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新材料构件制造技术及航空发动机制造技术新工艺

日期: 2017-04-08
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新材料构件制造技术
  推重比15~20 一级的航空发动机要求材料具有耐高温、高强度、高韧性等特性 。高性能发动机已经采用很多种类的新材料和新材料构件,尤其是金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/ 碳复合材料是当前高温复合材料领域开发和应用研究的热点。与其同时进行的高温复合材料构件制造技术正在深入地发展。

1 金属基复合材料构件制造技术
  SiC 长纤维增强Ti 基复合材料(TiMMC)具有比强度高、比刚度高、使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。例如德国研制的SCS-6 SiC/IMI834 复合材料的抗拉强度高达2200MPa,刚度达220GPa,而且具有极为优异的热稳定性,在700℃温度暴露2000h 后,力学性能不降低。TiMMC 叶环代替压气机盘,可使压气机的结构质量减轻70%。美国制备的TiMMC 叶环已在P&W 的XTC-65 IHPTET 验证机上成功地进行了验证,能够满足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC 叶环,并成功地进行了台架试验。未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环、机匣及涡轮轴将采用金属基复合材料制造。TiMMC 关键制造技术有、纤维涂层法、等离子喷涂法、浆料带铸造法、箔- 纤维法。

2 陶瓷基复合材料构件制造技术
  推重比15~20 高性能航空发动机的涡轮前温度将达到2200K 以上,连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMC)耐温高,密度低,具有类似金属的断裂行为,对裂纹不敏感,不发生灾难性的损毁,可代替高温合金作为热端部件结构材料。CMC 的应用使发动机大幅度减重,节约冷却气或无需冷却,从而确保发动机高推重比的有关性能。美、英、法等发达国家以推重比9~10 发动机(如F119、 EJ200、 F414 等)作为CMC 的验证平台,主要验证的部件有SiC 基CMC 的燃烧室、涡轮外环、火焰稳定器、矢量喷管调节片和密封片,甚至整体燃烧室和整体涡轮等构件。SiC 基CMC 的关键制造技术包括纤维预制件的设计和制造、SiC 基体的致密化技术、纤维与基体间界面层和复合材料表面防氧化涂层的设计与制造以及构件的精密加工等。

3 碳/碳复合材料构件制造技术
  碳/ 碳复合材料(C/C)的最显著的优点是耐高温(1800℃ ~2000℃)和低密度(约1.9g / cm3),可能使发动机大幅度减重 。美、法、俄等研制的C/C 复合材料部件有燃烧室喷嘴、加力燃烧室喷管、涡轮和导向叶片、整体涡轮盘 、 涡轮外环等。美国将整体涡轮盘在1760℃进行了地面超转试验。C/C 构件的关键制造技术包括碳纤维预制体的设计与制备、C/C 的致密化技术和C/C 防氧化涂层的设计与制造。
  C/C 致密化方法有化学气相浸透法(CVI)和液相浸渍法。液相浸渍法包括树脂浸渍炭化法和沥青浸渍炭化法,发展的方向是提高致密化速率,降低制造成本。由于航空发动机用C/C 构件要满足富氧燃气环境下长寿命工作的要求,所以必须解决C/C 抗氧化的问题。通过设计和制备防氧化涂层是改善C/C 抗氧化性的主要途径,也是国际研究的热点,目前尚未取得突破性进展。由上可见 , 与现行推重比8 的发动机相比,新材料构件不管在结构设计、制造技术方面 , 还是在整体质量方面,都有较大突破,因此可确保推重比15~20 等高性能的实现。


航空发动机制造技术新工艺

1 新型结构件精密制坯技术
  目前,先进精密毛坯制造技术正在向近净成形方向发展。先进的精密制坯技术有定向凝固和单晶精铸制坯、精密锻造制坯和快速凝固粉末冶金制坯技术。高性能航空发动机采用了大量的新型结构件,由于制坯技术的进步将导致毛坯件发生重大变化。精铸件、精锻件、单晶和定向凝固精铸件以及快速凝固粉末冶金制坯毛坯将取代传统的大余量毛坯。传统意义的锻件将由77% 降至33%,精铸件由18% 增至44% 以上,粉末冶金件由3% 增至8%,复合材料构件由4% 增至15%。

2 先进的切削技术
  切削加工一直是航空发动机关重件的主要制造手段。随着航空发动机推重比的不断提高,特别是质量的不断减轻,发动机制造将越来越多地依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的钛合金、高温合金以及金属基复合材料等新材料,而这些材料都属于典型的难加工材料。同时发动机关重件往往型面复杂,对加工精度和表面完整性的要求极,因此在新一代航空发动机的切削加工中迫切需要采用新型刀具材料、刀具结构以及高效的工艺方法,同时这种需求也大大推动了具有高刚度、高精度和大驱动功率的专用机床和通用机床的发展。

  数控加工技术在航空发动机的制造中主要用于压气机及涡轮机的各类机匣、压气机盘及涡轮盘、涡轮轴和压气机轴等复杂构件的加工。高端数控装备及技术作为国家战略性物资,对提高发动机整体制造水平起着举足轻重的作用,如美国洛克希德· 马丁公司在研制JSF 联合攻击机时,采用五坐标数控加工方法,将约1.5t 的铁合金锻锻锭数控铣削加工成重约99kg 的大型升力风扇整体叶盘,其切除率超过93%。

  高效精密切削、变形补偿、自适应加工,以及抗疲劳制造等技术的研究和应用在新一代发动机的加工中需求迫切;同时,加工过程的知识积累对于提高加工效率、加工质量和加工的自动化水平非常重要,应围绕发动机关重件和典型材料的高效数控加工建立相应的切削数据库。

  磨削在先进的切削技术研究中占有重要地位。在磨削加工技术的研究中,为了获得高加工效率,世界发达国家开始尝试高速、强力磨削技术,如利用强力磨削可一次磨出涡轮叶片的榫头齿形。目前,磨削技术的发展趋势是:发展超硬磨料磨具,研究精密及超精密磨削、高速高效磨削机理并开发其新的磨削加工技术,研制高精度、高刚性的自动化磨床。

3 特种加工技术
  以高能束流加工为代表的特种加工技术在难切削材料加工,复杂构件的型腔 、 型面、型孔、微小孔、细微槽及缝的加工中具有显著优势,解决了常规加工很难解决的问题。特种加工技术主要包括:激光加工、电子束加工、离子束加工 、等离子加工、电火花加工、电解加工、超声波加工、磨料流加工、高压水射流切割等。通过电磁场、温度场、化学场和力场(包括空间微重力场)等外加因素的综合应用以及激光、等离子束、微波等多种能量形式的结合,开辟材料加工成形技术创新的广阔途径。

4 特种焊接技术
  先进焊接连接技术作为确保航空发动机结构完整性不可缺少的手段,其研究 、 开发与应用直接关系到新一代航空发动机的质量、寿命和可靠性。特种焊接技术由于具有可明显减轻结构重量、降低制造成本、提高结构性能等特点,满足航空发动机轻质化、长寿命、低成本、高可靠性制造的要求,已成为航空发动机制造中的一项重要技术。

  特种焊接技术主要包括:钨极惰性气体保护弧焊(GTAW)、活性焊剂焊接技术、自蔓延高温合成焊接法、等离子弧焊(PAW)、电子束焊(EBW)、激光焊(LBW)、真空钎焊(VB)、扩散焊(DB)、摩擦焊等。近年来,新型纤焊和扩散焊、摩擦焊和高能束流焊接等先进焊接技术在航空发动机制造中的发展和应用越来越广泛。在欧美已相继用摩擦焊取代电子束焊用于发动机的粉末冶金等温锻造盘- 盘及盘- 轴一体化焊接。摩擦焊接技术在发动机转子鼓筒、整体叶盘的焊接中得到和应用,并逐渐发展成为航空发动机制造中的一项关键技术。

5 热障涂层技术
  先进的高推重比发动机结构中将大量采用以热障涂层技术为代表的先进热障涂层技术。涂层技术在航空发动机关键零部件的耐磨、高温防护、隔热、封严以及钛合金零件的防微动磨损、阻燃等方面起了显著的作用,应用越来越广泛 。 先进的涂层方法主要包括:真空等离子喷涂、层流等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积、真空离子溅射涂层等。热端部件采用热障涂层以提高结构强度,其中有陶瓷涂层和多层隔热层。
  陶瓷热障涂层需先在零件表面喷涂MCrALY底层以提高结合强度。多层复合隔热涂层是在基体金属表面钎焊一层柔性金属纤维结构(材料为HFe22.5Cr5.5SiO0.1C),可减少冷却气流80%。涡轮工作叶片和导向器的隔热涂层采用低压等离子喷涂涂敷,也可以采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)涂敷。发动机冷端部件均采用封严涂层、耐磨和防腐蚀涂层。

6 快速原型/零件制造技术
  快速原型(Rapid Prototyping,RP)制造技术出现于20 世纪90 年代中期,这种基于“离散- 堆积”原理和增材制造的方法,能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、近净成形,具有高度柔性的制造思想已经被企业界广泛接受 ,其应用已从最初的设计原型和测试原型制造向最终产品制造的方向发展。

  快速原型/ 零件制造技术为航空发动机复杂零件的设计实现实体化提供快速方便的手段,可实现精铸复杂模具的制造,现在发展到直接快速成形零件,是一种很有发展前景的工艺方法。主要方法有:分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔化沉积制造(FDM)、三维立体印刷(SLA)和三维焊接法等。

  快速原型制造技术一经出现,就成为先进制造技术和激光加工领域研究的热点 ,美国军方对这项技术的发展给予了相当的关注和支持,在其直接支持下 , 美国率先将这一先进技术实用化,目前,F-22 和F/A-18E/F 上的几个关键零件已经采用了TC4 钛合金激光快速成形件。该技术能显著提高疲劳性能,降低成本40%,加工周期仅为传统工艺的1/5。

7 浮壁式火焰筒制造技术
  推重比10 一级发动机涡轮前温度达到1500℃ ~1700℃。艾利逊公司研究了用Lamilloy 多孔层板加柔性金属/ 陶瓷制造的浮壁式火焰筒结构。普惠公司研究了用玻璃陶瓷基复合材料制造浮壁式火焰筒结构。F119采用的浮壁式火焰筒结构是用多环段连接而成。环段背向火焰一面对流散热的凸环,并有缝隙形成冷却隔热气膜,隔热环是由浮动片组成,并用螺栓连接在外环段上。浮动片用精密铸造而成,而冷却隔热环局部喷涂热障涂层,以降低部件表面温度。

 

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