1、高推重比發(fā)動機的關鍵制造技術21世紀高推重比發(fā)動機要求減輕結(jié)構(gòu)重量，降低研制和制造成本，這對制造技術提出了更加苛刻的要求,使發(fā)動機結(jié)構(gòu)工藝性更加惡化。為此，國外將研究出全新的制造技術群。 以F119發(fā)動機為代表的 推重比10一級的發(fā)動機將成為以F-22為代表的第四代戰(zhàn)斗機的動力裝置。預計2020年以前，發(fā)動機推重比將提高至1520，許多關鍵技術前期研究項目已經(jīng)取得成果，不少已在XTC16/1A核心機和系列化的先進渦輪發(fā)動機燃氣發(fā)生器驗證機上進行了驗證。在提高發(fā)動機可靠性和維護性的同時，為了提高發(fā)動機的推力和推重比，必須減輕發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量，提高發(fā)動機的結(jié)構(gòu)效率和燃氣溫度。為此，除改進發(fā)動機設計方

2、法外，還發(fā)展和采用了先進的輕質(zhì)高性能材料與高結(jié)構(gòu)效率的整體、輕量化結(jié)構(gòu)。因而，使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)工藝性、可加工性和可生產(chǎn)性進一步惡化。為此，國外相繼研發(fā)了一系列關鍵制造技術。 寬弦風扇葉片制造技術 F119和EJ200等推重比10一級的發(fā)動機均采用寬弦風扇葉片。F119的3級風扇葉片均為寬弦葉片。寬弦無凸臺風扇葉片可有兩種選擇方案，即鈦合金風扇葉片和復合材料風扇葉片。F119采用PW E3發(fā)動機的方案，即用鈦合金毛坯經(jīng)切削加工成兩半葉片，用真空擴散焊接成一個整體空心平板葉身，然后在真空爐內(nèi)通過蠕變、彎扭初步成形，最后經(jīng)超塑成形至最終葉型。美國普惠公司和漢密爾頓標準公司聯(lián)合研發(fā)了復合材料風扇葉片。目

3、前研發(fā)的復合材料風扇葉片主要有： 1.鈦梁-環(huán)氧樹脂基復合材料蒙皮殼體結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)填充泡沫； 2.全復合材料風扇葉片，一旦通過耐久性試驗，可用作高性能發(fā)動機的風扇葉片； 3.目前正在研究推重比1520高性能發(fā)動機的復合材料風扇葉片，它是一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維增強的鈦金屬基復合材料（MMCS）制造成的葉片，是用超塑成形/擴散連接工藝制造的輕質(zhì)量、高剛度、高耐沖擊破壞強度的空心風扇葉片，可使發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量減輕14%。這種復合材料風扇葉片選用的碳化硅纖維材料是SCS-6，基體材料是Ti-6Al-4V。SCS-6/Ti-6-4鈦基復合材料的縱向抗拉強度和抗疲勞強度優(yōu)于其他備選材料，碳化硅纖維標稱直

4、徑為0.142毫米。首先，將SCS-6纖維制成經(jīng)固化的SCS-6/Ti-6-4鈦面板，再用此面板加工成楔形板，用鋼模和超塑成形/擴散連接工藝將面板制成型板，然后，進行尺寸檢測和無損檢驗，經(jīng)質(zhì)量檢查合格后，將若干個型板按風扇葉片的尺寸要求制成疊板組件，最后進行超塑成形/擴散連接。葉片蒙皮厚度從葉根至葉尖遞減。蒙皮制造方法是，將單向排列的SCS-6纖維與鈦交織成編織物（用鈦箔控制纖維間隔），按照厚度要求確定蒙皮層數(shù)，最后在熱等靜壓罐內(nèi)固結(jié)。金屬基復合材料風扇葉片的制造過程大致如下：先制成蒙皮面板制成疊板組件擴散連接（在熱壓罐內(nèi)）扭轉(zhuǎn)彎度成形超塑成形無損檢驗表面光整加工。 在綜合高性能渦輪發(fā)動機技術

5、計劃（IHPTET）的第一階段中，在XTE65/2驗證機上試驗了一種用Ti-6Al-4V鈦合金制造的帶后掠角、小展弦比、無凸臺的風扇葉片，其效率和喘振裕度均高于現(xiàn)役先進發(fā)動機的風扇葉片。其制造方法未見報道，估計采用多坐標計算機數(shù)控加工技術制成。 整體葉盤制造技術 推重比10發(fā)動機的壓氣機和渦輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu),如F119和EJ200的風扇與壓氣機為鈦合金整體葉盤結(jié)構(gòu)，渦輪采用高溫合金整體葉盤結(jié)構(gòu)；F120、F414-400發(fā)動機的第2、3級風扇和壓氣機前3級也采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。有的F119壓氣機轉(zhuǎn)子也采用ALLOY-C型阻燃鈦合金整體葉盤。ALLOY-C型鈦合金不但具有良好的阻燃性能，而且具有

6、良好的高溫變形、冷軋、延展、焊接和鑄造性能，其鈑金成形延展率可達40%50%。 目前，制造整體葉盤有以下技術途徑： 電子束焊接法- EJ200即采用此法制造,即先將單個葉片用電子束焊接成葉片環(huán)，后用電子束焊接技術將鍛造和電解加工成形的輪盤腹板與葉片環(huán)焊接成整體葉盤結(jié)構(gòu)。這種整體葉盤結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的榫頭連接的葉盤轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)重量減輕30%，并可根除榫槽斷裂危險。此方案采用的制造技術有電子束焊接技術、鍛造技術、電解加工技術,以及線性摩擦焊接修理技術。A 鍛接法（用鍛壓植入葉片+擴散連接）-普惠公司試用鍛接法制造整體渦輪轉(zhuǎn)子。鍛接法是用局部加熱法將單晶精鑄葉片直接連接到鍛造渦輪盤的輪緣上。渦輪盤輪緣局部加熱

7、至變形溫度后，用待連接的單晶葉片在局部加熱的輪緣連接部位施壓，使局部加熱區(qū)域產(chǎn)生變形，即將葉片植入輪緣內(nèi)的同時進行擴散連接過程，將葉片牢固地連接在渦輪盤的輪緣內(nèi)。 鍛接法的關鍵是正確有效地控制局部加熱變形參數(shù)（溫度、壓力、變形量），這對葉片與輪盤之間消除松動、產(chǎn)生完全致密的高強度結(jié)合面是非常重要的。用此法制造的整體葉盤結(jié)構(gòu)必須確保鍛接過程中，葉片始終準確定位，并始終保持定位的位置。普惠公司已研究出葉片/盤的鍛接工具，可準確地保持葉片的正確位置。 鍛接工藝可有效用于超級耐熱合金和鈦合金之間的連接和修補，可用于風扇、壓氣機和渦輪整體葉盤結(jié)構(gòu)的制造、修補和更換葉片。 五坐標計算機數(shù)控加工或電解加工技

8、術-整體葉盤結(jié)構(gòu)的制造還可采用經(jīng)模鍛的高溫合金或鈦合金實體整體葉盤毛坯經(jīng)五坐標數(shù)控加工技術或數(shù)控電解加工技術成形。此種方法要切掉大量金屬材料，價格昂貴,加工時間和制造周期長。 E鰨闑鮵瀔 線性摩擦焊接（LFW）法-用線性摩擦焊將葉片焊接在輪盤上，可節(jié)省大量葉片的連接件和結(jié)構(gòu)重量。它是先將葉片夾緊在輪緣的葉根上,并使輪盤周向以高速振動,在葉片和輪盤葉根界面產(chǎn)生一個窄的摩擦加熱區(qū)，當加熱區(qū)的溫度達到要求的溫度時即停止振動,葉片與輪盤固定直至固結(jié)在一起。此法要比用實體毛坯加工法更經(jīng)濟。歐洲戰(zhàn)斗機的EJ200 發(fā)動機的3級低壓壓氣機的整體葉盤是線性摩擦焊接技術成功應用的頂極標志。目前羅-羅公司和 MT

9、U公司已用 LFW技術成功地制造了寬弦風扇整體葉盤，并將為JSF的發(fā)動機提供LFW整體葉盤。用LFW技術可從發(fā)動機上更換掉被鳥撞損壞的葉片，也可用LFW技術將葉片與用不同材料制造的輪盤焊接在一起，以獲得最佳的減重效果。 整體葉環(huán)制造技術 推重比1520高性能發(fā)動機，如XTX16/1A變循環(huán)發(fā)動機的核心機第3、4級壓氣機為整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子及其間的隔環(huán)采用TiMC金屬基復合材料制造。目前正在研究的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)制造技術是一種用單長絲纏繞金屬基復合材料結(jié)構(gòu)的制造技術。用連續(xù)單根碳化硅長絲增強的鈦合 金金屬基復合材料制造的 壓氣機整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子可以 減少70%整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動質(zhì)量，而

10、且可以提高高溫性能。用單根長絲增強的鈦合金金屬基復合材料制造的整體葉環(huán)是用直徑為100微米或更粗的碳化硅連續(xù)長絲，長度為25千米，在鈦合金基體上纏繞成形而成。所用的長絲是在鎢絲或未擰成絲束的單根碳纖維外表面用化學氣相沉積工藝沉積一層硼化硅或碳化硅陶瓷，再將數(shù)根碳化硅纖維擰成纖維束制成連續(xù)的長絲。單長絲增強的復合材料在高溫下在沿纖維方向具有很高的比強度和比剛度。目前有幾種方法可以獲得選擇性增強的鋁合金、鈦合金、金屬間化合物合金。如，在合金箔板之間排列鋪放單向纖維束制成疊層板，然后用擴散連接方法將疊層板固結(jié)成整體構(gòu)件。另一種方法是按要求采用在表面涂有基體金屬的單根長絲制成長絲纏繞結(jié)構(gòu)，然后用擴散連

11、接方法將長絲纏繞的結(jié)構(gòu)固結(jié)成整體構(gòu)件。 目前，最常用的長絲表面涂敷方法有兩種，其一，在纖維繞成纖維束的過程中用等離子噴涂方法將所要求的基體金屬噴涂在纖維束的表面。其二，在長絲纏繞和固結(jié)之前，用物理氣相沉積方法將基體材料沉積在纏繞的長絲表面。長纖維束排列鋪放已經(jīng)實現(xiàn)計算機控制的自動鋪放。纖維束自動鋪放是一種新型的復合材料制造技術。纖維束自動鋪放機像纖維纏繞工藝一樣把單根或多根纖維束材料纏繞在旋轉(zhuǎn)芯軸上，亦可將多根纖維束在張力近乎為零的情況下直接鋪放到模具表面。這種單長絲纏繞增強的復合材料在21世紀高推重比、高性能發(fā)動機中的應用具有很大的潛力，可以大幅度提高發(fā)動機的性能，降低結(jié)構(gòu)重量；未來發(fā)動機的

12、低壓壓氣機葉片和靜子葉片、壓氣機和渦輪整體葉環(huán)，以及渦輪軸、壓氣機機匣也將廣泛采用這種復合材料制造。通常發(fā)動機的低溫部件，如軸和機匣以及低壓轉(zhuǎn)子等采用單長絲增強的、以標準鈦合金為基體材料的復合材料制造；而高溫渦輪部件則用單長絲增強的金屬間化合物合金為基體的復合材料制造。目前，正在原型發(fā)動機上對單長絲增強的金屬基復合材料部件的性能進行評估。W 另外，在IHPTET計劃第2階段中的新的核心機壓氣機上，將采用高溫鈦合金Ti1100鈦合金代替Ti6Al4V制造整體葉環(huán)，而壓氣機靜子將采用TiAl金屬間化合物制造，可使耐熱性能提高到700800，減輕50%的結(jié)構(gòu)重量，同時不易著火。Ti1100鈦合金整體

13、葉環(huán)結(jié)構(gòu)的制造技術尚未見透露，估計采用鍛坯加多坐標數(shù)控加工或數(shù)控電解加工技術制造。 復合層板冷卻結(jié)構(gòu)制造技術 多孔復合層板冷卻結(jié)構(gòu)是高推重比發(fā)動機采用的先進冷卻結(jié)構(gòu)，多用于燃燒室和渦輪葉片。它是將帶有復雜冷卻回路的Lamilloy多孔層板用擴散連接方法成形的冷卻結(jié)構(gòu)。多孔復合層板冷卻結(jié)構(gòu)的關鍵制造技術是復雜冷卻回路的計算機輔助設計和繪制、照相-腐蝕或照相-電解工藝，也可用激光和電子束等特種工藝加工。 新型封嚴結(jié)構(gòu)制造技術 推重比8一級發(fā)動機采用蜂窩封嚴結(jié)構(gòu)，推重比10一級發(fā)動機采用絲刷封嚴結(jié)構(gòu)。F119和EJ200采用刷式封嚴結(jié)構(gòu)。它是由一組緊密捆在一起的直徑為0.0136毫米金屬絲鬃毛和內(nèi)外

14、夾板組成，鬃毛夾在內(nèi)外夾板之間。鬃毛在軸的旋轉(zhuǎn)方向偏置一個角度以減少摩擦和磨損。軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，偏置角度可使鬃毛彎曲而不致折損，保持良好的封嚴性能。刷式封嚴結(jié)構(gòu)對選材、制造、裝配和使用都有嚴格的要求。1955年刷式封嚴首次試用于J47發(fā)動機，但未成功。1983年用于RB199發(fā)動機，通過定型試驗，但未采用。90年代初，在V2500、EJ200等發(fā)動機上應用。艾利遜公司為高性能發(fā)動機研究的刷式封嚴裝置的鬃毛材料為Hanynes25,封嚴板材為Nimonic75，鬃毛直徑0.071毫米、傾角為450、刷子徑向高度為7.26毫米、鬃毛表面經(jīng)磨削處理，發(fā)動機軸軸徑表面涂敷氧化鋁涂層。鬃毛和封嚴板（內(nèi)外夾

15、板）采用壓制、燒結(jié)高溫釬焊或擴散連接方法制成刷式封嚴結(jié)構(gòu)。鬃毛的拔制工藝和封嚴結(jié)構(gòu)的詳細制造工藝至今未見報道。 浮壁式火焰筒制造技術 推重比10一級發(fā)動機渦輪前溫度達到15001700。艾利遜公司研究了用Lamilloy多孔層板加柔性金屬/陶瓷制造的浮壁火焰筒結(jié)構(gòu)。普惠公司研究了用玻璃陶瓷基復合材料制造浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)。F119采用的浮壁式火焰筒結(jié)構(gòu)是用多環(huán)段連接而成。環(huán)段背向火焰一面對流散熱的凸環(huán)，并有縫隙形成冷卻隔熱氣膜，隔熱環(huán)是由浮動片組成，并用螺栓連接在外環(huán)段上。浮動片用精密鑄造而成，而冷卻隔熱環(huán)局部噴涂熱障涂層，以降低部件表面溫度。 靜止件制造技術 大型整體構(gòu)件超薄壁厚精密鑄造 精密

16、鑄造技術對減輕高推重比發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量和降低制造成本起著極其重要的作用。用精密鑄件取代由多個零件組成的組件可以減少零件/連接件數(shù)量，節(jié)省工時，減輕結(jié)構(gòu)重量。為了提高推重比，高性能發(fā)動機的燃氣發(fā)生器擴壓器是采用低密度輕質(zhì)高溫材料-Ti3Al合金精密鑄造而成的。 由于現(xiàn)有鑄造技術的限制造成發(fā)動機零件超重，出現(xiàn)超設計零件，使許多零件必須經(jīng)過多道工序和后置處理工序才能完成零件的制造。美國普惠公司與艾利遜公司（后被羅-羅公司收購）推出一種超薄壁厚精密鑄造工藝制造F119單晶整體過渡進氣道扇形段，其最小壁厚僅有0.25毫米。這種技術大大簡化了零件制造過程，僅需要一道精密鑄造工序即可完成薄壁整體構(gòu)件的制造，可

17、取消許多后續(xù)加工工序，減少零件數(shù)量、減輕零件的結(jié)構(gòu)重量和降低制造成本。采用這項技術可將由69個分離件組成的F119的過渡進氣道扇形段鑄造成一個整體件，預計可使每臺F119減重6.8千克，后續(xù)工序由6道減為2道。此項技術是美國可買得起，可重復生產(chǎn)先進戰(zhàn)斗機計劃的一部分。美國空軍要求在本項技術中引入快速響應技術，并將此項技術推廣應用于其他航空產(chǎn)品和民用產(chǎn)品零件的制造。目前這項技術已經(jīng)得到驗證。另外，美國萊特實驗室與普惠公司和艾利遜公司簽訂了650萬美元合同，以改進鎳基合金超簿壁厚精密鑄造工藝。此項合同的研究重點是制造形狀更加復雜（如扭轉(zhuǎn)形狀）和尺寸精度要求更高的零件。 u? 噴射鑄造成形 spra

18、y噴射成形技術- 一步成形法 ，即將熔融合金轉(zhuǎn)化為致密、細晶、質(zhì)地均勻、孔隙度為0.2%2%的產(chǎn)品的成形技術。它是將合金材料放入感應爐內(nèi)融化并用高速氮氣霧化。其與制備超級合金粉末氬氣霧化過程不同之處是合金的融滴在底層上集聚之前不許凝固。與常規(guī)P/M粉末冶金相比，簡化了工藝過程，從霧化粉末到固結(jié)成零件的過程中減少了許多道工序，不僅可以降低成本，而且可以減少粉末產(chǎn)生污染的可能性。噴鑄成形的零件可以用直接熱等靜壓（HIP）進行致密性處理或進行熱機械處理。 Spraycast-X噴鑄成形技術-這是一種快捷、低成本、高效率成形技術，可用于高推重比發(fā)動機的高精度、高質(zhì)量的鎳基超級合金環(huán)形件和機匣等結(jié)構(gòu)件的

19、制造。它可以將超級合金一步成形制成發(fā)動機的環(huán)形件和機匣的預制件，并可以減少常規(guī)的環(huán)形件和機匣生產(chǎn)所需的環(huán)軋工序總量。Spraycast-x成形技術是在spray噴射成形技術的基礎上發(fā)展的先進的成形技術，即在spray成形技術的基礎上增加了真空融化和處理工序。1998年已經(jīng)推出了第三代生產(chǎn)型噴鑄成形設備，可用于制造長度為1.5米,直徑為1.4米的單直徑或多直徑的環(huán)形件和機匣。 用Spraycast-X+HIP、Spraycast-X+環(huán)軋和Spraycast-X+HIP+環(huán)軋方法制造的零件在室溫和650溫度下的拉伸強度可與常規(guī)鍛造零件相媲美。 超高溫樹脂基復合材料靜止部件制造 目前，軍用發(fā)動機中

20、復合材料用量已占結(jié)構(gòu)重量的3%。高溫樹脂基復合材料（PMC）已廣泛用于發(fā)動機的低溫部件，如F119的帶變幾何形狀導流葉片的進氣道機匣和外涵道筒體采用CfR/聚酰亞胺樹脂基復合材料，工作溫度為316；外涵道筒體采用CfR/PMR15取代化銑鈦合金結(jié)構(gòu)，可減重15%20%，成本降低30%35%；美國空軍研究AFR700B 超高溫樹脂基復合材料取代鈦合金用作F119 的渦輪和壓氣機的靜止構(gòu)件與進氣道的結(jié)構(gòu)材料。AFR700具有更高的熱穩(wěn)定性和工藝性，可在371工作1000小時，在316工作10000小時。此外，國外還在研究：用于中介機匣的熱塑性復合材料，其工作溫度為347；用于壓氣機靜止構(gòu)件及進氣道

21、超高溫樹脂基復合材料，工作溫度371。 F119的復合材料風扇進氣道機匣采用先進的樹脂轉(zhuǎn)移造型法，即由Dow-UT公司研發(fā)的AdvRTM技術制造的。這種制造技術可以制造形狀復雜的風扇進氣道機匣，其所有外部氣流通道表面光滑度和最終尺寸精度可與鈦合金經(jīng)機械加工的風扇進氣道機匣相媲美，并可使風扇進氣道機匣減少零件總數(shù)和取消許多勞動密集的裝配工序，因而可以大幅度降低結(jié)構(gòu)重量和成本。 高溫樹脂基復合材料構(gòu)件的制造技術有熱壓罐成形、模壓成形、樹脂轉(zhuǎn)移成形和纏繞成形等。2020年前國外將進一步開發(fā)更加高效、可靠、低成本的制造方法和設備，探索具有良好加工性能和優(yōu)良熱穩(wěn)定性的新聚合物合成技術。 目前，國外樹脂基

22、復合材料構(gòu)件制造過程已經(jīng)實現(xiàn)自動化，并采用自動控制系統(tǒng)完成鋪放纖維和樹脂轉(zhuǎn)移造型。自動化RTM成形技術可以降低纖維鋪放成本、生產(chǎn)形狀復雜的構(gòu)件和提高生產(chǎn)可重復性，并可將材料消耗降低到最小程度。先進的自動化纖維引導鋪放、樹脂膜浸漬和真空輔助RTM造型技術，為21世紀生產(chǎn)低成本、經(jīng)濟可承受的飛機和發(fā)動機提供了先進的制造技術，可以廣泛用于復雜幾何形狀、大尺寸、厚截面和高精度構(gòu)件的制造。采用自動化纖維鋪放技術可以取代手工鋪放，降低成本38%，減少勞動工時60%，減少零件數(shù)量80%。與RTM相關的工藝技術如樹脂膜浸漬技術（RFI）和真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移造型（VARTM）技術尚在發(fā)展之中。 精密制坯技術U 新

23、一代航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢是減少零件總數(shù)（減少60%），從而達到減輕結(jié)構(gòu)重量、提高推重比和降低成本（降低25%30%）的目的。因此,這些發(fā)動機的毛坯構(gòu)成將發(fā)生重大變化。趨勢是鑄件、精鍛件、單晶和定向凝固精鑄件的用量大大增加。預計，一般鍛件由77%降至33%，鑄件由18%增至44%，粉末冶金件由3%增至8%，復合材料構(gòu)件由4%增至15%。 精密制坯技術已廣泛用于發(fā)動機零件制造。用石蠟鑄型可一次鑄出鈦合金件。精密鑄造和精密鍛造采用CATIA軟件、預測模型和計算機模擬技術實現(xiàn)了實體造型以及鑄、鍛過程用計算機模擬仿真，這些技術提高了金屬填充和凝固質(zhì)量，消除了疏松和避免了熱裂，并可取代常規(guī)的試鑄法，從

24、而提高了精密鑄造和精密鍛造質(zhì)量與效率，降低了成本。 定向凝固和單晶精鑄 定向凝固和單晶精鑄技術已經(jīng)成為推重比10以上高性能發(fā)動機關鍵制造技術之一。目前使用中的單晶葉片是第二代空心無余量單晶葉片,即采用定向凝固經(jīng)時效處理加防護涂層的對開式空心超單晶葉片。國外主要發(fā)動機公司均已經(jīng)建立定向凝固和單晶渦輪葉片精鑄生產(chǎn)線，其葉片單面余量已穩(wěn)定在0.05-0.1毫米,渦輪葉片合格率可達70%以上，導向葉片達90%以上。 國外已批量生產(chǎn)葉身無余量的各種尺寸的葉片精鍛件和定向及單晶合金空心葉片精鑄件，如：批量生產(chǎn)直徑1300毫米、壁厚12毫米（最薄0.5毫米）的鈦合金精鑄機匣；現(xiàn)役發(fā)動機已普遍采用的精鑄單晶空心葉片和超塑性鍛造粉末高溫合金渦輪盤；美國Howmet公司已生產(chǎn)100多種100多萬件精鑄單晶葉片。此外，國外還在研究尺寸達2000毫米的精