應用于新型發動機零部件設計制造新技術應用

劉　敏

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，數據中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

應用于新型發動機零部件設計制造新技術應用

劉敏

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，數據中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

本文主要介紹了新式的或改進的制造技術，例如添加制造技術、PECM（精密電化學加工）、IHFP（高頻感應壓力焊）或冷噴涂技術，有助于克服現有的加工限制和開發新型的零部件設計。

精密電化學加工；高頻感應壓力焊；冷噴涂技術

1.簡介

過去，新型設計的目標都是如何顯著降低排放和能源消耗從而提高發動機的效率，為了達到ACARE這一目標，在制造技術上總是受到限制。在2020展望中規定目標的典型實例：CO2的排放降低50%；NOx的排放降低80%；感覺噪聲分貝降低50%。能承受較高溫度的新材料，例如粉末冶金材料制成的高溫合金，以及一些新型零部件設計，例如整體葉盤/IBR、薄壁結構盤，都需要應用先進的制造技術。

新的加工方法，從設備、夾具和工裝，以及檢驗和測量技術方面都有助于克服或減少加工限制。將來在制造工程技術方面會有更好地發展，完全有可能設計出高度集成的零部件，能夠進一步提高發動機的效率。

2.改進發動機構造的可能性

發動機的設計仍受相當保守的加工方法的限制。現在所急需的就是新型的制造技術。另外，期望新型制造工藝能在降低制造成本、改進工藝穩定性和增加零部件服役壽命方面做出重大貢獻。

引進新型或實質上有所改進的加工工藝將提供以下機會：

（1）以較低成本高質量制造現有零部件并提高工藝穩定性；

（2）替代現有的工藝和加工鏈；

（3）制造“新型高度集成零部件”，顯著提高性能并將傳統工藝制造的零部件的性能集成到一起。

這些目標雖不可能馬上實現，但可以逐漸地階段地實現。

3.替代工藝實例

3.1ECM（電化學加工）/PECM（精密電化學加工）

精密電化學加工是電化學加工的進一步發展。該工藝的主要特點是顯著縮小了零部件與電極之間的間隙，而實際上卻提高了輪廓的尺寸精度，因此提高了零部件的表面光潔度。精密電化學加工沒有明顯的電極損耗。此工藝的一個最大優點就是薄壁結構件被施加工作壓力后不會變形，精密電化學加工期間施加在翼型上的唯一作用力就是電解液的壓力。

應用精密電化學加工工藝，粉末冶金（PM）材料比鍛造合金加工得更快些。再加工能力非常好并且電極的損傷可以忽略不計。

通常來說，傳統的電化學加工主要用于葉盤翼型預成型的粗加工。然后通過精密電化學加工制成最終形狀。

ECM和PECM工序是一道很適合的工藝鏈用于加工整體葉盤翼型（包括3D形狀），其材質為PM鎳基合金，應用傳統的加工方法很難加工。此外，PECM也適用于節約減耗加工γ-Ti葉片。

如果應用的是帶有一定型面的電極，對于調節氣流的氣動結構件經由一次仿形加工便可制造而成。

3.2冷噴涂

冷噴涂是一種制造涂層的新工藝，具有無氧化物、低孔隙率和高粘附強度的良好特性。該工藝引進的熱應力較低，另外，冷噴涂的突出優點就是沉積效率高（＞60%）和噴涂時間短。由于低的熱應力和高的粒子流速，噴涂過程中會形成壓應力，因此該工藝也適用于沉積較厚的涂層。

加工原理：

使高度壓縮的熱氮加速通過拉瓦爾噴嘴；

軸向噴射噴涂粉末；

粉末顆粒以未融化狀態和很高的動能噴射到待涂覆零件，并被“鍛造”到零件表面。

塑性材料只用作冷噴涂材料。

該工藝還提供對零部件外形的增材制造，主要是對零部件進行修復。此外還有可能加工復合材料，通過不同材料的結合能夠很好地滿足零部件的部分要求。

3.3IHFP（高頻感應壓力焊）

IHFP是一種焊接材料的高效壓力工藝。在該工藝過程中，熔化區域在感應電流的作用下均勻受熱，大約4s后達到焊接溫度（≤熔化溫度），零部件在壓力下被焊接到一起。對于鈦零件，焊接壓力介于30MPa～40MPa之間，而鎳合金零部件達到100MPa。在整個冷卻階段都要保持焊接壓力。形成的焊縫非常均勻且熱影響區域很窄。

該工藝還可用于焊接不同的材料，例如，制造雙材料整體葉盤，其中葉片和盤材料是采用具有良好的加工應力承受效果的合金制造而成。

高頻感應壓力焊降低了對低壓壓氣機整體葉盤和風扇的材料要求，降低約30%，同時還提高了整體的機械性能。該工藝還可用于制造新的整體葉盤，來替換發動機整體葉盤上受損的翼型。

IHFP在一定程度上可替代線性摩擦焊，線性摩擦焊對幾何形狀的限制較多，而且還不是很節約成本。

4.“新”產品示例

4.1增材制造整體零部件試驗裝置和夾具

多孔密封的葉片扇形段的加工是發動機零部件中復雜且耗時的加工工序，其中一個關鍵工藝步驟就是釬焊蜂窩結構零部件。

增材制造工藝能夠整體制造這種零部件，因此能將所需的工序降至4步：增材制造，熱處理，表面修整以及尺寸修正。

應用這種工藝的另一個實例就是磨削加工用的冷卻潤滑劑噴嘴，其對有形零部件的磨削工藝的穩定有很重要的作用。改進的冷卻方式能安全防止材料在磨削時過熱并能提高材料的去除率。

目前，增材制造工藝的最佳應用包括高度一體化或中空的零部件，以及具有復雜結構元件的原型機和夾具。零部件可以直接由CAD生成，不需要詳細地繪圖。較短的制造周期允許對各種改進進行研發和測試。

4.2零部件表面機械硬化狀態的無損檢測

為了增加發動機旋轉零部件的使用壽命，要對其進行機械硬化以便誘導出殘余應力。這種工藝的正效應并未在當前的零部件設計中加以考慮，原因之一就是缺乏適當的方法來測量零部件的機械硬化效應，例如盤的無損檢測。

檢測機械應力效應和殘余應力的深度分布的通用工藝就是X射線和螺孔鉆方法。但這兩種方法都對零部件的結構有所損傷。同步加速器輻射或中子輻射都可用來無損檢測深度分布，但這種方法在實際應用中不是很節約成本。

無損檢測零部件機械硬化狀態的一種新方法就是應用聲彈效應。該方法的主要依據是材料的聲音傳輸速率取決于機械硬化狀態。在該工藝中，應用高精密超聲波測角計測量關鍵角a處瑞利波的聲音傳播速率CR。

這種測量工藝目前已被進一步改良，以便更適宜無損檢測工業環境下的零部件表面的機械硬化狀態。改良后這種新的測量方法允許在零部件設計階段考慮機械應力效應，這就有可能進一步降低零部件的壁厚。

4.3增材制造工藝的進一步研發（圖1）

將來的發動機零部件要滿足更嚴格的要求，包括一體化程度、重量/性能比率和使用壽命。在這里增材制造工藝將提供很大的可能性。

該工藝在節約成本方面很有優勢。應用此工藝加工出的材料性能要優于傳統鑄造的合金性能（蠕變性能除外）。此外，增材制造工藝允許壁厚降到像鑄件一樣厚，而且零部件的復雜性還可以進一步增加。

例如增材制造工藝允許進行仿生結構設計，而且能在提高零部件功能性的同時降低其重量。

可行性實例：

帶有測量壓力和溫度的集成傳感器的葉片扇形段；

帶有空氣環流內部通道的護罩；

葉片扇形段與護罩的組合；

帶有復雜噴射結構的噴射系統，像機匣處理系統、反流系統和帶有精細內流系統的冷卻翼型。

圖1　增材制造工藝研發方向

結論

提供發動機效率和可靠性可以通過應用防護涂層得以實現。防護涂層發展的新趨勢很可能包括制備多層涂層、梯度涂層和改良涂層，它們在性能上要超過目前已有的涂層。采用化學氣相沉積（CVD）技術制備擴散涂層、噴涂熱障涂層來調節比迄今為止所能達到的還要高的溫度以及將電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術應用于旋轉葉片，這些就是本文作者的當前研究課題。

［1］孟書廣.航空發動機復雜零部件的新型測量技術［J］.航空制造技術，2014（13）：32-35.

TG17

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