航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片精密成形技術(shù)分析

王威

摘? 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)復(fù)雜、制造難度高，世界上僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠完成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造。我國(guó)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造一直在不斷推進(jìn)，提升自身制造水平?？招臏u輪葉片是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要零部件之一，由于其制造難度大長(zhǎng)期困擾著我國(guó)的制造企業(yè)。文章在分析空心渦輪葉片結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上就空心渦輪葉片的精密成形技術(shù)進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：空心渦輪葉片;精密成形技術(shù);精鑄

中圖分類號(hào)：V232.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0139-02

Abstract： Aero-engine technology is complex and difficult to manufacture， and only a few countries in the world can complete the design and manufacture of aero-engine. In our country， the design and manufacture of aero-engine has been continuously promoted to improve its own manufacturing level. Hollow turbine blade is one of the main components of high-performance aero-engine， which has perplexed the manufacturing enterprises of our country for a long time because of its manufacturing difficulty. Based on the analysis of the structural characteristics of hollow turbine blades， the precision forming technology of hollow turbine blades is analyzed and described in this paper.

Keywords： hollow turbine blade; precision forming technology; precision casting

前言

空心渦輪葉片是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，由于其精度要求高、制造難度大致使空心渦輪葉片一直無(wú)法量產(chǎn)。為提高空心渦輪葉片的制造合格率，需要就空心渦輪葉片的精鑄工藝進(jìn)行分析，從葉片精鑄的“控形”和“控性”兩個(gè)方面入手，提升葉片精鑄的質(zhì)量。

1 空心渦輪葉片精鑄技術(shù)

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向著大推力、低油耗的方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)現(xiàn)今世界主流的方式為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度，現(xiàn)今的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度已經(jīng)很高了，如若再繼續(xù)提高溫度則發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片所承受的溫度將達(dá)到1880℃±50℃，為了解決這一難題現(xiàn)今渦輪葉片多采用的是復(fù)合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片（簡(jiǎn)稱空心渦輪葉片）。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和材料的特殊性在空心渦輪葉片的制備上主要以熔模精鑄工藝為主，但是這一工藝存在著精度差、成品率低的問(wèn)題，從而使得空心渦輪葉片在高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用大為滯后。一般來(lái)說(shuō)現(xiàn)今的空心渦輪葉片精鑄的成品率約為10%，而在這其中約90%的廢品葉片中形位尺寸超差占50%左右，再結(jié)晶缺陷占25%左右，剩下的則主要為鑄造缺陷。為提高空心渦輪葉片的制造成品率需要解決好“形控”和“性控”兩大方面的問(wèn)題，即尺寸精度和精鑄后的復(fù)合材料性能。

空心渦輪葉片工序復(fù)雜、制造難度高，其粗坯制造流程如下：首先使用模具成形工藝完成空心渦輪葉片精鑄所需要的陶瓷型芯，陶瓷型芯則作為空心的填充部分。而后使用蠟?zāi)９に囋谛托就鈱又苽錅u輪葉片蠟?zāi)?，而后再?jīng)過(guò)燒結(jié)-澆注-脫模等工藝完成空心渦輪葉片粗坯的制備。在粗坯的基礎(chǔ)上完成后續(xù)環(huán)節(jié)直至完成空心渦輪葉片的制備。在以往空心渦輪葉片的制備過(guò)程中，其復(fù)合材料為等軸晶組織，此組織結(jié)構(gòu)容易在高溫下?lián)p壞，隨著材料技術(shù)的發(fā)展葉片所使用的復(fù)合材料已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉橹鞯男滦筒牧希渚哂休^強(qiáng)的耐高溫性從而使得空心渦輪葉片的制備成品率得到了較大的提升?，F(xiàn)今在空心渦輪葉片的精鑄工藝中主要采用的是液態(tài)金屬冷卻法。

2 空心渦輪葉片制備中的“形控”

在空心渦輪葉片精鑄中因尺寸超差而不合格的葉片占據(jù)總數(shù)的近一半以上，為提高空心渦輪葉片的制造質(zhì)量需要積極做好葉片精鑄過(guò)程中的“形控”，確保精鑄渦輪葉片的尺寸精度。精鑄的“形控”主要控制的是渦輪葉片的型面精度和葉片的空心厚度，而上述精度受到渦輪葉片精鑄工藝和模型尺寸精度的直接影響，其中精鑄蠟?zāi)３叽缇日紦?jù)著重要占比。受蠟?zāi)＞鹊挠绊懢T葉片的尺寸精度也將隨之波動(dòng)，因此需要將控制蠟?zāi)＞确旁诳刂迫~片精鑄精度的首位.為提高蠟?zāi)５臐仓刃枰龊镁T模具型腔的優(yōu)化，提高蠟?zāi)５某叽绾托挝痪?。除了控制好蠟?zāi)５木韧猓€需要注意解決好葉片精鑄過(guò)程中因收縮所帶來(lái)的尺寸缺陷。葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，在精鑄過(guò)程中葉片容易受到熱應(yīng)力的影響而造成葉片出現(xiàn)鑄造變形，這一變形將以葉片精鑄位移場(chǎng)的形式出現(xiàn)。葉片變形后將影響葉片的氣動(dòng)外形從而直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，為保障葉片的正常運(yùn)行需要做好葉片精鑄后的質(zhì)量控制。為控制葉片精鑄中所產(chǎn)生的收縮變形可以采用在葉片精鑄模型中加設(shè)一定的補(bǔ)償量用以補(bǔ)償葉片精鑄中所帶來(lái)的收縮。需要注意的是葉片精鑄中所產(chǎn)生的收縮由于受到多種因素的影響致使其收縮變形是非線性的，致使計(jì)算收縮補(bǔ)償時(shí)無(wú)法精確的計(jì)算，因此在對(duì)葉片精鑄型腔進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要進(jìn)行不斷的修正才能達(dá)到最優(yōu)效果，則這一過(guò)程中將需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。為提高葉片精鑄型腔的優(yōu)化效率可以采用建模分析，并應(yīng)用反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)優(yōu)化精鑄型腔的設(shè)計(jì)。反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

在圖1中，R為葉片精鑄型腔模具的初始模型，S表示的是葉片精鑄后變形后的模型量，C表示的是帶補(bǔ)償?shù)男颓荒Ｐ?。通過(guò)所建立的模型可以計(jì)算出空心葉片在精鑄前后的變形位移場(chǎng)，并將計(jì)算后的位移場(chǎng)疊加在型腔模具的初始模型中即可計(jì)算出反變形設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)量。在應(yīng)用反變形優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要做好葉片精鑄位移場(chǎng)的計(jì)算。葉片精鑄位移場(chǎng)的計(jì)算可以采用以下兩種方案：（1）基于結(jié)果的逆向建模。此方案是基于精鑄后的葉片與實(shí)際的型腔數(shù)據(jù)所建立的，通過(guò)對(duì)精鑄后的葉片進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量，以實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)完成葉片模型和型腔模型的建立，通過(guò)所建立的模型使用兩步配準(zhǔn)算法來(lái)取得所需要獲得的空心渦輪葉片位移場(chǎng)的計(jì)算。（2）此方法是利用三維建模的方法完成相關(guān)模型的仿真，構(gòu)建起葉片精鑄的位移場(chǎng)模型。在完成葉片精鑄位移場(chǎng)模型的建立后，可以依據(jù)所建立起來(lái)的位移場(chǎng)完成葉片精鑄反變形優(yōu)化。渦輪葉片制造難度極大，因此構(gòu)建葉片精鑄反變形模型需要進(jìn)行多次修改才能達(dá)到所期望的精度。在構(gòu)建葉片精鑄位移場(chǎng)模型時(shí)可以采用離散轉(zhuǎn)連續(xù)的方式完成模型的構(gòu)建，利用二次多項(xiàng)式將原本離散的葉片精鑄位移場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空心渦輪葉片的連續(xù)三維模型，使用泰勒公式完成反變形優(yōu)化模型的建立。此方法能夠簡(jiǎn)化補(bǔ)償，將原本需要多次補(bǔ)償才能完成的反變形優(yōu)化模型改為一次完成，同時(shí)此方法還具有極高的補(bǔ)償效率和補(bǔ)償精度。能夠?yàn)榭招臏u輪葉片的反變形優(yōu)化提供良好的幫助。在完成渦輪葉片幾何尺寸控制的同時(shí)還需要做好空心渦輪葉片厚度的控制?？招臏u輪葉片的厚度會(huì)對(duì)葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和冷卻效率產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)影響著葉片的使用壽命?？招臏u輪葉片的厚度也與精鑄蠟?zāi)５木扔兄苯拥穆?lián)系?？招臏u輪葉片厚度是由精鑄蠟?zāi)：吞招局g的匹配度所決定的，為實(shí)現(xiàn)對(duì)于葉片厚度的控制需要對(duì)陶芯在空間中的姿態(tài)進(jìn)行約束和控制，用以獲得良好的空間精度。陶芯本身的制造誤差和定位誤差會(huì)產(chǎn)生累積誤差，從而影響到葉片的精鑄厚度。為控制因陶芯定位問(wèn)題所帶來(lái)的葉片厚度精鑄誤差需要對(duì)因葉片定位所產(chǎn)生的誤差傳遞鏈進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合誤差產(chǎn)生的原因可以采用陶芯定位優(yōu)化方案，在對(duì)陶芯定位元件進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上控制住誤差的累積，確保陶芯具有良好的定位精度。

3 做好空心渦輪葉片精鑄的“性控”

在做好空心渦輪葉片尺寸精度控制的基礎(chǔ)上還需要做好葉片精鑄過(guò)程中的“性控”?？招臏u輪葉片精鑄所使用的復(fù)合材料在高溫精鑄的過(guò)程中如受到不同因素的影響將會(huì)造成材料性能發(fā)生較大的變化，比如說(shuō)定向凝固的精鑄件會(huì)產(chǎn)生雀斑、晶界、縮松等缺陷。上述缺陷的存在將使得葉片的物理性能無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為解決這一問(wèn)題可以采用優(yōu)化精鑄工藝的方式。采用高溫度梯度LMC定向凝固技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)精鑄葉片的快速降溫，同時(shí)精鑄后的葉片中單晶雀斑、縮松等缺陷發(fā)生的幾率也更低，從而有效的保證了葉片的屈服強(qiáng)度。葉片精鑄中空心渦輪葉片的邊緣及葉冠部分容易產(chǎn)生雜晶等缺陷，針對(duì)這一問(wèn)題可以在缺陷多發(fā)區(qū)域采用引晶條、導(dǎo)熱體等方式予以控制。

4 空心渦輪葉片精鑄技術(shù)展望

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，空心渦輪葉片將需要應(yīng)對(duì)越來(lái)越高的溫度?？招臏u輪葉片的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝都在不斷的發(fā)展。材料從等軸晶發(fā)展至單晶，結(jié)構(gòu)將逐漸向超冷結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，從而對(duì)空心渦輪葉片的制造工藝提出了更高的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

空心渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高，是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件，受制于制造技術(shù)空心渦輪葉片仍無(wú)法批量制造，為使得空心渦輪葉片能夠滿足性能不斷發(fā)展的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，為解決空心渦輪葉片制造工藝復(fù)雜、成品率低的缺陷，需要積極做好空心渦輪葉片的研究分析。從空心渦輪葉片的材料、結(jié)構(gòu)以及制造工藝等多個(gè)方面入手，在確?？招臏u輪葉片性能的基礎(chǔ)上積極做好葉片制造工藝的研究與應(yīng)用，從而確保高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

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