航空發動機葉片關鍵制造技術研究

鄭 娟

（中國航發航空科技股份有限公司，四川成都 610500）

0 引言

近年，我國航空領域發展迅速，在航空工業領域也投入了不少的人力、物力和財力，并且實施了一系列的開發計劃與技術研究。航空發動機質量與效益的提高與葉片關鍵制造技術可謂是息息相關，葉片制造技術的優劣可能直接決定航空發動機的性能。因此，提高葉片制造技術，從而提高發動機的可靠性與推動力，使得整個航空領域取得飛躍式發展。

1 航空發動機葉片分類和作用

航空發動機是飛機的“心臟”，它是飛機中最核心的部件。從航空發動機氣流通過的順序依次為進氣道→風扇→壓氣機→燃氣室→渦輪→尾噴口（圖1）。這幾個部件中最重要的就是壓氣機、燃氣室和渦輪，而作為其中最為關鍵且數量最多的零部件——葉片，始終是航空發動機最難加工的部分之一。

圖1 航空發動機內部剖視

1.1 航空發動機葉片的分類

發動機葉片按照設計結構進行分類，可以分為燕尾榫頭葉片、方榫頭葉片、樅樹型榫頭葉片、軸類葉片以及銷釘型榫頭葉片等。一般燕尾榫頭葉片和樅樹型榫頭葉片為轉子類葉片；方榫頭葉片和軸類葉片為靜子葉片。

發動機葉片按照功能進行分類，可以分為壓氣機葉片和渦輪葉片。根據其工作狀態，壓氣機葉片又可以分為壓氣機轉子葉片（工作葉片）和壓氣機靜子葉片（整流葉片），渦輪葉片可以分為渦輪工作葉片和渦輪導向葉片。進而按照氣流溫度場還可以分為低壓壓氣機葉片、高壓壓氣機葉片、高壓渦輪葉片和低壓渦輪葉片。

葉片按照材料進行分類，有不銹鋼葉片、鋁合金葉片、鈦合金葉片、高溫合金葉片、復合材料葉片等。一般來說，燃氣輪機葉片以不銹鋼材料為主，航空發動機葉片主要以鈦合金和高溫合金為主，部分采用鋁合金。

1.2 航空發動機葉片的作用

壓氣機和渦輪是在發動機的氣流通道內實現氣流功能轉換與改變氣流方向的重要零件。因此，壓氣機葉片具有一定程度的增壓效果，空氣進入發動機后，壓氣機葉片可將空氣進行壓縮，氣流壓力和溫度明顯升高，以滿足燃燒室需求。渦輪葉片則具有膨脹減壓的效果，可使燃氣的能量轉化為渦輪功。

2 航空發動機葉片制造的材料應用

發動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。其材料必須具備良好的熱強性、抗高溫腐蝕能力和高溫疲勞性能，并能保證組織穩定性[1]。下面針對航空發動機葉片常用材料進行詳細分析。

2.1 變形高溫合金葉片

變形高溫合金葉片的發展年限較為久遠，已經有50 年的歷史了。在這種材料中若是鈦、鎢等的含量增加，它的材料性能持續提高，但熱加工性能會下降。如果在其中加入昂貴合金材料鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩定性。航空發動機制造中，渦輪葉片制造選取的主要材料為GH4049 合金熱軋棒材，是渦輪葉片制造中的關鍵性材料之一。該材料在應用中存在一定程度的問題：合金熱軋棒材在應用中易于出現鍛造裂紋現象；此外，鍛造過程中，易出現掉晶現象[2]。

2.2 鑄造高溫合金葉片

鑄造高溫合金材料常用采用熔模鑄造工藝，又稱精密鑄造。熔模鑄造技術取得飛快發展，由實心葉片發展成為空心葉片、從有加工余量葉片到無加工余量葉片，葉片的造型越來越復雜，但是葉片的質量與性能得到顯著提升。鑄造高溫合金材料一般常用于渦輪葉片和導向葉片的制造。

2.3 超塑性成形鈦合金葉片

鈦合金材料依舊是航空發動機葉片的常用材料之一，由于鈦合金屬于輕合金材料，在高溫下具有良好的拉伸性能、蠕變強度和疲勞強度高等特點。因此，一些寬弦或較大的壓氣機葉片采用該材料。

2.4 新型材料構成的葉片材料

隨著航空發動機制造水平越來越進步，對葉片制造技術的要求也越來越高，變形高溫合金以及鑄造高溫合金已經不能滿足當下航空發動機制造技術的發展，為此，國內外開始葉片使用材料的研究。20 世紀80 年代以后，定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、陶瓷葉片材料等材料紛紛應用于航空發動機葉片的制造。由于全球資源處于危機狀態，環境狀況也是不容樂觀，采用新材料用于航空發動機的制造已刻不容緩。

3 航空發動機葉片關鍵制造技術

航空發動機的特殊性能對葉片制造技術的要求越來越高，葉片的使用年限深受發動機的溫度、氣壓以及氣流影響。而且值得注意的是不同的航空發動機對葉片的耗損程度也是不同的。我國的航空發動機葉片制造技術的材料主要以金屬和復合材料為主，本文以這兩種材料為切入點，分析現階段我國航空發動機葉片制造技術的加工方法與關鍵技術。

3.1 數控銑削加工技術

數控銑削加工技術主要運用于加工復雜曲面，工序多，精度要求高的零件。因此，該加工技術大量運用于葉片加工，一般采用多軸數控銑削設備加工葉片榫頭和葉身型面。葉片的數控加工技術是以鍛造的毛坯為基礎，通過粗加工、半精加工、精加工等多重工藝和手法，以計算機數控操作技術進行高速加工處理，最終實現葉片的尺寸特性和表面完整性等。該加工技術適用于大量壓氣機葉片[3]。

3.2 數控強力磨削加工

數控強力磨削屬于在常規磨削基礎上發展而來的一種磨削方式。常規性的磨削通常使用于精加工的過程當中，而強力磨削則使用范圍廣泛，一般應用前無需粗加工，可用于精細化的加工過程。它可以由鑄、鍛件毛坯直接磨出零件所要求的尺寸、形狀和表面，將精加工以及粗加工進行有效結合，從而提高效率。此外，強力磨削解決了難加工材料成形表面的加工問題，尤其對于一些難加工的鎳基耐熱合金材料加工帶來了很大的優越性[4]。因此，數控強力磨削加工技術大量應用于發動機熱端部件，例如，渦輪葉片和導向葉片的加工。

3.3 高速電火花小孔加工技術

高速電火花小孔加工技術的工作原理是工具和工件之間不斷產生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬間產生的高溫把金屬蝕除，工具電極采用金屬管，管中通入高壓工作液。加工中，工具電極作高速旋轉和伺服進給運動，同時高壓水質工作液從電極管中噴出，迅速將電蝕產物排除。該加工技術主要應用于渦輪導向葉片葉身上冷卻氣膜孔的加工。

3.4 高速拉削加工技術

高速拉削加工技術是指利用特制的拉刀逐齒依次從工件上切下很薄的金屬層，使表面達到較高的尺寸精度和較低的粗糙度，是一種高效率的加工方法。主要應用于成批、大量生產的零件。因此，特別適用于樅樹形榫頭和燕尾形榫頭的加工。

3.5 焊接技術

焊接是一種以加熱、高溫或高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術。該技術主要應用于葉片修復和多聯葉片組件的連接。一般對于渦輪葉片葉冠接觸面修復和葉片葉身阻尼臺修復，可采用真空釬焊硬質合金塊技術。這樣大大減少葉片因磨損造成尺寸超差而報廢的損失。

3.6 線性摩擦焊接技術

線性摩擦焊接方法，簡言之就是用線性摩擦技術將葉片焊接在輪盤上的工藝。這種技術有很大優點，它可以極大程度上減少葉片連接點的重量。其原理是將葉片夾緊并放置在輪緣的葉片根部，在輪盤高速轉動的情況下，使葉片和輪盤葉根產生一個摩擦加熱的區域。當這個區域達到它所應該到達的溫度時，輪盤就停止轉動，這時葉片和輪盤也就固定并且一直團結在一起。這種方法性價比更高，目前美國的MTU 公司已經采用了這種技術。

3.7 3D 打印增材制造技術

航空發動機葉片的3D 打印技術，這是一種先進的加工技術，是近幾年剛剛興起的技術，它不同于傳統的葉片制造技術。3D 打印的理念是“增材制造”，這是它區別于傳統“減材制造”工藝的最大區別。3D 打印技術有很多優點，它能將三維的制作過程轉變為二維相疊加的過程，使工藝更加簡單高效，實現了擺脫模具和工具條件下，依舊能生產出任何形狀的復雜零部件，效率和質量都有非常大的提高[5]。

最先開始3D 打印技術研究的是美國GE 公司，利用3D 打印增材技術進行航空發動機葉片的制作是一個近乎理想的選擇。3D 打印技術可以更為輕易地加工熔點和硬度高的高溫合金與鈦合金材料。3D 打印技術對材料的利用率可以說是完美的，這樣就可以很大程度上解決航空航天裝備制作所需昂貴的原材料的浪費問題，極大節約了制造航空發動機的成本。因此，3D 打印技術應用于航空發動機扇葉的制作，無疑是對航空發動機扇葉制作技術的顛覆性革命。

4 結論

總結當今航空發動機葉片關鍵制造技術的現狀，針對航空發動機關鍵技術進行完整研究與描述。作為飛機的心臟，航空發動機直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現，被譽為“工業之花”。因此，為將來建設智能化、數字化生產模式以適應未來航空發動機制造業大環境，研究航空發動機葉片等代表零件的關鍵制造技術是非常有必要的。