航空发动机叶片的生产制造技术

2017-01-10董艇舰倪振飞

中国设备工程 2016年16期

关键词：单晶曲面合金

董艇舰，倪振飞

（中国民航大学，天津 300300）

航空发动机叶片的生产制造技术

董艇舰，倪振飞

（中国民航大学，天津 300300）

航空发动机叶片是飞机的主要承力部件，对发动机的性能起着关键的作用。航空发动机的性能很大程度上取决于叶片质量，叶片的质量对发动机的安全性和可靠性有着直接影响。叶片最终成形一直是航空发动机制造中的瓶颈技术，本文从叶片使用材料、叶片的加工与抛光以及叶片的检测三个方面来介绍发动机叶片的生产过程。对比了国内外发动机的生产水平。

发动机叶片；材料；叶片加工与抛光；叶片检测

1 航空发动机叶片的使用材料

1.1 涡轮叶片材料的发展

发动机叶片材料的第一次革命开始于高温合金的成功研制，凭借其优异的高温使用性能全面代替了高温不锈钢，极大的提高了叶片的使用温度，达到了800 ℃ 水平。发动机叶片材料的第二次革命开始于定向凝固高温合金的成功研制，定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度，使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的热疲劳性能，使叶片的使用温度达到了 1000 ℃水平。定向凝固技术发展为单晶合金，进一步提高了发动机叶片的耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性。以第一代单晶合金为基础，又研发出了第二代单晶合金，使其工作温度提高了30 ℃。第三代单晶合金，使得叶片的高温蠕变强度得到极大提高，高温使用寿命也大大提高，其高温使用寿命可达到150小时，是第一代单晶合金寿命的十几倍。第四代单晶合金进一步提高了叶片的使用温度，可达到了1200 ℃，高温下的持久寿命相比于前几代单晶合金也有了很大提高。各代的单晶成分如表1所示。

1.2 我国航空发动机铸造涡轮叶片发展的历史与现状

我国航空产业起步较晚，发动机叶片的研制也长期处于落后水平，从20世纪70年代开始，以我国的资源条件和技术水平为基础，仿制和研制了一系列的镍基铸造高温合金，其性能基本达到了我国的使用要求。经过多年发展，目前的镍基高温合金已制成多种涡轮叶片，并且在1173～1223K的温度下，能够持久稳定地工作。为进一步提高叶片的使用温度，在现有镍基高温合金的基础上，成功研制了强制空冷的空心铸造涡轮叶片，经过不断的试验改进，叶片的使用温度显著提高，提高了发动机性能，特别是发动机的推力得到显著提高。近年来，我国的单晶合金叶片的研制也取得了巨大进展。

2 航空发动机叶片的加工制造

2.1 叶片的数控加工方法

叶片的叶身部分由复杂曲面组成，这极大的增加了叶片的加工难度。按照曲面的成形原理可将曲面分为直纹面和非直纹面。其中直纹面又可分为可展直纹面和不可展直纹面。叶片数控加工方法可分为点铣法和侧铣法。点铣法的铣削原理是由点汇成线，由线组成面，其加工要点是在切削过程中刀刃与被加工曲面始终保持一点相切。点铣法主要适用于自由曲面的叶片加工。点铣法加工有精度高、叶片设计型面的一致性高、气动性能好的优点。也有加工效率低下、刀具磨损严重的不足之处。

侧铣法的铣削原理是利用铣刀刀刃的母线在加工中形成的包络面来逼近曲面成形，其加工要点是切削过程中刀具的侧刃与被加工曲面始终保持接触。侧铣法主要适用于直纹面型叶片。侧铣法具有叶片的表面粗糙度好，叶片的加工效率高,生产成本低的优点。

2.2 航空发动机叶片的抛光技术

叶片形状、表面粗糙度对整个发动机的效率产生很大影响，我国目前的发动机叶片抛光工作主要是由手工完成，由于抛光操作人员的操作技巧和熟练程度不同，叶片的型面精度、表面质量必然会产生误差，给叶片抛光精度的控制造成了较大困难。因而，开展叶片自动化抛光技术的研究，对我国的航空产业的发展有重要意义。