数控铣无法加工的带冠整体叶轮等。