航空發動機渦輪葉片精密成形技術分析

王威

摘? 要：航空發動機技術復雜、制造難度高，世界上僅有少數幾個國家能夠完成航空發動機的設計制造。我國對于航空發動機的設計制造一直在不斷推進，提升自身制造水平。空心渦輪葉片是高性能航空發動機中的主要零部件之一，由于其制造難度大長期困擾著我國的制造企業。文章在分析空心渦輪葉片結構特性的基礎上就空心渦輪葉片的精密成形技術進行了分析闡述。

關鍵詞：空心渦輪葉片;精密成形技術;精鑄

中圖分類號：V232.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0139-02

Abstract： Aero-engine technology is complex and difficult to manufacture， and only a few countries in the world can complete the design and manufacture of aero-engine. In our country， the design and manufacture of aero-engine has been continuously promoted to improve its own manufacturing level. Hollow turbine blade is one of the main components of high-performance aero-engine， which has perplexed the manufacturing enterprises of our country for a long time because of its manufacturing difficulty. Based on the analysis of the structural characteristics of hollow turbine blades， the precision forming technology of hollow turbine blades is analyzed and described in this paper.

Keywords： hollow turbine blade; precision forming technology; precision casting

前言

空心渦輪葉片是高性能航空發動機的核心部件，由于其精度要求高、制造難度大致使空心渦輪葉片一直無法量產。為提高空心渦輪葉片的制造合格率，需要就空心渦輪葉片的精鑄工藝進行分析，從葉片精鑄的“控形”和“控性”兩個方面入手，提升葉片精鑄的質量。

1 空心渦輪葉片精鑄技術

現代航空發動機正向著大推力、低油耗的方向發展，為實現這一目標現今世界主流的方式為提高航空發動機渦輪前進口溫度，現今的發動機渦輪前進口溫度已經很高了，如若再繼續提高溫度則發動機渦輪葉片所承受的溫度將達到1880℃±50℃，為了解決這一難題現今渦輪葉片多采用的是復合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片（簡稱空心渦輪葉片）。由于結構的復雜性和材料的特殊性在空心渦輪葉片的制備上主要以熔模精鑄工藝為主，但是這一工藝存在著精度差、成品率低的問題，從而使得空心渦輪葉片在高性能航空發動機上的應用大為滯后。一般來說現今的空心渦輪葉片精鑄的成品率約為10%，而在這其中約90%的廢品葉片中形位尺寸超差占50%左右，再結晶缺陷占25%左右，剩下的則主要為鑄造缺陷。為提高空心渦輪葉片的制造成品率需要解決好“形控”和“性控”兩大方面的問題，即尺寸精度和精鑄后的復合材料性能。

空心渦輪葉片工序復雜、制造難度高，其粗坯制造流程如下：首先使用模具成形工藝完成空心渦輪葉片精鑄所需要的陶瓷型芯，陶瓷型芯則作為空心的填充部分。而后使用蠟模工藝在型芯外層制備渦輪葉片蠟模，而后再經過燒結-澆注-脫模等工藝完成空心渦輪葉片粗坯的制備。在粗坯的基礎上完成后續環節直至完成空心渦輪葉片的制備。在以往空心渦輪葉片的制備過程中，其復合材料為等軸晶組織，此組織結構容易在高溫下損壞，隨著材料技術的發展葉片所使用的復合材料已經轉變為單晶為主的新型材料，其具有較強的耐高溫性從而使得空心渦輪葉片的制備成品率得到了較大的提升。現今在空心渦輪葉片的精鑄工藝中主要采用的是液態金屬冷卻法。

2 空心渦輪葉片制備中的“形控”

在空心渦輪葉片精鑄中因尺寸超差而不合格的葉片占據總數的近一半以上，為提高空心渦輪葉片的制造質量需要積極做好葉片精鑄過程中的“形控”，確保精鑄渦輪葉片的尺寸精度。精鑄的“形控”主要控制的是渦輪葉片的型面精度和葉片的空心厚度，而上述精度受到渦輪葉片精鑄工藝和模型尺寸精度的直接影響，其中精鑄蠟模尺寸精度占據著重要占比。受蠟模精度的影響精鑄葉片的尺寸精度也將隨之波動，因此需要將控制蠟模精度放在控制葉片精鑄精度的首位.為提高蠟模的澆筑精度需要做好精鑄模具型腔的優化，提高蠟模的尺寸和形位精度。除了控制好蠟模的精度外，還需要注意解決好葉片精鑄過程中因收縮所帶來的尺寸缺陷。葉片結構復雜、精度要求高，在精鑄過程中葉片容易受到熱應力的影響而造成葉片出現鑄造變形，這一變形將以葉片精鑄位移場的形式出現。葉片變形后將影響葉片的氣動外形從而直接影響到發動機的工作效率，為保障葉片的正常運行需要做好葉片精鑄后的質量控制。為控制葉片精鑄中所產生的收縮變形可以采用在葉片精鑄模型中加設一定的補償量用以補償葉片精鑄中所帶來的收縮。需要注意的是葉片精鑄中所產生的收縮由于受到多種因素的影響致使其收縮變形是非線性的，致使計算收縮補償時無法精確的計算，因此在對葉片精鑄型腔進行優化時需要進行不斷的修正才能達到最優效果，則這一過程中將需要耗費較長的時間。為提高葉片精鑄型腔的優化效率可以采用建模分析，并應用反變形優化設計方案來優化精鑄型腔的設計。反變形優化設計原理如圖1所示。

在圖1中，R為葉片精鑄型腔模具的初始模型，S表示的是葉片精鑄后變形后的模型量，C表示的是帶補償的型腔模型。通過所建立的模型可以計算出空心葉片在精鑄前后的變形位移場，并將計算后的位移場疊加在型腔模具的初始模型中即可計算出反變形設計的設計量。在應用反變形優化設計時需要做好葉片精鑄位移場的計算。葉片精鑄位移場的計算可以采用以下兩種方案：（1）基于結果的逆向建模。此方案是基于精鑄后的葉片與實際的型腔數據所建立的，通過對精鑄后的葉片進行細致的測量，以實際的測量數據為基準完成葉片模型和型腔模型的建立，通過所建立的模型使用兩步配準算法來取得所需要獲得的空心渦輪葉片位移場的計算。（2）此方法是利用三維建模的方法完成相關模型的仿真，構建起葉片精鑄的位移場模型。在完成葉片精鑄位移場模型的建立后，可以依據所建立起來的位移場完成葉片精鑄反變形優化。渦輪葉片制造難度極大，因此構建葉片精鑄反變形模型需要進行多次修改才能達到所期望的精度。在構建葉片精鑄位移場模型時可以采用離散轉連續的方式完成模型的構建，利用二次多項式將原本離散的葉片精鑄位移場數據轉換為空心渦輪葉片的連續三維模型，使用泰勒公式完成反變形優化模型的建立。此方法能夠簡化補償，將原本需要多次補償才能完成的反變形優化模型改為一次完成，同時此方法還具有極高的補償效率和補償精度。能夠為空心渦輪葉片的反變形優化提供良好的幫助。在完成渦輪葉片幾何尺寸控制的同時還需要做好空心渦輪葉片厚度的控制。空心渦輪葉片的厚度會對葉片的結構強度和冷卻效率產生直接的影響，同時影響著葉片的使用壽命。空心渦輪葉片的厚度也與精鑄蠟模的精度有著直接的聯系。空心渦輪葉片厚度是由精鑄蠟模和陶芯之間的匹配度所決定的，為實現對于葉片厚度的控制需要對陶芯在空間中的姿態進行約束和控制，用以獲得良好的空間精度。陶芯本身的制造誤差和定位誤差會產生累積誤差，從而影響到葉片的精鑄厚度。為控制因陶芯定位問題所帶來的葉片厚度精鑄誤差需要對因葉片定位所產生的誤差傳遞鏈進行分析，并在此基礎上進行優化。結合誤差產生的原因可以采用陶芯定位優化方案，在對陶芯定位元件進行優化的基礎上控制住誤差的累積，確保陶芯具有良好的定位精度。

3 做好空心渦輪葉片精鑄的“性控”

在做好空心渦輪葉片尺寸精度控制的基礎上還需要做好葉片精鑄過程中的“性控”。空心渦輪葉片精鑄所使用的復合材料在高溫精鑄的過程中如受到不同因素的影響將會造成材料性能發生較大的變化，比如說定向凝固的精鑄件會產生雀斑、晶界、縮松等缺陷。上述缺陷的存在將使得葉片的物理性能無法達到設計要求。為解決這一問題可以采用優化精鑄工藝的方式。采用高溫度梯度LMC定向凝固技術能夠實現精鑄葉片的快速降溫，同時精鑄后的葉片中單晶雀斑、縮松等缺陷發生的幾率也更低，從而有效的保證了葉片的屈服強度。葉片精鑄中空心渦輪葉片的邊緣及葉冠部分容易產生雜晶等缺陷，針對這一問題可以在缺陷多發區域采用引晶條、導熱體等方式予以控制。

4 空心渦輪葉片精鑄技術展望

隨著航空發動機性能的不斷提升，空心渦輪葉片將需要應對越來越高的溫度。空心渦輪葉片的材料、結構和制造工藝都在不斷的發展。材料從等軸晶發展至單晶，結構將逐漸向超冷結構方向發展，從而對空心渦輪葉片的制造工藝提出了更高的要求。

5 結束語

空心渦輪葉片結構復雜、加工精度要求高，是高性能航空發動機中的關鍵部件，受制于制造技術空心渦輪葉片仍無法批量制造，為使得空心渦輪葉片能夠滿足性能不斷發展的航空發動機的需求，為解決空心渦輪葉片制造工藝復雜、成品率低的缺陷，需要積極做好空心渦輪葉片的研究分析。從空心渦輪葉片的材料、結構以及制造工藝等多個方面入手，在確保空心渦輪葉片性能的基礎上積極做好葉片制造工藝的研究與應用，從而確保高性能航空發動機生產的順利進行。

參考文獻：

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