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現代航空發動機整體葉盤及其製造技（jì）術

2014-1-6 來源：數控機床市場（chǎng）網作者：黃春峰

[ 摘要] 整體葉盤是現代航（háng）空發動機的一種新型結構（gòu）部件, 對（duì）於提高其性能具有重要作用。本文主要介紹了航空發動機整體葉盤結構的特（tè）點、應用現狀、發展（zhǎn）趨勢（shì）及其製造技術。

關鍵（jiàn）詞: 發動（dòng）機（jī）結構整體葉盤特（tè）種加工製造技術

現代航空發動機的結構設計和製造技術是發動機研製、發展、使用中（zhōng）的一（yī）個（gè）重要環節, 為滿足（zú）以 F119、F120、 EJ200 為標誌的第 4 代戰鬥機用發動機以及未來高推比新概念發動機的性能要求, 除采用先進技術減少飛機機體結構、機（jī）載設備的重量外, 關（guān）鍵是要求發動（dòng）機的推重（chóng）比達到 10 這一級, 重（chóng）點（diǎn）突破發動機部件的氣動、結構設計、材料、工藝等方麵（miàn）的關鍵技術（shù）。其中,在發動機風（fēng）扇（shàn）、壓氣機、渦輪上采用整體葉盤(Blisk) 結構( 包括整體葉輪、整體葉環) 是重要措施。

1 整體葉盤結構的特點

(1) 整體葉盤是航空發動（dòng）機的一種新型結構部件,它與常規葉盤連接相比有以下特點:·不需葉片榫頭和榫槽連接的自重和支撐這些重量的結構, 減輕了發動機風扇、壓氣機、渦輪轉子的（de）重量。英國（guó） R· R 公司在發動機中采用整體葉盤結構後, 與傳統的葉片、輪盤分體結構相比, 重（chóng）量可減輕50%; 若采用（yòng）金屬基複合材料 (MMC) 的整體葉環(Bling), 則可減（jiǎn）重 70%。·原輪緣的榫（sǔn）頭變為鼓筒; 盤變薄, 其內孔直徑變大; 消除了盤與榫頭的接觸（chù）應力, 同時也消除了由於（yú）榫頭安裝（zhuāng）角引起的力矩產生的擠（jǐ）壓應力; 減輕（qīng）了盤的重量, 提高了葉片的振動頻率。

·整體葉盤可消除常規葉盤中氣流在榫根與榫槽間縫隙中逸流造成的損失, 使發動機工作效率增加, 從而使整台發（fā）動機推重比顯著提高。

·由於省去了（le）安裝邊和螺栓、螺母、鎖片（piàn）等連接件, 零件（jiàn）數量大大減少, 避免了榫頭、榫槽間的微動摩損、微觀裂紋、鎖片損壞等意（yì）外事故, 使發動機工作壽命和安（ān）全可靠性大大提高。

·如整體葉盤葉片損壞, 為避免拆換整（zhěng）個轉子, 將（jiāng）整體葉盤（pán）與其他級用螺栓相連, 形成可分解的連接結構。

·由於高（gāo）壓壓氣（qì）機葉片短而薄, 葉片離心（xīn）力較小,輪（lún）緣徑向厚度小, 采用整體葉盤結構減重（chóng）不顯著。例如F414發動機的高壓（yā）壓氣機, 前3級采用整體葉盤（pán）後重（chóng）量隻減少3.632kg;而（ér）兩級風扇采用整體葉盤減重20.43kg, 因此EJ200發動機的高壓壓氣（qì）機僅（jǐn）第一級采用整體葉盤結構。

(2) 航（háng）空（kōng）發動機整體葉盤結構在研究發展中也存在一些問題（tí）。

·整（zhěng）體葉盤（pán）加工困難, 隻有製造技術發展到一定水平後, 整體葉盤的應用才成為可能。

·發動機在使用過程（chéng）中, 轉子葉（yè）片常遇（yù）到外物打傷或因振動（dòng）葉片出現（xiàn）裂紋, 整體葉（yè）盤要更換葉片非常困（kùn）難, 有可（kě）能因為一個（gè）葉片損壞而報廢整個整體葉盤。因此風扇的（de）第1、2級一般不用整體葉盤結構（gòu）, 整體葉盤葉片的修理技術也是整體葉（yè）盤擴大應用必須解決的（de）關鍵問題。

·由於整體葉（yè）盤的葉型（xíng）複雜, 精度要求高, 葉型薄, 受力後變形大, 所以機械加工非常困難, 又因為齒數多、齒密, 所以（yǐ）加工量非常大。因此葉型加工是整體葉（yè）盤製造的主要工序。

2 整體葉盤結構的應用

隨著航空製造技術的不斷發展, 近（jìn）年（nián）來整體葉盤結（jié）構在新研製航（háng）空發動機中已得到廣泛應（yīng）用（yòng）( 表 1)。

2.1 美國整體葉盤的應用（yòng）

美國GE公司最早在（zài）20世紀70年代（dài）就在T700發動機的壓氣機上大量采用整體葉盤結構, 爾後又陸續將這一技術應用到CT7、CFE738、GE23A、YF120、F414和F110發動（dòng）機（jī）上。YF120的2級風扇和5級高壓壓氣機全部采用整體葉（yè）盤結構的轉子, 風（fēng）扇葉片采用低展（zhǎn）弦比葉片, 其中第1級為空心葉（yè）片。F414的（de）第2、3級風（fēng）扇采用低（dī）展弦比葉片的串列轉子采用惰性（xìng）氣體焊接的鈦合金(Ti17) 整體（tǐ）葉盤結構,且兩個整體葉盤還焊接在一起形成整體轉子, 使風扇轉子重量比F404減輕了20.41kg; 高壓壓氣機前3級也采用了整體葉盤（pán）, 第1、2級用（yòng）Ti17合金製成, 且焊成一體, 第3級采用Inconel 718鎳（niè）基合金製成, 使壓氣（qì）機的重量減輕（qīng）3.63kg。F404整台發動機5級整體葉盤轉子比常規葉盤連接的零件減少了484個, 與原型機F404相比, 其推重比由7.5提高到9.1。由幾個整體葉盤前後串起（qǐ）焊成（chéng）一體的設計, 是F414優於EJ200發動機的顯著特點, 它（tā）能進一步降低轉子的重量, 提（tí）高發動機耐久性。F110- GE- 129改型為F110- GE- 129R時（shí）, 即將3級風扇全改成寬弦葉片、整體葉（yè）盤結構, 零件數減（jiǎn）少了（le）2/3。由於風（fēng）扇效率與空氣流（liú）量提高, 使（shǐ）發動機（jī）推力增（zēng）加5.9%。如維持（chí）原推力, 則（zé）熱端部件壽命由4000TAC循環( 戰術空間循環) 提高到6000TAC循（xún）環。

90年代GE公司還研究了（le）一種前掠葉片的整體葉盤結構風扇, 並在前掠氣動研究試驗（yàn）台(GESFAR) 上成功地進行了試驗。這種新型風扇部件具有高速、小展（zhǎn）弦比、前掠葉片的特點, 整體葉盤由高強度鈦合金製成, 葉尖直徑約為508～ 635mm, 空氣流量約為（wéi）100kg/s。試驗結果表明該風扇不僅減（jiǎn）輕（qīng）了重（chóng）量, 而且（qiě）比常規風扇的效率高4%, 其中（zhōng）尖（jiān）部（bù）效率提高8%, 失速裕度提（tí）高3%～ 5%, 因而使發（fā）動機抗流場畸變能力（lì）提高80%。目前GE公司已將（jiāng）其安裝到IHPTET驗證機（jī）上進行了評估, 並將用於改（gǎi）進現役發（fā）動機（jī）, 如F414等。

80年代初, 美國P&W公司開始（shǐ）在PW5000發動機上（shàng）使用和驗證風扇壓氣（qì）機整體葉盤結構, 目前已（yǐ）應用到（dào）F119和F100發動機上。P&W公司為先進戰術戰（zhàn）鬥機ATF/F22研製的推（tuī）重比為10的F119- PW- 100發動機, 3級風扇、6級高壓壓氣機的轉子, 全部采用了整體葉盤,是唯一一種在（zài）風扇與壓（yā）氣機中全部（bù）采用整體葉盤結構（gòu）的發動機, 6級軸流（liú）高壓壓氣機整體葉盤（pán）的第1、2級為鈦（tài）合金, 葉片和（hé）輪盤用（yòng）線性摩擦焊將其焊成一體; 第3～6級為粉末高（gāo）溫合金, 葉片與輪盤的焊接采用了鍛接擴散連接技（jì）術。有的F119壓（yā）氣（qì）機轉子還采（cǎi）用ALLOY- C型阻（zǔ）燃鈦合金整體葉（yè）盤。ALLOY- C型鈦合金（jīn）不但（dàn）具有良好（hǎo）的阻燃性能, 而且具（jù）有良好的高溫變（biàn）形、冷軋、延展、焊接和（hé）鑄造（zào）性能, 其鈑金成形延展率可達40%～ 50%。

在F100- PW- 229發動機改型(F100- PW- 229A) 中的（de）第2～ 3級全部采用整體葉盤結構。改型後的（de）發（fā）動機在保持推力不變的情（qíng）況下, 渦輪（lún）進（jìn）口溫（wēn）度降低（dī）49℃, 發（fā）動機的可靠性和壽命得到提高。在PW7000發動機方案中, 5級高壓壓氣機全部采用（yòng）大後掠、高效率葉（yè）片的整體葉盤結構轉子。90年代初, P&W公司還研究了帶後掠葉（yè）片的整體葉盤結構的兩級風扇, 其尺寸和（hé）流量與F119的風扇的基本相同, 目前該葉（yè）片為後掠實心葉片,但將來（lái）可能采用空心（xīn）的金屬葉片或複合材料葉片（piàn）。該風扇效率比（bǐ）當時的IHPTET基準風扇的效率（lǜ）高50%左右, 每級風扇的壓比比IHPTET基準風扇的高30%, 不久將裝到（dào）IHPTET驗證機發動機上進行試（shì）驗驗證。

美國聯合攻擊機JSF的升力（lì）風扇也采用了整體葉盤結構, 這是迄今為止最大的整體葉盤, 外徑1.27m, 毛坯（pī）重1 500kg,成品重100kg。艾利遜公（gōng）司1998年在XTC16/1A核（hé）心機上試驗了渦輪整體葉盤, 這是用（yòng）鍛接工藝將單晶Lamilloy葉片粘接在粉末冶金盤上的,Lamilloy轉（zhuǎn）子葉片比常規氣膜冷卻葉片少用30%的冷卻（què）空氣, 壽命增加100%, 整體葉盤（pán）結構減少重量25%～30%。據《航空（kōng）周刊》最（zuì）新報道（dào）, 美國P&W公司在IHPTET計劃下（xià）成功完成了XTC67/1先進發動機核心機的（de）試驗。XTC67/1核心機壓氣機的第1級轉（zhuǎn）子、第3級靜子葉片采用了比強度高的γ 鈦（tài）鋁合金整葉片盤, 目的用於驗證IHPTET計劃第三階段的性能目（mù）標, 推（tuī）重比要比F119發動機提（tí）高100%, 渦輪進口溫度提高204.5℃, 4級壓（yā）氣機的（de）壓（yā）比比（bǐ）F119的6級壓氣機壓比還要高。該核心機在美國空軍阿諾德工程發展中心的（de）J1試驗台（tái）上進行（háng）了6批次試（shì）驗（yàn）, 截至2003年4月累計時數28h。另外（wài）, 為滿足波音公司的B- 7E7飛機推進係統和成本目標, 美國P&W公司的基準發動機（jī）也將采用已驗證技術和先進製造技術。其中B- 7E7發動機前4級或前5級壓氣機將采用整體（tǐ）葉盤。P&W公司還將在美國（guó）空（kōng）軍阿諾德工程發展中心（xīn）(AEDC) 進行7E7發動（dòng）機的（de）高空模擬試驗, 累計試驗時（shí）數將達（dá）到15 000個工作循環。這項計劃已於（yú）2004年正式啟動。

2.2其他國家整體葉（yè）盤的應用

英國、德國（guó）、意大利和西班牙合作研製的EJ200發動（dòng）機, 其3級風扇壓比為4.2, 最初隻在遠離進口處的第3級風扇上采用了電子束焊接的整體（tǐ）葉盤結構, 後來在第2級也采用了整體葉盤結構（gòu）, 目前（qián）第1級（jí）上也已采用整體葉盤結構, 並有可調進口導流葉（yè）片以保證有足夠的（de）壓氣機喘（chuǎn）振裕度。其材料為鈦合金, 用線性摩擦（cā）焊取代電子束焊製造整體葉盤。

在寶馬- R · R公司研製的BR715發動機上, 由於第1級風扇葉片采用了RB211- 535E發動（dòng）機的寬弦無凸台夾芯葉片, 塵砂進入極少。風扇後的兩級（jí）低壓( 增壓) 壓氣機都采用寬弦（xián）空心葉片的（de）整體（tǐ）葉盤, 並將兩級焊成一體, 形成不可分散的連接結構, 這是整體葉盤在（zài）民用高涵道比發動機上首次應（yīng）用。加工和（hé）修理（lǐ）整體葉盤結構除采用電子束焊外, R· R公司與MTU公司還共同（tóng）開發（fā）了線性摩擦焊工藝。

法國國營（yíng）航空（kōng）發動機製造公司（sī）SNECMA在20世紀90年代（dài）初開展了一項為發展新型民用發（fā）動機（jī）核心機的技（jì）術（shù）驗證計劃, 即P.A.T計劃( 技術（shù）活動計劃, Plan Act~ion Technologies)。在該計劃中, 11級壓氣機中第8、9兩級采用了整體葉盤結構, 這實際（jì）上也是為整體葉盤結構在大型民用發動機中推廣進行的技（jì）術儲備與探索。

我國正在研製帶箍的整體（tǐ）葉盤結構, 目的是為了克服前（qián）掠葉片的顫振。這種（zhǒng）葉片帶（dài）箍設計, 即葉片尖部加一個（gè）環帶, 這樣葉片（piàn）振動受到了（le）約束, 顫振可（kě）以消除（chú）; 但葉片箍的（de）受（shòu）力非常大, 一般金屬材料是（shì）無法承受的。利的。利用碳纖（xiān）維（wéi）可以承受極大的（de）拉力這一特性,在金屬（shǔ）箍外麵加繞（rào）碳纖維的複合材料, 葉片（piàn）、盤及箍產生的離心力由碳纖維（wéi）複合材料承擔。由於碳纖維複（fù）合（hé）材料密度隻有 1.6～ 1.7g/cm3, 而鈦合金材料為 4.6g/cm3左右, 所以箍的重量不大。常規設計中, 葉片受的是拉伸（shēn）應力, 現（xiàn）在帶箍葉（yè）片上半部受的是壓縮應力（lì）, 葉片受（shòu）的（de）應力（lì）下降, 所以葉片（piàn）厚度可以下降很多, 盤（pán）的重量也可以大大下降, 重（chóng）量大約是常規葉盤結構的50%。預計在不久的將來, 這項技術會普遍（biàn）應用（yòng）在航（háng）空發動機的風扇和高壓壓氣機設計中。

2.3 整體葉（yè）盤結構的發展趨勢

整體葉盤結構不僅（jǐn）應（yīng）用（yòng）在研（yán）製和改進中的發動機（jī）上, 而且還將用在未（wèi）來（lái）推重（chóng）比為15～ 20的高性能發動機上 ,如歐洲未來推重（chóng）比15～ 20的發動機和美（měi）國的HPTET計劃中推重比為20的發動機, 在這些發動機（jī）上將采用效果更好的SiC陶瓷基複合材料或抗（kàng）氧化的C/C複合材料製造（zào）整體（tǐ）渦輪葉盤。美國（guó）研製的C/C複合材（cái）料整體（tǐ）渦輪葉盤已在1 760℃環境中進行了地麵超轉試驗。采用整（zhěng）體葉盤結構, 其轉子葉片必然要設計成抗外物損傷的葉片, 以減少維修次數費（fèi）用。目前風扇和壓氣機整體葉盤結構的轉子葉片普遍采（cǎi）用小展弦比的鈦合金葉（yè）片, 有空（kōng）心、實心（xīn）、掠式和非掠式的; 而（ér）下一代推重比為15～ 20的發動機必將（jiāng）采（cǎi）用氣動性能先進的掠式、重量更輕的空心抗外物損傷能力強的小展弦（xián）比葉片（piàn）, 如果可能, 也將用強度和剛性更好及密度（dù）更小的金屬基複合材料代替高溫鈦合金, 這樣可提高氣動性能和效率, 既滿足強度（dù）和可靠性要求, 又大大減輕重（chóng）量, 使發動機推重比大大提高。

如（rú）果將整體葉盤中的輪盤部分去掉（diào）, 就（jiù）成（chéng）為整體葉環, 這時（shí）該件的重量將進（jìn）一步降低。整體葉環直接固定在承力環上。由於缺少了承受負荷的輪盤, 整體葉環承受不了葉片的離心負（fù）荷, 為此, 整體（tǐ）葉環隻能用密度較小的複合材料來製造。這種整體葉環的重量（liàng）約為常規結構重量的30%, 目前, 正在研製的整體葉環是用連續單根碳化矽長纖維增強的（de）Ti基複合材料 (TiMMC)製造的。TiMMC具有比強度、比剛度高, 使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優點。例如德國研製的SCS- 6SiC/IMI834複合材料的（de）抗拉強度高達2 200MPa, 剛度達220GPa, 而且具（jù）有極為優異的熱穩定性, 在700℃溫度暴露2 000h後, 力學性能不降低。TiMMC葉環代替壓氣機盤（pán）, 可使壓氣機（jī）的結構（gòu）重量減輕70%。

美國製（zhì）造的TiMMC整體葉環已成功用在P&W的XTC- 65IHPTET驗證機的第3～ 4級壓氣機上, 由於材料和結構的先進性使轉（zhuǎn）子重量大大減輕, 如第3級整（zhěng）體葉（yè）環轉子重量隻有4.5kg左右, 而常規鎳基合金製造的同樣轉子的實際重量為25kg。由於TiMMC複合材（cái）料隻能承受477℃的溫度, 壓氣機不能在高溫環境下（xià）工（gōng）作, 下一步將考慮（lǜ）用Al- Ti化合物(Ti3Al和TiAl) 作基體, 可耐溫927℃。英、法、德也研製（zhì）了TiMMC葉環, 並（bìng）成功地進行了台架試驗（yàn）, 用於改進EJ200的3級風扇、高壓壓氣機和渦輪, 以便為（wéi）EJ200在21世紀推重比達（dá）15～ 20提供技術基礎。在我（wǒ）國與印度開展（zhǎn）的國際合作項目中（zhōng）, 有一帶環箍（gū）的單（dān）級風扇試驗研究, 該風扇的設計參數為: 增壓比3.0, 葉尖切向速度470m/s, 有17片葉片, 外徑0.4m, 采用了帶（dài）外箍環的整體葉環結（jié）構 ( 隻能用複合材料來製作), 目前印度已成功製造出該試驗件, 在國際上處於領先地位。

3 整體葉盤的製造技術

發動機整體葉（yè）盤（pán）的製（zhì）造工藝和維修的複雜性是目前影響其應用和推廣的兩（liǎng）大因素。整體葉盤的機械製造加工麵臨越來越強（qiáng）的挑戰。由於整體葉盤結構複（fù）雜,加工精度要求（qiú）高, 尤（yóu）其是葉（yè）片工作表麵為空間（jiān）自由曲麵, 形狀極其複雜; 特別是為適應其高溫、高壓、高轉速的工作條件（jiàn）, 廣泛采用鈦合金、粉末高溫合金等高（gāo）性能金屬材（cái）料和鈦基複合（hé）材料、鈦鋁化合物基複（fù）合材料等先進複合（hé）材料, 因此影（yǐng）響了材料的可（kě）加工性, 傳統的（de）機械加工方法已難（nán）以勝任, 必須應用現代特種製造加工技術, 探索研究出更加（jiā）高效、可靠的加工工藝方法。整體葉盤從結構設計上分為整體式和（hé）焊接式兩類。整體式整體葉盤製造依（yī）賴（lài）於精密製坯技術、特種加工技術和數控機床的（de）發展; 焊（hàn）接式把複雜、困難的葉型加工改變成單個葉片的葉型加工（gōng）, 但增加（jiā）焊接工序, 焊接的（de）精度和（hé）焊縫質量與整體葉盤的性能和工作可靠性（xìng）密切相關。因此, 焊接工序隻能（néng）采（cǎi）用先進、精密的焊（hàn）接工藝, 如電子束焊、線性摩擦焊、真空固態擴散連接等。

目（mù）前, 製造整體（tǐ）葉盤（pán）有以下5種技術途徑。

3.1 精密製坯（pī）技術

現代精密製坯技術( 精密鑄造和鍛造) 的發展日臻完善。精密鑄造和精密鍛造采用CATIA軟件、預測模型和計算機模擬技術實現了“實體造型” 以及鑄、鍛（duàn）過程用計算（suàn）機模擬仿真, 這些（xiē）技術提高了金屬填充和凝固質量, 消除了疏鬆, 避免了熱裂, 可（kě）取（qǔ）代常規（guī）的試鑄法,從而提高了精密鑄造（zào）和精密鍛造（zào）的（de）質量與效率, 降低了（le）成本。

(1) 精密鍛造技術的發展使鍛（duàn）壓工藝徹底突破了毛坯生（shēng）產的範疇, 可以加工出接近成品的零件。現在,整體葉（yè）盤大多采用精密鍛造作為製坯手段, 能節省貴重金屬材料, 減少難加工材料的機械加工量, 提高整體葉盤的疲勞強度和使用壽命。美國GE公司已用等溫（wēn）鍛造技術製造出了帶葉片的壓氣機（jī）整（zhěng）體葉盤轉子（zǐ）, 材料利（lì）用（yòng）率提高4倍。精密鍛造零件（jiàn）的尺寸精度可以達到 (0.1～ 0.25)mm, 表麵粗糙度可以達到Ra0.4～ 1.6μ m。整體葉盤精密鍛造的（de）精度和質量主要依靠計算機對鍛造過（guò）程進行控製。GE公司已用熱等靜壓法（fǎ）將鈦合（hé）金粉末高溫合（hé）金盤（pán）與精鍛葉片複合成形（xíng）為鈦合金整體葉盤;在精（jīng）密鍛造時還采用了超塑等溫模擬技術, 獲得（dé）了優異的（de）組織和力學（xué）性能。

(2) 精密鑄造技術。由於（yú）精密鑄造工藝的新發展,特別是金屬材料定向凝固（gù）和熱（rè）等靜壓理論的（de）深入研究, 使得鑄造合金（jīn）組織和性能大大改善, 解決了葉片疲勞（láo）斷裂的裂紋沿（yán）垂直於葉片主應力方向的晶粒邊界發生; 熔模鑄造內部存（cún）在縮鬆缺陷等問題, 使葉片的抗疲勞（láo）性、應（yīng）力斷（duàn）裂壽（shòu）命大為提高, 並且可以減少焊後裂紋, 降低鑄件的性能變（biàn）化和分散程度。目前, 較（jiào）為成（chéng）熟的精密鑄造技術有（yǒu）實型鑄造和熔（róng）模鑄造（zào）。

我（wǒ）國航空材料研究院整體葉盤的精密鑄造技術已取（qǔ）得重要成果。采用 K4184 鎳基（jī）高溫合金, 成功鑄造出了直徑為 120mm, 帶有 34 個葉片的（de）動力渦輪整體葉盤（pán）。采用的方法是將輪盤鑄造成細晶, 將整體葉片鑄造成定（dìng）向柱晶或單晶, 不同晶粒形態各有優（yōu）勢, 細晶具有較好的低周疲勞和拉伸性能, 適合於中低溫下使用（yòng）;而方向性柱晶則具有較好的冷熱疲勞、低周疲勞和抗振動疲勞（láo）性（xìng）能, 適合於（yú）高溫下（xià）工作。

為了進一步提高采用精密鑄造製造的整體（tǐ）葉盤坯件的密度, 改善力學性能, 應將坯件進行等靜壓處理和真空熱處理

3.2 鍛（duàn）接法

美國 P&W 公司在製造粉（fěn）末高溫合金整體葉盤時, 應用（yòng）了鍛接擴散（sàn）連接技術( 即擴散連（lián）接技（jì）術), 它用局部加（jiā）熱法將單晶精鑄葉片直（zhí）接連接到鍛造（zào）渦輪（lún）盤（pán）的輪緣上。渦（wō）輪盤輪緣局（jú）部加熱至變形（xíng）溫度後, 用待（dài）連接（jiē）的單晶葉片在局部（bù）加熱的輪緣連接部位施壓, 使局部加熱區域產生變形, 即在將葉片植入輪緣內的同時進行擴散連接（jiē）, 將葉片牢固地連接在渦輪盤的輪緣（yuán）內。鍛接法的關鍵是正確有效（xiào）地控製局（jú）部（bù）加熱和變形參數( 溫度（dù）、壓力、變形量), 這對葉片與輪盤之間消除鬆動,產生完全致密的高強度結合麵（miàn）是很重要的。用此法製造的整體葉盤結構必（bì）須確保鍛接（jiē）過程中（zhōng）葉片始終準確定位, 並始（shǐ）終保持定位的（de）位置（zhì）。P&W 公司（sī）已研究出葉片/盤（pán）的鍛接專利工具, 可準確地保持葉片的正確位置。

鍛接工藝可有效用於超級耐熱合（hé）金和（hé）鈦合金之間（jiān）的（de）連（lián）接和修補, 可用於風扇、壓氣機和渦輪整體葉盤結構的製造、修補和更換葉片。

3.3 電子束（shù）焊接法

在各種先進精密（mì）的焊接工藝中, 電子束焊發展（zhǎn）較早, 也較成熟, 並最先用於整體（tǐ）葉盤的製造過程（chéng）中（zhōng）。整體（tǐ）葉盤因其主要用於風（fēng）扇的第 2、3 級和高（gāo）壓壓氣機的第 1、2 級, 故材料多（duō）為鈦合金。由於鈦合金電子束（shù）焊具有大穿透、小變形、無（wú）氧化、高強度、焊接尺（chǐ）寸精度高、質量穩定、效（xiào）率高等優點（diǎn）, 因（yīn）而在我國高性能航空發動機製造中很多鈦合金零件都采用電子束焊（hàn）接工藝。

EJ200 也采用此法製造, 即先將單個葉片用電子束焊接（jiē）成（chéng）葉片環, 後（hòu）用電子束焊接技術將鍛（duàn）造和電解加工成形的輪盤腹板與葉片環焊接成整體葉盤結構。這種整體葉盤結構比傳統的榫頭連接的（de）葉盤轉子結構重量減輕 30%。

3.4 線（xiàn）性摩（mó）擦焊(LFW)

線性摩擦焊是一種固態連接技術, 是旋轉摩擦焊的重要發展, 類似於擴（kuò）散連接。擴散（sàn）連接從結構上講,連接（jiē）處看不出“焊縫” 來, 且其強度（dù）與彈性（xìng）均優於本體材料。線性摩擦焊（hàn）與擴散連接不同之處在於: 在擴散連接中, 連接的（de）工件是在爐中加溫（wēn）使（shǐ）其（qí）達到高溫（wēn）的（de）; 而線性摩擦焊中, 工（gōng）件的高溫是通過兩配合麵間（jiān）的相互高頻振蕩產生的。用線性摩（mó）擦焊（hàn）將葉片焊接在輪（lún）盤上（shàng）,可節省大量葉片的連接件和結構重量。它先將葉片夾緊在輪緣的葉（yè）根上, 並（bìng）使輪盤周向以高速振動, 在（zài）葉（yè）片和輪（lún）盤葉根界麵產生一個窄的（de）摩擦加熱區, 當加熱區的溫度達（dá）到要求（qiú）的溫度時即停止振（zhèn）動, 葉片與輪盤（pán）固定（dìng）直至固結在一起。最後再在五坐標數控（kòng）銑床上用銑刀將多餘材料銑掉。F119 的 2、3 級風扇和（hé） 6 級（jí）高壓壓氣機以及（jí）EJ200 發動機的 3 級低壓壓氣機的整體葉盤是線（xiàn）性摩擦焊接技術成功應用的頂級標誌。其中, 用LFW 技術加工的 EJ200 發動機的整（zhěng）體葉盤, 所用設備是英國 Blacks 公司（sī）製造的線性摩擦焊機。該焊機由 1個主驅動電機( 功率 89kW)、振動器及夾具組成, 振動器可產生線性振動, 振幅 0～ 3mm。夾具帶有分度機構,可對工件進行分度（dù）、定位和固定, 並傳遞夾緊力、頂鐓力（lì）和摩擦力。振動器可（kě）以在（zài）焊接（jiē）工序完成時的（de）幾分之一秒內使振幅為零, 保證（zhèng）被焊葉片的定位（wèi）精度。瑞士的一家（jiā）公司可以（yǐ）提供與（yǔ）之配套的高速磨床和理想的軟件包。目（mù）前 R · R 公司和 MTU 公司已用 LFW 技術成功地製造了寬弦風扇整體葉盤, 並（bìng）將為 JSF 的發動機提供LFW 整（zhěng）體葉盤。用 LFW 技術加工整體葉盤與用整體鍛坯在五坐標數控銑床上加（jiā）工或（huò）電化學加（jiā）工相比, 可以節約大量貴（guì）金屬; 用 LFW 技術可從發動機上更換掉被撞擊損壞的（de）葉片。也可用 LFW 技術將葉片與用不同材料製造的輪盤焊接在一起, 以獲得最佳的減重效果。

擴散連接和線性摩擦焊是在接合表麵產（chǎn）生塑性變形（xíng）和加熱條件下, 達到表麵原子間結合, 並互相擴散形成焊接頭, 加熱溫度（dù）一（yī）般為被焊材料熔點溫度的（de） 70%,因此焊接接頭的質量比熔焊( 電子束焊) 的質量高, 可以使葉片和盤（pán）的過渡區的晶粒組織變得很細, 其靜態、動態力學（xué）性能超過非焊接的基體材料。

采用線性摩擦焊加工整體葉盤（pán）有下列好處:

(1) 可以節約大量貴重的鈦合金。例如 R · R 公司為 JSF( 聯合攻擊機) 用的升力風扇發動機生產整體葉盤的風扇轉子( 該轉子是目前世界上最大的整體葉盤,其外徑為 1.27m) 時, 采用整體鍛坯用五坐標數控銑床加工, 坯料重 840kg, 加工後成品件重 97.6kg, 即材料損耗高達（dá） 88%; 而采用（yòng）線性（xìng）摩擦焊時, 焊接後銑去的材料（liào）不多, 並且還可減少（shǎo）加工時間。

(2) 可（kě）以對損壞的單個葉片（piàn）進行修理。在采用(特別是在風扇第 1 級采（cǎi）用)整體葉盤時, 能否對整體葉盤進行修理是要考慮的一個重要（yào）問題, 因為發（fā）動機在使用中, 不可（kě）避免地會遇到外來物(特別是鳥類)撞傷葉片的情況, 在常規的（de）設計中, 可以輕易地更換損傷的（de）葉片; 而（ér）整體葉（yè）盤就不能更換葉片, 如沒有方便而適用的修理損壞葉（yè）片的方（fāng）法, 整體葉盤的應用就受到限製。有了線（xiàn）性摩擦焊的加工方法, 可（kě）以將損（sǔn）壞的葉片切去後再焊上新葉片（piàn）, 由於（yú）有此優越性, EJ200、F119 發動機風扇第 1 級轉子也采了整（zhěng）體葉盤 (EJ200 最初的設計中, 僅風（fēng）扇第 3 級、高壓壓氣機第 1 級采（cǎi）用（yòng）整體葉盤)。

(3) 可以將 2 種（zhǒng）不同（tóng）材料焊在一（yī）起, 這樣可（kě）根（gēn）據葉片、輪盤的工作條件選用不同材料, 從而充分挖掘轉子結構材料的性（xìng）能潛力, 使轉子結構（gòu）的重量進一步降低。

3.5 數控電解加工技術

整體葉盤由於（yú）構型複雜, 特別是由難切削材料製成的、帶薄型葉片、結構複雜的整體葉（yè）盤用數（shù）控銑削、精密鑄造方（fāng）法加工時就（jiù）更（gèng）困難, 甚至不能加工( 如帶冠整體葉輪)。此時特種加工方法便顯示出它突出（chū）的優越性, 其中, 電解加工與（yǔ）數控技（jì）術（shù）相結合的數控電解加工技術, 作為一種補充技術, 可（kě）以解決數控銑削精密鑄造不能加工（gōng）的難題, 為整體葉盤製造提供了一（yī）種優質、高效、低成本、且具有快速響應能力的新加工技術。整體葉盤的數控電解加工技術能綜合發揮計算機數控和電解加工的技術優勢, 同時又能取長補短。這種工藝具有（yǒu）電解加工的優點, 即工具陰極無損（sǔn）耗, 無宏觀切削（xuē）力, 適宜加工各種難切削材料和長、薄葉片（piàn）及狹窄通道（dào）的整體葉盤, 加工效率高, 表麵質量好, 這些優點是數控銑削所不具備的; 它又具有（yǒu）數控的優點, 能以計算機數控方式實現型麵三維運動, 可用於加工各類複雜結（jié）構、多品種、小批量零件, 甚至單件試製的生產（chǎn）中,這些優點又是一般拷貝式電解加（jiā）工所不具備的。因此,這（zhè）種工藝技術非常適合於加（jiā）工用數（shù）控銑削、精密鑄造難加工或不能加工的零（líng）件, 如小直徑、多葉（yè）片、小葉（yè）間通道（dào）(1.5～ 3mm寬度) 零件, 難切削材料變截麵扭曲葉片整體葉輪, 以及數控銑無法加工的帶冠整體（tǐ）葉（yè）輪等（děng）。研（yán）究及應用情況表明, 整體葉盤電解加工與五坐標數控銑削方法相比有很多優點（diǎn）:

·工時可減少50%以上 ( 加工帶長葉片的整（zhěng）體（tǐ）葉盤（pán）工時減少更多);

·可以加工任何高強、高硬（yìng）度的難切（qiē）削金屬（shǔ）材料;

·不會產生殘餘應力和變形, 這對薄型葉片的整體葉盤加工尤（yóu）為重要（yào）。

美、英、俄（é）和中國都（dōu）高度重視整體（tǐ）葉盤數控電（diàn）解加工技術的研究並已得到應用, 在新型（xíng）航空發動機及航天火箭發動機的研製中發揮了重要作用。

(1) 美國GE公司的五軸數控電解加工。

美（měi）國GE公司在電解加工先進航（háng）空發動機的整（zhěng）體（tǐ）葉盤時, 采用了以（yǐ）成形或近成形陰極進（jìn）行多坐標數控送進（jìn）運動的加工方式。在製造（zào）為裝備 “先進戰鬥機ATF(即F22)” 而研（yán）製（zhì）的GE37/YE120發動機的鈦（tài）製整體葉盤及F414發動機整體葉盤時, 與（yǔ）美國Lehr.precision公司合作發展了五軸數控電解加工技術。與原用五坐標數控銑削葉片（piàn）相比, 加工時（shí）間減少約85%, 同時還避免了在葉片加工中產生的殘餘應力。電解加工仍分粗加工和精加工兩道工序, 加工出的葉片葉型厚（hòu）度公差+0.1mm, 型（xíng）麵公差（chà）+0.1mm, 可不需（xū）手工拋光。

(2) 美、俄仿形電加工帶冠整體葉輪。

在帶（dài）冠整體葉輪的加工中, 美國采用精密數控電火花（huā）工藝, 俄羅斯則采用機械仿形電火花與電解加工的組合工藝。電解加工既可以提高加工速度（dù）, 又可以去除電火花加工後的表麵變質層, 提高表（biǎo）麵質量（liàng）。電火花—電解加工的組合工藝在新（xīn）型發動機, 特別是（shì）火箭發動機帶（dài）冠整體渦輪的研製中發揮了重要作用。

(3) 國（guó）內數控電解加工整體葉盤的研究。

在國內, 南京（jīng）航空航天（tiān）大學從 20 世紀 80 年代（dài）中期就開始進行數控展成電解加工的研究, 其中重要研究成果有: “直線刃” 陰（yīn）極數控展成（chéng）電解加（jiā）工（gōng）, 成形或近成形陰極柔性電解加工。

“直線刃”陰極數（shù）控展成電解加工與數控（kòng）銑相似,以簡單的 “直線刃” 陰極進行數控展成運動, 基於電化（huà）學（xué）陽極溶（róng）解原理而（ér）實現整體葉盤葉間槽（cáo）和葉片型麵的（de）粗、精加工。

數控展成電解加（jiā）工通常需要 5 軸聯動, 即直線位移 x、y、z 軸以（yǐ）及陰極擺動 CT軸和工件旋轉 CW軸。該研究成果已（yǐ）經應用於加工改型航空發動機整體導風輪( 外（wài）徑190mm) 並裝機使用。

成形或近成形陰極柔性（xìng）電（diàn）解加工是南京航空航天大學正在研究的（de）加工非（fēi）可（kě）展直紋麵的（de）一種（zhǒng）新方法（fǎ）, 采（cǎi）用成形或近成形陰極相對零件作數控仿形運動, 可實現帶冠整體渦輪、整體葉環和組合（hé）式整體葉（yè）輪的加工。

4 整體葉（yè）盤結構的維修

航（háng）空（kōng）發動機上（shàng）風扇/壓氣（qì）機葉片經常被打壞, 在以往的常規（guī）設計中, 遇到（dào）這種情況（kuàng）時更換受損的葉片（piàn）就可以了（le）, 但是葉盤結構就不能因為（wéi）一個葉盤上有（yǒu）幾個葉片打傷而報（bào）廢（fèi）一（yī）個葉盤, 所以必須發展（zhǎn）整體葉盤中個別損壞葉片的修理技（jì）術。GE 公司發展特殊的修理技術後（hòu）才在 F414 中使用了5 個整體葉盤。在 IHPTET 計劃實施（shī）中, 利用激光曲（qǔ）線焊接(Laser Twist Weld) 方法對整體葉盤進行修複, 葉片修複後強度與原葉片差不多（duō）。這樣, 葉盤結（jié）構具有了生命力, 就能在航空發動機上得到更廣泛的應用。

5 結束語（yǔ）

(1) 航空發動機部件結（jié）構正朝（cháo）著輕量化、整體化方向（xiàng）發展。美國的先進戰鬥機(ATF) 計劃中把整體葉盤設計（jì）製造列（liè）為（wéi）重要核心（xīn）技術, 美國國（guó）防部的高性能渦輪發動機技術(IHPTET) 的第三階段（duàn）計（jì）劃要求, 到 2020年, 戰（zhàn）鬥機上發動機的渦輪（lún）都將采用（yòng）整（zhěng）體葉盤結構。由此可見, 整體葉盤（pán）( 環) 已經作為（wéi）新型航（háng）空發動機、火箭發動機的重大（dà）改進部件, 不僅應用在研製中和改（gǎi）進的發動（dòng）機上, 而且還將用在未（wèi）來 10～ 15 年後推重比為25～ 30 的發動（dòng）機上, 用性能更加優異的 SiC 或 C/C 增強複合材料（liào）製造出整體葉盤或整體葉環。

(2) 隨著新的更難切削材（cái）料的采（cǎi）用及結構的更複雜化(扭曲葉片整體葉盤、帶（dài）冠整體渦輪), 航空發動機的加工（gōng）將更困難。美、英、俄等工業發達國家（jiā）都（dōu）在加緊研究優質、高效、經濟的（de）加工方法並正逐步取得成果。

(3) 整體式葉盤的製造將依賴於精密製坯技術、特種加工和數控機床的發展。其中數（shù）控電解加工（gōng）能綜合發揮電解加（jiā）工（gōng）和計（jì）算機數控技術的（de）優勢, 同時又能互相（xiàng）取長（zhǎng）補短（duǎn）, 彌補各自的不足（zú）之處, 是優質（zhì）、高效、低成本、快速響應地解決整體葉盤加工難題的一條重要途徑。這種（zhǒng）方法具（jù）有顯著的技術（shù）經濟效果（guǒ）。

焊接式整體葉盤的焊接工序（xù）隻能（néng）采用先進的（de）精密的焊接工藝( 電子束焊、真空擴散（sàn）連接和線性摩擦焊),特別是線性摩擦焊的加工成本低, 焊接質量高, 可（kě）用於各種材料的焊接或整體葉盤的製造、修理和更換葉片,在整體葉盤的製造中可以發揮獨特而重（chóng）要的作用。

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