航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成形技術(shù)分析

仝偉婷

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)橹圃祀y度高，而且技術(shù)復(fù)雜，當(dāng)前世界上也只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家可以設(shè)計(jì)和制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我國(guó)逐步開(kāi)始對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行研究，讓自身的制造水平進(jìn)一步提高。空心渦輪葉片是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要零部件在生產(chǎn)制造方面難度較大，對(duì)我國(guó)的航空制造企業(yè)產(chǎn)生了一定的困擾，本文重點(diǎn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成型技術(shù)進(jìn)行分析研究，以供參考。

Abstract： Because of the difficulty of manufacturing and the complex technology of aero engines， only a few countries in the world can design and manufacture aero engines. my country has gradually begun to study the design and manufacture of aero engines to further improve its own manufacturing level. The hollow turbine blade is an important part in the manufacturing process of high-performance aeroengines. It is more difficult to manufacture， and it has caused some problems for China's aerospace manufacturing enterprises. This article focuses on the analysis and research of the precision molding technology of aeroengine turbine blades. for reference.

關(guān)鍵詞：空心渦輪;葉片;精密成形技術(shù);精鑄

Key words： hollow turbine;blade;precision forming technology;precision casting

1 ?空心渦輪葉片精鑄技術(shù)

高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是精密器件，在飛機(jī)當(dāng)中具有非常重要的作用，是飛機(jī)的心臟，也是導(dǎo)致我國(guó)航空業(yè)發(fā)展停滯不前的瓶頸之一。伴隨當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)逐步提升，航空發(fā)動(dòng)機(jī)也需要逐步向低油耗、高推重比、大推力的方向發(fā)展，讓渦輪前進(jìn)口溫度提高是保證推動(dòng)力的一個(gè)重要方式，預(yù)計(jì)在推重比15一級(jí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，渦輪前溫度可能在1830～1930攝氏度之間，因此一定要重視加強(qiáng)渦輪葉片的耐高溫能力。為了將這一問(wèn)題解決。當(dāng)前的渦輪葉片主要使用的是復(fù)合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)材料較為特殊，而且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在制備空心渦輪葉片的過(guò)程中，使用的工藝主要為熔模精鑄工藝，但是這一工藝，具有成品率低、要求精度差等問(wèn)題，造成我國(guó)在空心渦輪葉片生產(chǎn)方面出現(xiàn)了很多問(wèn)題。通常而言當(dāng)前的空心渦輪葉片精鑄成品率只有10%，而90%的廢品葉片主要出現(xiàn)的問(wèn)題是形位尺寸超差，另外一些是結(jié)晶缺陷。為了讓空心渦輪葉片的制造成品率提高，有效的解決“形控”和“性控”兩個(gè)問(wèn)題，需要重視控制尺寸的精度，并且在完成精鑄之后提高復(fù)合材料的性能。

空心渦輪葉片制造難度大，而且工序非常復(fù)雜，具體如下，首先需要注意合理的對(duì)模具成型工藝進(jìn)行應(yīng)用，將空心渦輪葉片精鑄所需要的陶瓷型芯設(shè)計(jì)出來(lái)。該陶瓷型芯是空心結(jié)構(gòu)的重要填充物，接著通過(guò)蠟?zāi)９に囋谛托就鈱舆M(jìn)行渦輪葉片蠟?zāi)５闹苽洌筮M(jìn)行燒結(jié)、澆鑄、脫模等一系列工序，將空心渦輪葉片粗坯制備完成。在完成粗坯的條件下進(jìn)行后續(xù)操作，直到制備完整個(gè)空心渦輪葉片。在傳統(tǒng)空心渦輪葉片制備的時(shí)候使用的主要為復(fù)合材料，這種材料是等軸晶組織。這種組織在高溫條件下很容易受到損壞，而影響整個(gè)葉片制備的成品率。伴隨當(dāng)前材料技術(shù)快速發(fā)展，葉片所使用的復(fù)合材料逐步以單晶為主。這種新型材料具有一定的耐高溫性，這樣可以大幅度提升空心渦輪葉片的制備成品率，當(dāng)前，針對(duì)空心渦輪葉片的精鑄主要使用的方法為液態(tài)金屬冷卻法[1]。

2 ?空心渦輪葉片制備中的“形控”

在進(jìn)行空心渦輪葉片金屬的過(guò)程中，由于出現(xiàn)尺寸超差導(dǎo)致葉片不合格的達(dá)到了總數(shù)的1/2左右，為了讓空心渦輪葉片的成品率提高，需要重視加強(qiáng)葉片精鑄的情況，也就是對(duì)渦輪葉片的尺寸精度進(jìn)行有效控制。精鑄過(guò)程主要是為了對(duì)葉片的空心厚度以及無(wú)葉片的型面精度進(jìn)行控制。在實(shí)踐當(dāng)中分析發(fā)現(xiàn)渦輪尺寸精度和渦輪葉片金屬工藝會(huì)直接影響精度過(guò)程控制，尤其是精鑄蠟?zāi)３叽绲木取Ｋ孕枰獙?duì)蠟?zāi)＞冗M(jìn)行有效的控制，將其放在精度控制的首位。為了讓蠟?zāi)茶T的精度提高，首先需要優(yōu)化精鑄模具的外觀，讓蠟?zāi)５某叽缇忍岣撸诵枰獙?duì)那么精度進(jìn)行控制外，還需要進(jìn)一步將葉片精鑄時(shí)由于收縮而出現(xiàn)尺寸缺陷解決。葉片精度較高，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。在精鑄時(shí)，葉片很容易受到周邊熱應(yīng)力等因素的影響，而出現(xiàn)葉片鑄造形變。這一形變會(huì)在后續(xù)葉片精鑄位移場(chǎng)當(dāng)中出現(xiàn)。葉片在出現(xiàn)變形之后，會(huì)對(duì)葉片的氣動(dòng)外形產(chǎn)生較大影響，而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率下降。為了確保葉片能夠正常有效的運(yùn)行，需要進(jìn)一步的進(jìn)行葉片精鑄后的質(zhì)量控制，為了對(duì)葉片精鑄控制所出現(xiàn)的收縮變形進(jìn)行管控，需要注意采取一定的補(bǔ)償量來(lái)對(duì)葉片精鑄時(shí)出現(xiàn)的收縮進(jìn)行補(bǔ)償，需要關(guān)注的問(wèn)題是葉片精鑄過(guò)程中所出現(xiàn)的收縮主要是因?yàn)槎喾N因素導(dǎo)致的，并非線性的。因此需要注意在葉片精鑄型腔進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中逐步進(jìn)行修正，這樣才能進(jìn)一步達(dá)到最有效果，然而該操作需要花費(fèi)大量時(shí)間，為了讓精鑄型腔的優(yōu)化效率提高，需要重視加強(qiáng)建模分析，通過(guò)反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式來(lái)進(jìn)一步對(duì)精鑄設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)模型可以對(duì)空心葉片精鑄過(guò)程中的形變位移場(chǎng)進(jìn)行精確的計(jì)算。在完成計(jì)算之后，將位移場(chǎng)與型腔模具初始模型進(jìn)行疊加，就可以將反形變?cè)O(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)量計(jì)算出來(lái)。在操作過(guò)程中需要注意合理的進(jìn)行精鑄位移場(chǎng)的計(jì)算和控制，具體的操作方法有兩種。

首先基于結(jié)果的逆向建模。在實(shí)踐當(dāng)中，這種方案主要是針對(duì)葉片的實(shí)際形變數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行構(gòu)建的，需要細(xì)致的測(cè)量葉片的精鑄后的形態(tài)，以實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)構(gòu)建葉片模型和型腔模型，通過(guò)兩步配準(zhǔn)算法來(lái)進(jìn)行空心渦輪葉片位移場(chǎng)的計(jì)算。

第二種方法主要是通過(guò)三維建模的方式來(lái)進(jìn)行模型仿真，將葉片精鑄位移場(chǎng)模型構(gòu)建起來(lái)。在建立葉片精鑄位移場(chǎng)模型之后，根據(jù)建立的位移場(chǎng)來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行葉片精鑄，反形變優(yōu)化。由于渦輪葉片非常復(fù)雜的制造過(guò)程中具有較高的難度，所以需要注意對(duì)葉片精鑄反形變層進(jìn)行深入的分析，多次修改，以獲得需要的精度。在進(jìn)行葉片精鑄位移場(chǎng)模型構(gòu)建的過(guò)程中，可以通過(guò)離散連續(xù)的方式來(lái)完成后續(xù)的構(gòu)件，通過(guò)三維建模來(lái)將原來(lái)葉片精鑄位移場(chǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭招臏u輪葉片，最終的數(shù)據(jù)模型通過(guò)泰勒公式來(lái)構(gòu)建反形變優(yōu)化控制體系。這樣的方法能夠讓補(bǔ)償?shù)挠?jì)算更為簡(jiǎn)化，原來(lái)多次補(bǔ)償可以通過(guò)一次反形變優(yōu)化模型來(lái)進(jìn)行操作。這種方式的補(bǔ)償精度和補(bǔ)償效率較高，可以有效的幫助反形變位移場(chǎng)的設(shè)計(jì)[2]。

3 ?做好空心渦輪葉片精鑄的“性控”

在渦輪葉片幾何尺寸控制完成后，還需要注意加強(qiáng)空心渦輪葉片厚度的管理和控制。空心渦輪葉片生產(chǎn)過(guò)程中，其厚度會(huì)直接影響葉片的冷卻效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，另外也會(huì)對(duì)葉片的使用壽命產(chǎn)生影響。空心渦輪葉片設(shè)計(jì)使其厚度和精鑄模型的精度息息相關(guān)。空心渦輪葉片厚度主要是由陶芯合金鑄模型匹配度決定的。為了保證更好的約束和控制陶芯在空間當(dāng)中的姿態(tài)，需要注意加強(qiáng)陶芯定位誤差和制造誤差的控制，由于陶芯在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中，制造誤差和定位誤差出現(xiàn)的累積誤差會(huì)對(duì)葉片的金屬厚度產(chǎn)生直接影響，因此需要關(guān)注陶芯的定位問(wèn)題，再?gòu)幕A(chǔ)方面進(jìn)行優(yōu)化，逐步改進(jìn)誤差傳遞鏈，需要與誤差出現(xiàn)的原因進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)陶芯定位優(yōu)化的方式，逐步控制誤差的累積，以確保陶芯具有較高的定位精度。

在控制空心渦輪葉片尺寸精度的條件下，還需要注意積極加強(qiáng)葉片精鑄時(shí)的系統(tǒng)，也就是需要保證空心渦輪葉片精鑄的復(fù)合材料。在高溫條件下不會(huì)受到各種因素的影響，而導(dǎo)致葉片材料性能出現(xiàn)變化，比如說(shuō)定位融固時(shí)，精鑄件很有可能會(huì)出現(xiàn)雀斑、縮松等缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致葉片在運(yùn)用過(guò)程中物理性能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的需要，為了將這一問(wèn)題解決，需要注意合理的進(jìn)行精鑄工藝的優(yōu)化，通過(guò)高溫度梯度LMC定向凝固技術(shù)可以快速地對(duì)精鑄葉片進(jìn)行降溫。這樣的操作方式可以有效的降低雀斑和縮松的缺陷的幾率，讓葉片具有較高的屈服強(qiáng)度。葉片精鑄中空心渦輪葉片的葉冠和邊緣位置很容易出現(xiàn)缺陷，需要注意使用導(dǎo)熱體應(yīng)調(diào)整方式在這些缺陷多發(fā)位置進(jìn)行控制[3]。

4 ?渦輪葉片精密成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 渦輪葉片新材料

當(dāng)前新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度逐步提高。在高溫合金材料能力有限的情況下需要逐步加強(qiáng)高溫合金材料的優(yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要逐步加強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的使用，當(dāng)前陶瓷基復(fù)合材料在航空渦輪葉片發(fā)展過(guò)程中依舊處于起步階段，需要進(jìn)一步分析其結(jié)構(gòu)、工藝、材料等，然而需要指出的是當(dāng)前陶瓷基復(fù)合材料在中等載荷發(fā)動(dòng)機(jī)零件試驗(yàn)方面已經(jīng)取得較大的進(jìn)步。在未來(lái)需要深入地對(duì)更耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行研發(fā)。對(duì)于低壓渦輪葉片，因?yàn)楣ぷ鬟^(guò)程中溫度相對(duì)較低，所以，可以使用金屬間化合物通常的金屬間化合物溫度在930攝氏度到1130攝氏度之間，而且密度較低，美國(guó)通用公司，在近期使用Ti-Al合金來(lái)進(jìn)行低壓導(dǎo)向渦輪葉片的生產(chǎn)[4]。

以上所述金屬間化合物、陶瓷基復(fù)合材料等新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用依然還需要一段時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，所以當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主導(dǎo)材料依然為高溫單晶合金。

4.2 渦輪葉片新結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步保證渦輪葉片在實(shí)際應(yīng)用時(shí)承受較高的溫度，當(dāng)前渦輪葉片的冷卻技術(shù)主要使用的是擾流柱強(qiáng)化換熱、氣膜冷卻，但總體而言氣冷結(jié)構(gòu)在提升渦輪前進(jìn)口溫度方面的貢獻(xiàn)率達(dá)到了70%。

但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，常溫冷卻方式的冷卻系數(shù)相對(duì)較低，影響了渦輪進(jìn)口溫度提升，因此需要逐步對(duì)發(fā)散冷卻技術(shù)進(jìn)行研究，相比于常規(guī)冷卻技術(shù)，發(fā)散冷卻技術(shù)能夠有機(jī)的融合對(duì)流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻，這樣可以有效的提高冷卻的效率，然而當(dāng)前的發(fā)散冷卻技術(shù)不成熟，出現(xiàn)表面氧化和積炭等問(wèn)題，導(dǎo)致實(shí)踐時(shí)應(yīng)用性較差，還需要深入的分析[5]。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

空心渦輪葉片因?yàn)榧庸ぞ雀撸冶砻娼Y(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵部件，如果沒(méi)有有效地將空心渦輪葉片的生產(chǎn)制造問(wèn)題解決，可能會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的空心渦輪葉片廢品率低，無(wú)法符合航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的需求，因此需要逐步加強(qiáng)空心渦輪葉片材料結(jié)構(gòu)的分析，采取針對(duì)化的策略進(jìn)行改進(jìn)，這樣才能提高空心渦輪葉片的性能。

參考文獻(xiàn)：

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