航空發動機葉片制造及再制造技術研究

劉國庫，王 威

（海裝沈陽局駐沈陽地區某軍事代表室，沈陽 110043）

近年來，伴隨著國內的航空事業的高速發展和進步，我國的航空工業進行了大力的投入、并且進行了大量的新產品的開發及新技術的研究和攻關。航空發動機的產品質量和工作效率的大幅度提升，其中葉片部件是核心，因此航空發動機葉片的關鍵制造技術一直以來都是廣大科研工作者重點關注的項目，葉片部件最終產品的優劣直接關系到整個航空發動機的主要性能指標。因此大力投入科研力量，顯著提升航空發動機葉片的加工制造技術水平，進而大幅度提升航空發動機的推力和可靠性，必將顯著推動我國的航空工業取得跨越式發展和進步。

航空發動機的葉片長時間處于高溫、高壓及高速的“三高”狀態下運行，因為多種隨機載荷及高溫氣體的作用與侵蝕，導致其耐磨程度、抗疲勞能力顯著降低，甚至還會發生裂損等問題。早期葉片部件的再制造技術沒有獲得有效的推廣，導致一般情況下的損傷葉片無法有效獲得修復，只能報廢，造成了比較嚴重的浪費現象。

1 航空發動機葉片部件的分類及主要作用

航空發動機裝置是整個飛行器的核心，在航空發動機裝置中，通過的氣流在其內部的主要過程是進入進氣道→風扇→壓氣機→燃氣室→渦輪→尾噴口（圖1）。上述幾個部件之中，壓氣機裝置、燃氣室及渦輪部件都很重要，其中最重要并且數量較多的一類零部件是葉片，因其復雜的結構特點，一直以來都是航空發動機裝置中加工難度最大的零部件[1]。

圖1 航空發動機內部結構圖

1.1 葉片的主要分類

根據結構，航空發動機葉片可分成燕尾榫頭類型的葉片、方榫頭類型的葉片、樅樹榫頭類型的葉片、軸類葉片及銷釘榫頭類型的葉片等種類。按照功能可分成壓氣機裝置的葉片與渦輪裝置的葉片。根據氣流的溫度場分布可分成低壓葉片、高壓葉片等。根據產品材質可以分成不銹鋼材質的葉片、鋁合金材質的葉片、高溫合金材質的葉片及復合材質類型的葉片等。通常在燃氣輪機中的葉片主要是不銹鋼材質的，在航空發動機裝置中的葉片以鈦合金材質與高溫合金材質為主，某些情況下可能使用鋁合金材質的葉片。

1.2 葉片的主要作用

一般來講，壓氣機裝置與渦輪部件是用于實現氣流轉換功能及轉換氣流運動方向的功能。為此，配置在壓氣機裝置中的葉片部件是具備增壓能力的零部件，飛行器工作的時候，空氣通過進氣道流入到發動機內部，壓氣機裝置上的葉片實現將空氣壓縮的效果，此時內部的氣流壓力及溫度數值發生顯著增大，使之符合進入燃燒室的要求。渦輪上的葉片部件具備減壓的能力，能夠將燃氣過程發出的能量轉化成為渦輪的功進行輸出。

2 葉片加工制造的主要材料

航空發動機的主要性能指標，主要取決于其中葉片部件的型面設計及加工制造的水平。一般來講，葉片的材質需要具有合適的熱強性、抵抗高溫腐蝕的性能及抵抗高溫疲勞的相關性能，保證其在高溫環境下運行過程的穩定性和安全性。

2.1 變形高溫合金葉片

此種材質中如果增加鈦、鎢等元素，可以持續增加其材料性能，不過其熱加工性能將會有所降低。如果加入合金鈷后，能夠顯著改善其綜合性能并且增強其在高溫條件下的穩定性能。

2.2 鑄造高溫合金葉片

隨著航空發動機中葉片結構的造型日趨復雜化，葉片部件的品質和性能都獲得了大幅度提高。鑄造高溫合金通常情況下多用在渦輪類型葉片及導向類型葉片的加工制造過程中。

2.3 超塑性成形鈦合金葉片

因為鈦合金材質是一種輕合金，其在高溫的環境中有比較優秀的拉伸能力及疲勞強度比較高等優勢。所以該材料多用于某些寬弦或者尺寸數值較大的壓氣機裝置的葉片上。

2.4 新型材料材質的葉片

目前國內外廣泛進行了葉片新型材料的研究工作。目前定向凝固類型的高溫合金、單晶狀態的高溫合金、陶瓷類型的葉片材料等新型材料已經大量應用在葉片的加工制造領域。

3 航空發動機葉片部件的關鍵加工制造技術

目前國內航空工業領域中發動機葉片部件的加工制造技術方面，其主流的葉片材質是以金屬和復合材料為主，因此本文重點介紹這2類材質的航空發動機葉片的加工制造過程，闡述目前國內航空工業中有關葉片部件的加工制造方面的主要技術。

3.1 數控銑削的加工制造相關技術

通常來講，如果待加工的零件具有相對復雜的曲面結構，加工的工序比較多，并且是尺寸精度要求相對比較高的情況，需要采用數控銑削加工的相關技術。因此在航空發動機葉片零件的加工過程中，廣泛采用數控銑削的加工方式，一般情況下采用多軸類型的數控銑削機床來加工葉片的榫頭及葉身的曲面造型。航空發動機葉片的數控加工過程是基于鍛造之后的毛坯件，通過粗加工過程、半精加工過程及精加工過程等多個流程和步驟，采用計算機為主的數控操作模式實施高速的加工制造和處理，最后能夠高質量地完成航空發動機葉片的外形尺寸特性及零件表面完整程度。此種加工技術廣泛應用在壓氣機裝置葉片的加工制造的過程之中[2]。數控銑削加工過程如圖2所示。

圖2 數控銑削加工過程

3.2 數控強力磨削加工制造技術

數控加工制造的技術中，強力磨削方法是一類在普通磨削技術的基礎上開發出的一類新型的磨削加工制造方法。普通的磨削加工一般是應用在精加工的流程之中，強力磨削技術則具有更廣泛的應用領域，可以用在無需粗加工的情況，也可用在精細加工制造的環節。其能夠把精細加工及粗加工方式實施合理的融合，實現大幅度提升加工效率的目的。除此以外，針對某些難以加工的鎳基為主的耐熱合金材質，使用數控強力磨削加工技術具有明顯的優勢。因此，此類加工技術能夠廣泛應用在航空發動機裝置的熱端部位，比如渦輪裝置葉片及導向裝置葉片的加工和制造過程。

3.3 高速電火花小孔加工相關技術

高速電火花小孔加工相關技術，其主要的加工原理是在加工設備和待加工工件間持續地生成放電的電火花，依靠放電作用時出現的局部、瞬態的高溫效應將金屬腐蝕和移除，加工設備上的工具電極部件進行高速的旋轉及進給動作，同時高壓的工作液會從電極的管內向外噴射，快速把電化學的蝕物除去。這種加工技術一般用在渦輪裝置導向葉片零件冷卻用的氣膜孔結構處的加工制造過程中。

3.4 高速拉削加工制造相關技術

高速拉削類型的加工技術指的是應用特殊的拉刀逐齒從待加工的零件上去除薄薄的一層金屬材料，最后使得零件的表面滿足較嚴格的尺寸精度及較高的粗糙度方面的要求，屬于一類效率比較高的先進加工制造技術。此類技術一般用在批量比較大的零件的生產過程之中。適用于樅樹類型的榫頭及燕尾類型的榫頭部位的加工制造流程。

3.5 3D打印的增材類型的加工制造技術

在航空發動機裝置的葉片加工制造過程中應用3D打印相關的技術，是近年來開發的一類新興的制造技術，和常規的葉片零件加工制造技術不同。3D打印技術的核心理念為“增材制造”的思路，和常規的“減材制造”類型的加工工藝之間存在著本質上的區別。3D打印相關加工技術具有非常多的優勢，是可以把立體空間層面上的加工制作流程轉化成2D平面空間的相互疊加的一個制造流程，加工的過程可以完全擺脫模具及其他輔助工具，仍然可以加工形狀相對復雜的各類零部件產品，執行效率及最終成品的品質都將獲得大幅度的提升[3]。常見的3D打印設備如圖3所示。

圖3 3D打印設備

4 航空發動機葉片部位的典型缺陷

4.1 損傷類缺陷

航空發動機裝置的葉片部件在其工作的過程中將會受到離心類型的載荷、氣動類型的載荷和振動類型的載荷等多類外加載荷的復合作用，并且承受了高溫狀態的燃氣的腐蝕，在上述載荷的長時間作用之下，出現裂紋、磨損、腐蝕及斷裂等損傷類的缺陷。

4.2 附著類缺陷

在航空發動機葉片工作的過程之中，由于其受到多種外在載荷及高溫燃氣共同作用，長時間以后在葉片的表面邊緣位置可能會因為燒結效應而出現積垢的結構，這樣的現象也稱為積碳。積碳增多之后將會顯著改變葉片零件的外形、大幅度降低葉片零件的表面品質，最終嚴重影響葉片的空氣動力學相關的性能及熱力學方面的性能。并且長久累積的積碳，隨著厚度值的持續增大，將會嚴重影響渦輪的效率，并且其還會掩蓋葉片零件的表面損傷問題，對于葉片的修理和檢測工作帶來不利影響。

5 航空發動機葉片部件的再制造相關技術

針對航空發動機葉片零件的再制造相關技術，主要可以分成增材類型的再制造相關技術和減材類型的再制造相關技術這2大類。

5.1 增材類型的再制造相關技術

（1）激光熔覆：應用高能類型的激光束進行輻照操作，讓熔覆層的材質和基體材料的表面薄層共同發生熔化反應，之后再迅速凝固成熔覆層的一類加工方法，可以實現損傷零件的修復工作，而且具有提升零件表面的耐磨及耐腐蝕指標的作用。

（2）焊接：如果根據葉片再造過程中母材是否熔化來作為標準，可將葉片焊接再制造的方法分成固相焊（母材保持原始的固態不發生改變）及熔焊（母材發生熔化）。固相焊：采用相應手段把裂紋處的多余物清理干凈，之后在裂紋處設置焊料，應用高溫的條件讓焊料熔化之后填滿裂紋的縫隙，并且使之與基體進行嚴密的連接。熔焊：主要代表是等離子弧焊，等離子弧焊接的方法具有能量密度相對集中、熔透能力比較強及焊接過程的質量相對穩定等優勢，并且焊后的機械加工的工作量比較小，工作效率比較高。

5.2 減材類型的再制造相關技術

5.2.1 水基類型清洗法

采用水基類型的清洗劑，配合助洗劑及防銹劑等添加劑，這種方法的主要機理是應用表面活性劑具有的吸附效應降低污垢和水溶液間的表面張力數值，結合機械類型的攪拌、超聲波等方法的輔助效應來除去表面的污垢、積碳等。

5.2.2 物理去除法

主要有手工拋光方法，不過由于精度比較低，后期已經被新方法所取代。新的機械物理去除方法主要有：①吹砂。通過壓縮空氣把磨料噴射到葉片表面去除表面的附著物的方法。②磨料流光整加工。在黏彈性流體或黏性流體中摻入磨料，在壓力下流過葉片表面進行的光整方法。

6 結束語

本文總結了航空發動機裝置中葉片的主流制造技術，并且對于葉片的再制造技術進行介紹。為適應未來航空產業的變革，大力提升葉片等關鍵零部件的制造技術是一項非常必要的任務，值得廣大科研人員不懈努力。