航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)的“心臟”，它的設(shè)計、材料與制造技術(shù)的進(jìn)步對航空工業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。近年來，航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都在研制高性能航空發(fā)動機(jī)方面投入了大量的資金和人力，實(shí)施了一系列技術(shù)研發(fā)計劃，如“先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)設(shè)計（ATFE）”、“綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（IHPTET）計劃”及后續(xù)的VAATE計劃、英法合作軍用發(fā)動機(jī)技術(shù)計劃（AMET）等[1]，以此來推進(jìn)新一代發(fā)動機(jī)的問世。而未來第五代高性能發(fā)動機(jī)對推重比的要求已達(dá)到15~20，這些都給航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料和制造提出了更高的要求。
研究表明[2]，在新一代航空發(fā)動機(jī)性能的提高中, 制造技術(shù)與材料的貢獻(xiàn)率為50%~70%;而在發(fā)動機(jī)減重的貢獻(xiàn)率中,制造技術(shù)和材料的貢獻(xiàn)率占70%~80% , 這充分說明，先進(jìn)的材料和工藝是航空發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)減重、增效、改善性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，航空發(fā)動機(jī)普遍采用輕量化、整體化結(jié)構(gòu)，如整體葉盤、葉環(huán)結(jié)構(gòu)，鈦合金、鎳基高溫合金，以及比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好的樹脂基復(fù)合材料，耐高溫、抗疲勞及蠕變性能好的金屬基復(fù)合材料等。本文基于國內(nèi)外發(fā)展高推重比發(fā)動機(jī)的技術(shù)需求，對可能采用的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)進(jìn)行闡述和分析[3]。
寬弦風(fēng)扇空心葉片（鈦合金或復(fù)合材料）制造技術(shù)
高效、高負(fù)荷、低展弦比一直是高性能航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件——風(fēng)扇的發(fā)展方向。在20世紀(jì)80年代，英國R·R公司率先研究成功了第一代寬弦空心風(fēng)扇葉片, 并應(yīng)用在RB211-535E4和V2500發(fā)動機(jī)上[4]，如圖1（a）所示。此種風(fēng)扇葉片的優(yōu)點(diǎn)是：弦長比原來增加了約40%；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量減少30%；轉(zhuǎn)子重量減輕了10%~30%；并提高了空氣流量和氣動效率，抗外物撞擊能力以及喘振裕度[5]。為了進(jìn)一步提高葉片的性能，R·R 公司于1994年又研制了第二代寬弦空心風(fēng)扇葉片，轉(zhuǎn)子葉片為掠形葉片，采用鈦合金三層結(jié)構(gòu)SPF/DB組合工藝制成，如圖1（b）所示。緊接著，惠·普公司在PW4000系列發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上研制了PW4084發(fā)動機(jī)，其風(fēng)扇直徑達(dá)到2844mm，鈦合金寬弦空心葉片數(shù)目也從38片降為22片，大大減輕了發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片的重量，葉片結(jié)構(gòu)如圖1（c）。
目前,寬弦風(fēng)扇葉片的材料主要為鈦合金或復(fù)合材料。推重比為10一級的渦扇發(fā)動機(jī)，如F119、EJ200、M88等采用的都是鈦合金制成的寬弦風(fēng)扇葉片[6]。國外正在研究的推重比15~20 高性能發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片則是采用連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料（TiMMC）[7]制成。
經(jīng)過對國內(nèi)外各項制造工藝的研究初步得出了空心葉片的制造工藝流程[8]如下：
（1）在中間芯板上以一定的形狀噴涂止焊劑，然后將芯板與兩層面板一起用氬弧焊焊接封邊（留有進(jìn)氣口）；
（2）將焊好的層板放入與葉片型面相同的模具內(nèi)，并一起放進(jìn)帶有加熱系統(tǒng)的壓機(jī)內(nèi)，加熱升溫至超塑成形/ 擴(kuò)散連接溫度；
（3）先向模腔內(nèi)吹入一定壓力的氬氣，然后保溫保壓使3 層鈦板內(nèi)部預(yù)定部位和周邊進(jìn)行擴(kuò)散連接（DB）；
（4）連接完成后再向3層板內(nèi)吹入一定壓力的氬氣進(jìn)行超塑成形（SPF）；
（5）兩層面板在超塑成形狀態(tài)下進(jìn)行拉伸和扭曲變形，同時中間芯板延展變形，形成格形結(jié)構(gòu)；
（6）板材完全貼模成形后隨爐冷卻，取出零件進(jìn)行表面化銑；
（7）最后數(shù)控加工出葉根和葉型邊緣，得到寬弦空心風(fēng)扇葉片。
圖2為寬弦風(fēng)扇葉片剖切照片，目前，寬弦風(fēng)扇葉片主要采用先進(jìn)的超塑成形/擴(kuò)散連接工藝（SPF/DB）制造的，而SPF/DB工藝在國內(nèi)發(fā)展尚不成熟，且加工工序復(fù)雜，并伴有熱成形加工，因此加工葉片的精度很難得到保證。劉業(yè)勝等[9]從仿真角度，簡化模型后分析得出，空心葉片的加工誤差可能對葉片的性能產(chǎn)生很大的影響，而在工程實(shí)際中其影響效應(yīng)也還需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證及經(jīng)驗(yàn)積累，因此，急需開展寬弦空心風(fēng)扇葉片擴(kuò)散連接技術(shù)程化應(yīng)用研究，進(jìn)一步將擴(kuò)散連接技術(shù)廣泛應(yīng)用在寬弦空心風(fēng)扇葉片制造中。
整體葉盤/葉環(huán)制造及修復(fù)技術(shù)
1 整體葉盤/葉環(huán)的制造技術(shù)
整體葉盤結(jié)構(gòu)是提高發(fā)動機(jī)部件效率的新型結(jié)構(gòu)，即將葉片和風(fēng)扇盤用一定的焊接方法連接成一體，省去常規(guī)風(fēng)扇盤連接的榫齒和榫槽，大大簡化結(jié)構(gòu)和重量，此技術(shù)已經(jīng)在先進(jìn)軍用發(fā)動機(jī)（如F119和EJ200）的三級風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)的整體葉盤轉(zhuǎn)子得到了驗(yàn)證[10]。為了進(jìn)一步減重，使結(jié)構(gòu)更加簡單，在推重比15~20的高性能發(fā)動機(jī)上，壓氣機(jī)采用的是更為輕質(zhì)的整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)，即將整體葉盤中的輪盤部分去掉就成為了整體葉環(huán)。目前，對整體葉環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要選用的是SiC長纖維增強(qiáng)Ti基復(fù)合材料（TiMMC）葉環(huán)代替壓氣機(jī)盤，采用線性摩擦焊技術(shù)將葉片直接固定在承力環(huán)上，可使壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%，而且可以提高其高溫性能。圖3即為碳化硅纖維增強(qiáng)的Ti基復(fù)合材料整體葉環(huán)。
在制造技術(shù)方面，我國整體葉盤的制造技術(shù)已取得初步成果，如整體葉盤的五坐標(biāo)數(shù)控銑、電解加工及毛坯精密鑄造等工藝有較大突破[11]。而整體葉環(huán)的制造技術(shù)很少見資料報道，只有Greg Muschlitz等[12]曾在某項目階段總結(jié)報告中給出的整體葉環(huán)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造過程，如圖4所示：首先采用鈦合金鍛造成毛坯，在環(huán)內(nèi)側(cè)加工出環(huán)槽，將預(yù)先制成的TiMMC 復(fù)合材料環(huán)裝入槽內(nèi)，并用普通鈦合金覆蓋在復(fù)合材料環(huán)上，再進(jìn)行熱等靜壓固結(jié)，使之復(fù)合成一體，最后通過機(jī)械加工得到整體葉環(huán)。
2 整體葉盤的修復(fù)技術(shù)
整體化結(jié)構(gòu)的加工和修復(fù)一直都是航空工程亟待突破的關(guān)鍵問題，而整體葉盤/葉環(huán)運(yùn)行過程中又經(jīng)常受到磨損、沖擊以及冷熱疲勞等作用，極易產(chǎn)生裂紋、腐蝕和磨損等缺陷，因此，如何對存在缺陷和損傷的葉片進(jìn)行修復(fù)加工，也逐漸成為發(fā)動機(jī)設(shè)計和制造人員關(guān)注的焦點(diǎn)。黃艷松等[13]曾對整體葉盤的主要損傷特征及修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究，介紹了激光熔焊、激光熔覆、鎢極氬弧焊、線性摩擦焊等5種修復(fù)技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，指出線性摩擦焊是整體葉盤葉片替換式修復(fù)的主要方法和發(fā)展方向，而激光成形修復(fù)則可以用于整體葉盤前緣損傷和型面較大面積損傷的修復(fù)。
我國對整體葉盤/葉環(huán)的研究起步晚，與國外差距較大，整體工藝不成熟，制造成本昂貴，損傷后不易修復(fù)等問題都是制約其發(fā)展的主要因素，因此我們還需投入大量精力，分布制定計劃，實(shí)現(xiàn)整體化結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。
雙輻板渦輪盤的制造技術(shù)
隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)推重比的不斷增大，渦輪盤的工作溫度和轉(zhuǎn)速也不斷提高，傳統(tǒng)的渦輪盤結(jié)構(gòu)很難滿足未來先進(jìn)發(fā)動機(jī)的設(shè)計要求，此時雙輻板渦輪盤進(jìn)入了人們的視野。與傳統(tǒng)渦輪盤相比，雙輻板渦輪盤質(zhì)量減輕了17%，轉(zhuǎn)速提高了9%[14]。
雙輻板渦輪盤是由2個對稱半盤零件焊接成的中空雙輻板結(jié)構(gòu)，具有減輕質(zhì)量和提高AN2值等優(yōu)勢。美國PW公司對雙輻板渦輪盤進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時所采用的渦輪盤結(jié)構(gòu)形式。欒永先等[15]對雙輻板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的進(jìn)行了分析，由此可知雙輻板渦輪盤與傳統(tǒng)渦輪盤有很大差異，它可以使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，零件數(shù)量減少，可靠性和推重比都提高。它的制造過程是：首先加工出2個對稱的半盤結(jié)構(gòu)，然后通過熱等靜壓或者摩擦焊等方式將2個半盤粘合在一起，利用機(jī)械加工等方式完成盤的最后成形。在加工過程中還需要需要解決以下關(guān)鍵問題：（1）保證2個半盤之間具有足夠的連接強(qiáng)度，避免雙輻板渦輪盤在工作中分開；（2）保證2個半盤之間的同心度，避免不同心帶來附加應(yīng)力，影響渦輪正常工作；（3）處理好輪盤焊接后結(jié)合部位產(chǎn)生的飛邊，尤其是冷氣通道內(nèi)部的飛邊。
雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)是一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，還有待進(jìn)一步研究與優(yōu)化。在航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展進(jìn)程中，新結(jié)構(gòu)必須與新材料相對應(yīng)[16]，因此，通過今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料的使用，雙輻板渦輪盤結(jié)構(gòu)必將在未來的高推重比發(fā)動機(jī)設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用前景。
單晶空心渦輪葉片的制造技術(shù)
渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零件, 其承受溫度的能力是評價發(fā)動機(jī)性能和決定發(fā)動機(jī)壽命的重要因素。要使渦輪葉片獲得高耐溫能力, 應(yīng)從兩方面進(jìn)行研究：一方面是葉片高效冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)及鑄造工藝的發(fā)展；另一方面是葉片材質(zhì)自身性能的改善或提高，這包括研究合金成分、制造方法、處理工藝等[17]。
目前，用于渦輪葉片的材料已經(jīng)從多晶高溫合金、定向凝固高溫合金發(fā)展到單晶高溫合金，渦輪葉片的結(jié)構(gòu)形式也由實(shí)心葉片發(fā)展到具有復(fù)雜內(nèi)腔、氣膜冷卻孔和擾流柱等的空心氣冷葉片[18]。這些技術(shù)都能在很大程度上提高渦輪發(fā)動機(jī)前燃?xì)鉁囟?，使渦輪發(fā)動機(jī)的綜合性能有效地提高。
圖5為空心渦輪葉片截面圖，在制造技術(shù)方面，單晶空心渦輪葉片形狀復(fù)雜、成形精度偏低、廢品率極高，需要精確控制葉片尺寸，而鑄造空心葉片的關(guān)鍵則是先制造出能形成葉片復(fù)雜內(nèi)腔的陶瓷型芯，因此陶瓷型芯的性能是決定葉片成品率和成品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。多年以來發(fā)達(dá)國家對于陶瓷型芯的研究一直沒有停止過，并且將其核心技術(shù)視為高度機(jī)密不予公開。而國內(nèi)陶芯的研制及精確控制其變形技術(shù)只是在近幾年剛剛起步，其中，王飛、曹臘梅等[19-20]也成功研制了普通鑄造空心葉片及單晶空心葉片用的SiO2基、Al2O3基等異型陶瓷型芯，并生產(chǎn)出了用于單晶空心的XD21、AC21和AC22型氧化鋁基陶瓷型芯，但與發(fā)達(dá)國家相比仍存在一定差距，主要是近凈形精鑄過程復(fù)雜陶瓷型芯的高溫?zé)嶙冃?、?fù)雜空心薄壁變截面葉片的可鑄造性結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造過程智能化等領(lǐng)域基礎(chǔ)研究薄弱，因此，在未來研究中，應(yīng)加大對陶瓷型芯的研究力度，實(shí)現(xiàn)單晶渦輪葉片精確控形與嚴(yán)格控性的耦合，最終達(dá)到葉片氣動外形的近凈成形精度控制要求，以滿足我國未來航空發(fā)動機(jī)高效、減重、延壽和高可靠性的需求。
浮壁式燃燒室的制造技術(shù)
隨著航空發(fā)動機(jī)性能的不斷提高，燃燒室進(jìn)口溫度、壓力和出口溫升逐步上升，高溫燃?xì)庀蚧鹧嫱脖诿娴臒彷椛鋸?qiáng)度也隨之增強(qiáng)，使火焰筒壁溫問題顯得越來越突出?；鹧嫱菜褂玫母邷睾辖鸩牧系脑S用工作溫度已很難提高,而新的陶瓷基復(fù)合材料現(xiàn)在還無法應(yīng)用到火焰筒上，因此，要提高火焰筒的性能就必須改進(jìn)火焰筒壁面結(jié)構(gòu)，即沖擊-對流-氣膜復(fù)合冷卻的浮壁式壁面結(jié)構(gòu)[21]，但浮壁式結(jié)構(gòu)也給火焰筒的制造技術(shù)提出了很多難題。
楊秀娟[22]等針對該火焰筒結(jié)構(gòu)剛性差、薄壁易變形、尺寸穩(wěn)定性極差、尺寸精度要求非常高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等難點(diǎn),通過查閱資料、進(jìn)行試驗(yàn)和分析, 提出了浮壁式火焰筒的加工工藝路線，火焰筒外環(huán)筒體組件工藝路線的制定如圖6所示。而對于內(nèi)外筒體壁上萬個沖擊孔和瓦片裝配定位孔的加工技術(shù)，于冰等[23]也曾對浮壁式火焰筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝特性進(jìn)行研究，提出高速電火花小孔加工工藝方案，并開發(fā)出連續(xù)完整的加工程序。通過分析檢測報告及結(jié)果顯示，也驗(yàn)證了工藝方案的可行性。
國內(nèi)在浮動壁燃燒室技術(shù)研究方面已具備了一定的基礎(chǔ)，當(dāng)前的關(guān)鍵任務(wù)就是早日實(shí)現(xiàn)浮動壁燃燒室在在工程實(shí)際上的應(yīng)用，從而縮短國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)燃燒室研制水平與航空先進(jìn)國家的差距。
結(jié)束語
本文主要介紹了當(dāng)前國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)幾個主要部件的先進(jìn)結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵制造技術(shù)，先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)是高性能航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越依賴于材料和工藝的進(jìn)步。我國以前在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域一直是重設(shè)計輕制造，生產(chǎn)設(shè)備落后，忽視制造基礎(chǔ)建設(shè)和制造技術(shù)發(fā)展。制造工藝是保證發(fā)動機(jī)質(zhì)量的根本，因此在以后的工作中一定要注意設(shè)計-材料-工藝密切配合，實(shí)現(xiàn)新一代高性能航空發(fā)動機(jī)的研制成功。
來源：先進(jìn)制造論壇
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