应用于新型发动机零部件设计制造新技术应用

刘　敏

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，数据中心情报信息处，辽宁 沈阳 110043）

应用于新型发动机零部件设计制造新技术应用

刘敏

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，数据中心情报信息处，辽宁 沈阳 110043）

本文主要介绍了新式的或改进的制造技术，例如添加制造技术、PECM（精密电化学加工）、IHFP（高频感应压力焊）或冷喷涂技术，有助于克服现有的加工限制和开发新型的零部件设计。

精密电化学加工；高频感应压力焊；冷喷涂技术

1.简介

过去，新型设计的目标都是如何显著降低排放和能源消耗从而提高发动机的效率，为了达到ACARE这一目标，在制造技术上总是受到限制。在2020展望中规定目标的典型实例：CO2的排放降低50%；NOx的排放降低80%；感觉噪声分贝降低50%。能承受较高温度的新材料，例如粉末冶金材料制成的高温合金，以及一些新型零部件设计，例如整体叶盘/IBR、薄壁结构盘，都需要应用先进的制造技术。

新的加工方法，从设备、夹具和工装，以及检验和测量技术方面都有助于克服或减少加工限制。将来在制造工程技术方面会有更好地发展，完全有可能设计出高度集成的零部件，能够进一步提高发动机的效率。

2.改进发动机构造的可能性

发动机的设计仍受相当保守的加工方法的限制。现在所急需的就是新型的制造技术。另外，期望新型制造工艺能在降低制造成本、改进工艺稳定性和增加零部件服役寿命方面做出重大贡献。

引进新型或实质上有所改进的加工工艺将提供以下机会：

（1）以较低成本高质量制造现有零部件并提高工艺稳定性；

（2）替代现有的工艺和加工链；

（3）制造“新型高度集成零部件”，显著提高性能并将传统工艺制造的零部件的性能集成到一起。

这些目标虽不可能马上实现，但可以逐渐地阶段地实现。

3.替代工艺实例

3.1ECM（电化学加工）/PECM（精密电化学加工）

精密电化学加工是电化学加工的进一步发展。该工艺的主要特点是显著缩小了零部件与电极之间的间隙，而实际上却提高了轮廓的尺寸精度，因此提高了零部件的表面光洁度。精密电化学加工没有明显的电极损耗。此工艺的一个最大优点就是薄壁结构件被施加工作压力后不会变形，精密电化学加工期间施加在翼型上的唯一作用力就是电解液的压力。

应用精密电化学加工工艺，粉末冶金（PM）材料比锻造合金加工得更快些。再加工能力非常好并且电极的损伤可以忽略不计。

通常来说，传统的电化学加工主要用于叶盘翼型预成型的粗加工。然后通过精密电化学加工制成最终形状。

ECM和PECM工序是一道很适合的工艺链用于加工整体叶盘翼型（包括3D形状），其材质为PM镍基合金，应用传统的加工方法很难加工。此外，PECM也适用于节约减耗加工γ-Ti叶片。

如果应用的是带有一定型面的电极，对于调节气流的气动结构件经由一次仿形加工便可制造而成。

3.2冷喷涂

冷喷涂是一种制造涂层的新工艺，具有无氧化物、低孔隙率和高粘附强度的良好特性。该工艺引进的热应力较低，另外，冷喷涂的突出优点就是沉积效率高（＞60%）和喷涂时间短。由于低的热应力和高的粒子流速，喷涂过程中会形成压应力，因此该工艺也适用于沉积较厚的涂层。

加工原理：

使高度压缩的热氮加速通过拉瓦尔喷嘴；

轴向喷射喷涂粉末；

粉末颗粒以未融化状态和很高的动能喷射到待涂覆零件，并被“锻造”到零件表面。

塑性材料只用作冷喷涂材料。

该工艺还提供对零部件外形的增材制造，主要是对零部件进行修复。此外还有可能加工复合材料，通过不同材料的结合能够很好地满足零部件的部分要求。

3.3IHFP（高频感应压力焊）

IHFP是一种焊接材料的高效压力工艺。在该工艺过程中，熔化区域在感应电流的作用下均匀受热，大约4s后达到焊接温度（≤熔化温度），零部件在压力下被焊接到一起。对于钛零件，焊接压力介于30MPa～40MPa之间，而镍合金零部件达到100MPa。在整个冷却阶段都要保持焊接压力。形成的焊缝非常均匀且热影响区域很窄。

该工艺还可用于焊接不同的材料，例如，制造双材料整体叶盘，其中叶片和盘材料是采用具有良好的加工应力承受效果的合金制造而成。

高频感应压力焊降低了对低压压气机整体叶盘和风扇的材料要求，降低约30%，同时还提高了整体的机械性能。该工艺还可用于制造新的整体叶盘，来替换发动机整体叶盘上受损的翼型。

IHFP在一定程度上可替代线性摩擦焊，线性摩擦焊对几何形状的限制较多，而且还不是很节约成本。

4.“新”产品示例

4.1增材制造整体零部件试验装置和夹具

多孔密封的叶片扇形段的加工是发动机零部件中复杂且耗时的加工工序，其中一个关键工艺步骤就是钎焊蜂窝结构零部件。

增材制造工艺能够整体制造这种零部件，因此能将所需的工序降至4步：增材制造，热处理，表面修整以及尺寸修正。

应用这种工艺的另一个实例就是磨削加工用的冷却润滑剂喷嘴，其对有形零部件的磨削工艺的稳定有很重要的作用。改进的冷却方式能安全防止材料在磨削时过热并能提高材料的去除率。

目前，增材制造工艺的最佳应用包括高度一体化或中空的零部件，以及具有复杂结构元件的原型机和夹具。零部件可以直接由CAD生成，不需要详细地绘图。较短的制造周期允许对各种改进进行研发和测试。

4.2零部件表面机械硬化状态的无损检测

为了增加发动机旋转零部件的使用寿命，要对其进行机械硬化以便诱导出残余应力。这种工艺的正效应并未在当前的零部件设计中加以考虑，原因之一就是缺乏适当的方法来测量零部件的机械硬化效应，例如盘的无损检测。

检测机械应力效应和残余应力的深度分布的通用工艺就是X射线和螺孔钻方法。但这两种方法都对零部件的结构有所损伤。同步加速器辐射或中子辐射都可用来无损检测深度分布，但这种方法在实际应用中不是很节约成本。

无损检测零部件机械硬化状态的一种新方法就是应用声弹效应。该方法的主要依据是材料的声音传输速率取决于机械硬化状态。在该工艺中，应用高精密超声波测角计测量关键角a处瑞利波的声音传播速率CR。

这种测量工艺目前已被进一步改良，以便更适宜无损检测工业环境下的零部件表面的机械硬化状态。改良后这种新的测量方法允许在零部件设计阶段考虑机械应力效应，这就有可能进一步降低零部件的壁厚。

4.3增材制造工艺的进一步研发（图1）

将来的发动机零部件要满足更严格的要求，包括一体化程度、重量/性能比率和使用寿命。在这里增材制造工艺将提供很大的可能性。

该工艺在节约成本方面很有优势。应用此工艺加工出的材料性能要优于传统铸造的合金性能（蠕变性能除外）。此外，增材制造工艺允许壁厚降到像铸件一样厚，而且零部件的复杂性还可以进一步增加。

例如增材制造工艺允许进行仿生结构设计，而且能在提高零部件功能性的同时降低其重量。

可行性实例：

带有测量压力和温度的集成传感器的叶片扇形段；

带有空气环流内部通道的护罩；

叶片扇形段与护罩的组合；

带有复杂喷射结构的喷射系统，像机匣处理系统、反流系统和带有精细内流系统的冷却翼型。

图1　增材制造工艺研发方向

结论

提供发动机效率和可靠性可以通过应用防护涂层得以实现。防护涂层发展的新趋势很可能包括制备多层涂层、梯度涂层和改良涂层，它们在性能上要超过目前已有的涂层。采用化学气相沉积（CVD）技术制备扩散涂层、喷涂热障涂层来调节比迄今为止所能达到的还要高的温度以及将电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术应用于旋转叶片，这些就是本文作者的当前研究课题。

［1］孟书广.航空发动机复杂零部件的新型测量技术［J］.航空制造技术，2014（13）：32-35.

TG17

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