航空发动机特种加工技术概论

1、航空发动机特种加工技术概论摘要:综述了新型发动机上常用的几种特种加工技术, 如高能束流加工技术,电加工、磨粒流加工以及特种焊接加工技术。关键词: 特种加工新发动机制造技术应用在现代航空发动机设计中, 为满足高性能航空发动机的要求, 必须大量采用新材料、新结构, 于是产品的可制造性就对制造技术提出了新的挑战, 如难加工材料、复杂型面、精密表面的加工及特殊要求的零件加工等问题。特种加工技术的采用, 可使航空发动机零件数量减少, 结构设计简化, 从而在性能、适用性、可靠性、维修性等方面均得到提高。特种加工技术是借助电、热、声、光、电化学、化学及特殊机械能等多种能量或者它们组合起来实现材料去除的加工方

2、法。1 高能束流加工技术高能束流加工技术被誉为“21 世纪加工技术” , 是利用高能密度束流(激光束、电子束、等离子束 作为热源, 对材料或构件进行特种加工的技术, 包括焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性和刻蚀、精细加工等。近20 年来, 高能束流无论在加工范围、加工种类还是在加工材料方面, 都有很大的覆盖面。1.1 电子束加工技术利用高能密度的电子束对材料进行工艺处理的方法统称为电子束加工技术, 如焊接、制孔、切割、表面改性、物理气相沉积等。其中, 焊接、制孔应用最为普遍。为保证新型发动机结构重量减轻和结构完整性的提高, 采用真空电子束焊接是保证重要承力构件可靠性的重要工艺手段。电子束焊接技术

3、发展已有30 多年历史, 广泛应用于航空发动机重要承力旋转构件上, 如R B 1 9 9 , R B 2 1 1 , V 2 5 0 0 , PW 4 0 0 o ,F1 0, C FM 56 , A JI 一3 1 小, P几一3 等发动机的风扇、高低压转子等, 焊接零件材料主要为钦合金和高温合金。我国电子束焊接技术已用于焊接发动机鼓筒轴、整体转子、机匣、静子环、燃烧室等。如某型发动机1 2 级钦合金(Ti l7 、4 9 级高温合金(G H 4 1 6 9 压气机转子、燃烧室外套、高压涡轮机匣(异种材料G H g o 7 / G H 4 1 69 、风扇转子及某型发动机1 一2级钦合金、4

4、 7 级高温合金压气机转子、燃烧室内外套等部件就采用了高压电子束焊接技术, 这些都是在北京航空工艺研究所自行研制的9 m 3 真空高压电子束焊接设备上进行的。由于航空发动机零件结构复杂、尺寸精度高、材质多样, 尤其是异种材质的焊接, 要求电子束焊接技术具有多功能、数控化、精度控制、能量集中、穿透能力强等特点, 这些将是“九五”期间应进行重点研究的主课题。利用电子束可在。.1 1Om m 厚的板材上加工出必。.1 1 .4 m m 的孔,打孔速度可达1 0 s x 1 O3 孔/ s , 孔壁再铸层厚度为0.05 m m 。电子束适合于生产量大、孔密集的零件加工。南方航空动力机械公司引进了西德数

5、控电子束打孔机床, 用于研制法国阿赫耶发动机燃烧室气膜小孔加工。1.2 激光束加工技术激光加工技术是利用高能量密度的激光束与材料相互作用时产生的瞬时热效应和方向性很强的冲击波效应的综合作用来实现对材料的制孔、切割、焊接、雕刻及表面改性等不同目的的加工方法。激光被誉为“万能加工工具” , 在航空、航天、电子、兵器、船舶、汽车、机械等领域占有主导地位。为了提高发动机的推重比, 必须提高涡轮前温度, 因此在涡轮叶片上采用气膜孔冷却是最为有效的技术之一。而激光制孔是目前加工航空发动机耐热合金冷却小孔的比较先进的工艺方法, 适合加工不同尺寸和角度、空间分布的小孔。如我国某型发动机的涡轮工作叶片和某型发动

6、机的涡轮外环孔板、导向叶片叶身及组件气膜冷却孔就采用了激光制孔技术。激光切割技术主要用于切割特种航空材料, 如发动机火焰筒、钦合金薄壁机匣等。某型发动机涡轮静子环精密叶形孔的制作就采用了激光精密切割技术。激光焊接技术已用于V 2 5 o 。风扇机匣, PW 公司JT gD ,p w Z o 3 7 , PW 4 0 0 o , F 1 0 o 一p w一2 2 0 等发动机燃烧室的激光焊接, 此外PW 公司还利用激光束对PW 4 。o 型发动机涡轮叶片的叶冠进行堆焊, G E 公司已用激光堆焊来修复高压涡轮叶片。1. 3 等离子束加工技术为提高新型发动机热端部件的耐高温性能, 有赖于采用等离子

7、喷涂技术在其构件上涂覆具有特殊功能的高温涂层, 即高温热障、高温耐磨、高温封严等涂层。此外, 涂层可提高基体材料的使用性能并改善发动机性能, 延长零部件的寿命, 从而降低制造成本。如美国PW 公司F l lg 发动机就大量采用了先进的防护涂层, 热端部件采用热障涂层, 冷端部件均采用封严涂层、耐磨涂层和防护涂层。F 40 4 发动机导向叶片、加力燃烧室均采用了热障涂层。我国某型发动机上加力筒体隔热屏热障涂层及高压涡轮外环高温封严涂层均采用了等离子喷涂技术。2 特种焊接技术特种焊接技术包括电子束焊接、摩擦焊、激光焊接、真空钎焊、扩散焊、等离子弧焊等技术。2 .1 摩擦焊技术G E 公司采用惯性摩

8、擦焊焊接整体压气机鼓筒, 转子重量可减轻15 % , 材料节省30 % , 成本降低50 % , 获得优质的焊缝质量和高的尺寸精度。F z o z , F 一2 0 , C F 6 , C FM5 6 等发动机的压气机转子也广泛采用了惯性摩擦焊技术。2.2 真空钎焊技术该技术已用于压气机静子环、蜂窝封严环(或扇形段 、涡轮导向器及其外环、涡轮工作叶片的堵盖等零组件的钎焊。如Pw 公司的JT 3 D , JT SD , JT g D 发动机高压静子环, F 4 o 4 发动机的风扇静子, G E 公司的F1 01 , C FM56 发动机的4 一9 级静子环和燃烧室均采用了真空钎焊技术。真空钎焊

9、技术在我国航空发动机试制和批量生产中均有一定的应用, 特别是在发动机上大量采用金属蜂窝封严技术,使真空钎焊技术得到较快的提高和发展。2.3 扩散焊技术该技术已用于空心叶片和导向器叶片组的组合, 也为开发多孔层板结构和组合盘结构提供了技术手段。在发动机研制中, 超塑成形和扩散连接相结合是制造复杂结构件的最佳工艺之一。英国R· R 公司发展的第三代宽弦无凸肩风扇叶片, 就采用了该工艺, 此空心风扇叶片重量较第二代夹层空心叶片减轻15 % ; 美国PW 公司于1 9 9 5 年在PW 4 o 8 4 发动机上采用了该工艺, 生产了2 0 0 。件钦合金空心叶片; 美国G E 公司利用该工艺

10、制造了。: 钦铝化合物的主排气密封装置和尾喷管壳体试验件(F 4 O4 发动机 。北京航空工艺研究所采用S PF / D B 工艺技术研渝了某型发动机的钦合金空心风扇导流叶片, 经过试车, 效果良好, 现已投入试制批生产。2.4 等离子弧焊接、氢弧焊等离子弧焊接技术主要用于发动机钦合金、时效硬化镍基合金构件及马氏体不锈钢等构件。美国G E 公司将此技术用于F1 01 发动机排气管道和加力燃烧室喷管; 英国R·R 公司将此技术用于大直径的钦合金筒体和锥形饭金壳体结构; 我国在飞机、发动机制造上也均有一定的应用, 特别是薄板构件的微束等离子焊接已得到广泛应用, 显示了该技术对控制薄板构件

11、的变形、减少裂纹和提高效率的突出特点。氢弧焊(包括真空充氢电弧焊应用更为普遍, 焊接机器人已用于焊接燃烧室、风扇轮毅等重要部件。近年来出现 5 7 坐标智能自动焊接系统, 能按焊接条件的变化识别和控制影响焊接质量的参数, 并及时地做出响应。3 电加工技术电加工技术包括电解(含电射流加工技术、电火花加工技术等, 是发动机研制中最常用的特种加工技术。3 .1 电解加工技术电解加工是难加工材料的高效、低成本加工技术。该技术主要用于钦合金和高温合金的各种叶片型面、各种机匣的型面、整体叶盘结构以及各种深小孔的加工。在80 年代, 英国R ·R 公司的涡轮叶片车间电解叶片月产量达2 万多片, 机

12、匣车间电解加工品种达87 种之多。美国Pw 公司F1 01 发动机长45 7 m m 的风扇叶片也采用了电解加工工艺。我国某型发动机钦合金风扇叶片、高压压气机 4 9 级叶片方料毛坯采用电解加工, 转包生产中已加工出C FM56 发动机高压后轴上36 个曰1.45 m m 、深70 m m 的小孔, 某型发动机试制中还加工出曰sm m、深1 6 o m m 的滑油孔。照相一电解加工技术是一种高效、经济的加工方法, 适合于薄板零件上的群孔加工, 其特点是加工后孔无毛刺、板不变形。该技术在某型发动机研制中发挥了很大的作用, 如钦合金空气导管阻尼套筒上近9 万个小孔就应用了该技术。该技术还在多孔层板

13、结构中起着很重要的作用, 这种新的结构是在高温合金薄板上打孔、开槽, 以形成复杂、高效的冷却通道, 然后将有冷却通道的薄片扩散连接在一起制成多孔层板, 再利用它制成叶片、火焰筒。美国PW 公司F ll9 发动机浮壁式燃烧室和涡轮叶片已采用多孔层板结构。另外, 电射流加工技术现处于预研阶段, 在某型发动机涡轮工作叶片上进行了干涉孔、横向连通孔试验, 加工出的孔无再铸层, 无微裂纹。3.2 电火花加工技术该技术适合于材料硬度高、难切削以及易变形的薄壁件上的各种复杂形状的型孔、型腔、小孔、盲孔、凹槽的加工, 其典型应用是发动机热端零件气膜冷却小孔、喷油嘴的小孔、燃油阀精密型孔的加工。美国C FM 56 发动机短环形燃烧室70 0 多个气膜冷却孔的加工就采用了组合式多头数控电火花加工技术。我国某型发动机