航空发动机涡轮叶片精密成形技术分析

仝伟婷

摘要：航空发动机因为制造难度高，而且技术复杂，当前世界上也只有少数几个国家可以设计和制造航空发动机，我国逐步开始对航空发动机的设计制造进行研究，让自身的制造水平进一步提高。空心涡轮叶片是高性能航空发动机生产制造过程中的重要零部件在生产制造方面难度较大，对我国的航空制造企业产生了一定的困扰，本文重点对航空发动机涡轮叶片精密成型技术进行分析研究，以供参考。

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.

关键词：空心涡轮;叶片;精密成形技术;精铸

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

1  空心涡轮叶片精铸技术

高性能航空燃气涡轮发动机是精密器件，在飞机当中具有非常重要的作用，是飞机的心脏，也是导致我国航空业发展停滞不前的瓶颈之一。伴随当前飞机设计指标逐步提升，航空发动机也需要逐步向低油耗、高推重比、大推力的方向发展，让涡轮前进口温度提高是保证推动力的一个重要方式，预计在推重比15一级的航空发动机当中，涡轮前温度可能在1830～1930摄氏度之间，因此一定要重视加强涡轮叶片的耐高温能力。为了将这一问题解决。当前的涡轮叶片主要使用的是复合气膜冷却单晶空心涡轮叶片，因为该设计材料较为特殊，而且结构非常复杂。在制备空心涡轮叶片的过程中，使用的工艺主要为熔模精铸工艺，但是这一工艺，具有成品率低、要求精度差等问题，造成我国在空心涡轮叶片生产方面出现了很多问题。通常而言当前的空心涡轮叶片精铸成品率只有10%，而90%的废品叶片主要出现的问题是形位尺寸超差，另外一些是结晶缺陷。为了让空心涡轮叶片的制造成品率提高，有效的解决“形控”和“性控”两个问题，需要重视控制尺寸的精度，并且在完成精铸之后提高复合材料的性能。

空心涡轮叶片制造难度大，而且工序非常复杂，具体如下，首先需要注意合理的对模具成型工艺进行应用，将空心涡轮叶片精铸所需要的陶瓷型芯设计出来。该陶瓷型芯是空心结构的重要填充物，接着通过蜡模工艺在型芯外层进行涡轮叶片蜡模的制备，而后进行烧结、浇铸、脱模等一系列工序，将空心涡轮叶片粗坯制备完成。在完成粗坯的条件下进行后续操作，直到制备完整个空心涡轮叶片。在传统空心涡轮叶片制备的时候使用的主要为复合材料，这种材料是等轴晶组织。这种组织在高温条件下很容易受到损坏，而影响整个叶片制备的成品率。伴随当前材料技术快速发展，叶片所使用的复合材料逐步以单晶为主。这种新型材料具有一定的耐高温性，这样可以大幅度提升空心涡轮叶片的制备成品率，当前，针对空心涡轮叶片的精铸主要使用的方法为液态金属冷却法[1]。

2  空心涡轮叶片制备中的“形控”

在进行空心涡轮叶片金属的过程中，由于出现尺寸超差导致叶片不合格的达到了总数的1/2左右，为了让空心涡轮叶片的成品率提高，需要重视加强叶片精铸的情况，也就是对涡轮叶片的尺寸精度进行有效控制。精铸过程主要是为了对叶片的空心厚度以及無叶片的型面精度进行控制。在实践当中分析发现涡轮尺寸精度和涡轮叶片金属工艺会直接影响精度过程控制，尤其是精铸蜡模尺寸的精度。所以需要对蜡模精度进行有效的控制，将其放在精度控制的首位。为了让蜡模浇铸的精度提高，首先需要优化精铸模具的外观，让蜡模的尺寸精度提高，除了需要对那么精度进行控制外，还需要进一步将叶片精铸时由于收缩而出现尺寸缺陷解决。叶片精度较高，结构非常复杂。在精铸时，叶片很容易受到周边热应力等因素的影响，而出现叶片铸造形变。这一形变会在后续叶片精铸位移场当中出现。叶片在出现变形之后，会对叶片的气动外形产生较大影响，而导致发动机的工作效率下降。为了确保叶片能够正常有效的运行，需要进一步的进行叶片精铸后的质量控制，为了对叶片精铸控制所出现的收缩变形进行管控，需要注意采取一定的补偿量来对叶片精铸时出现的收缩进行补偿，需要关注的问题是叶片精铸过程中所出现的收缩主要是因为多种因素导致的，并非线性的。因此需要注意在叶片精铸型腔进行优化的过程中逐步进行修正，这样才能进一步达到最有效果，然而该操作需要花费大量时间，为了让精铸型腔的优化效率提高，需要重视加强建模分析，通过反变形优化设计的方式来进一步对精铸设计进行优化。

通过模型可以对空心叶片精铸过程中的形变位移场进行精确的计算。在完成计算之后，将位移场与型腔模具初始模型进行叠加，就可以将反形变设计的设计量计算出来。在操作过程中需要注意合理的进行精铸位移场的计算和控制，具体的操作方法有两种。

首先基于结果的逆向建模。在实践当中，这种方案主要是针对叶片的实际形变数据来进行构建的，需要细致的测量叶片的精铸后的形态，以实际测量数据为准构建叶片模型和型腔模型，通过两步配准算法来进行空心涡轮叶片位移场的计算。

第二种方法主要是通过三维建模的方式来进行模型仿真，将叶片精铸位移场模型构建起来。在建立叶片精铸位移场模型之后，根据建立的位移场来进一步进行叶片精铸，反形变优化。由于涡轮叶片非常复杂的制造过程中具有较高的难度，所以需要注意对叶片精铸反形变层进行深入的分析，多次修改，以获得需要的精度。在进行叶片精铸位移场模型构建的过程中，可以通过离散连续的方式来完成后续的构件，通过三维建模来将原来叶片精铸位移场的数据转变为空心涡轮叶片，最终的数据模型通过泰勒公式来构建反形变优化控制体系。这样的方法能够让补偿的计算更为简化，原来多次补偿可以通过一次反形变优化模型来进行操作。这种方式的补偿精度和补偿效率较高，可以有效的帮助反形变位移场的设计[2]。

3  做好空心涡轮叶片精铸的“性控”

在涡轮叶片几何尺寸控制完成后，还需要注意加强空心涡轮叶片厚度的管理和控制。空心涡轮叶片生产过程中，其厚度会直接影响叶片的冷却效率和结构强度，另外也会对叶片的使用寿命产生影响。空心涡轮叶片设计使其厚度和精铸模型的精度息息相关。空心涡轮叶片厚度主要是由陶芯合金铸模型匹配度决定的。为了保证更好的约束和控制陶芯在空间当中的姿态，需要注意加强陶芯定位误差和制造误差的控制，由于陶芯在生产和应用过程中，制造误差和定位误差出现的累积误差会对叶片的金属厚度产生直接影响，因此需要关注陶芯的定位问题，再从基础方面进行优化，逐步改进误差传递链，需要与误差出现的原因进行结合，通过陶芯定位优化的方式，逐步控制误差的累积，以确保陶芯具有较高的定位精度。

在控制空心涡轮叶片尺寸精度的条件下，还需要注意积极加强叶片精铸时的系统，也就是需要保证空心涡轮叶片精铸的复合材料。在高温条件下不会受到各种因素的影响，而导致叶片材料性能出现变化，比如说定位融固时，精铸件很有可能会出现雀斑、缩松等缺陷。这些缺陷会导致叶片在运用过程中物理性能无法达到设计的需要，为了将这一问题解决，需要注意合理的进行精铸工艺的优化，通过高温度梯度LMC定向凝固技术可以快速地对精铸叶片进行降温。这样的操作方式可以有效的降低雀斑和缩松的缺陷的几率，让叶片具有较高的屈服强度。叶片精铸中空心涡轮叶片的叶冠和边缘位置很容易出现缺陷，需要注意使用导热体应调整方式在这些缺陷多发位置进行控制[3]。

4  涡轮叶片精密成形技术发展趋势

4.1 涡轮叶片新材料

当前新一代航空发动机涡轮进口温度逐步提高。在高温合金材料能力有限的情况下需要逐步加强高温合金材料的优化。在实际应用时，需要逐步加强陶瓷基复合材料的使用，当前陶瓷基复合材料在航空涡轮叶片发展过程中依旧处于起步阶段，需要进一步分析其结构、工艺、材料等，然而需要指出的是当前陶瓷基复合材料在中等载荷发动机零件试验方面已经取得较大的进步。在未来需要深入地对更耐高温的陶瓷基复合材料进行研发。对于低压涡轮叶片，因为工作过程中温度相对较低，所以，可以使用金属间化合物通常的金属间化合物温度在930摄氏度到1130摄氏度之间，而且密度较低，美国通用公司，在近期使用Ti-Al合金来进行低压导向涡轮叶片的生产[4]。

以上所述金属间化合物、陶瓷基复合材料等新材料的开发应用依然还需要一段时间进行测试，所以当前航空发动机涡轮叶片的主导材料依然为高温单晶合金。

4.2 涡轮叶片新结构

先进的冷却结构可以进一步保证涡轮叶片在实际应用时承受较高的温度，当前涡轮叶片的冷却技术主要使用的是扰流柱强化换热、气膜冷却，但总体而言气冷结构在提升涡轮前进口温度方面的贡献率达到了70%。

但是在实践中发现，常温冷却方式的冷却系数相对较低，影响了涡轮进口温度提升，因此需要逐步对发散冷却技术进行研究，相比于常规冷却技术，发散冷却技术能够有机的融合对流冷却、冲击冷却和气膜冷却，这样可以有效的提高冷却的效率，然而当前的发散冷却技术不成熟，出现表面氧化和積炭等问题，导致实践时应用性较差，还需要深入的分析[5]。

5  结束语

空心涡轮叶片因为加工精度高，而且表面结构非常复杂，成为航空发动机发展过程中的关键部件，如果没有有效地将空心涡轮叶片的生产制造问题解决，可能会导致生产的空心涡轮叶片废品率低，无法符合航空发动机生产的需求，因此需要逐步加强空心涡轮叶片材料结构的分析，采取针对化的策略进行改进，这样才能提高空心涡轮叶片的性能。

参考文献：

[1]蒋睿嵩，汪文虎，王增强，等.航空发动机涡轮叶片精密成形技术及其发展趋势[J].航空制造技术，2016，516（21）：57-62.

[2]李世峰，张定华，卜昆.单晶空心涡轮叶片精确控形技术的研究进展[J].稀有金属材料与工程，2012（03）：559-564.

[3]谢广平，武颖娜，杨锐.航空发动机涡轮叶片的失效分析与检测技术[J].民用飞机设计与研究，2019（3）：15-26.

[4]李义平.航空发动机铸造涡轮叶片校正量的控制技术研究[C]//探索创新交流——第五届中国航空学会青年科技论坛文集（第5集），2012.

[5]关红，崔树森，汪大成.高温合金叶片精密成形技术研究[J].材料科学与工艺，2013（04）：143-148.