劉維偉

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

劉維偉

博士，西北工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)殡y加工材料切削、航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零部件研制、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，負(fù)責(zé)葉片類零件精密制造研究方向。主持或參與30余項(xiàng)航空航天預(yù)研及型號攻關(guān)工作 ，申報(bào)國家技術(shù)專利14項(xiàng)，發(fā)表文章40余篇，參編教材3部，主持300萬元以上項(xiàng)目3項(xiàng)，獲省級及以上科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中最核心的部件當(dāng)屬“葉片”，它的制造占據(jù)了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造30%以上的工作量[1]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，不管是風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片，還是渦輪葉片都要承受十分惡劣的工況，但是又存在一些差異。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位的葉片往往會(huì)采用不同的材料來制造。目前，金屬材料與先進(jìn)復(fù)合材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造的兩大類主要材料，對其加工方法及工藝技術(shù)的研究已經(jīng)成為制造高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

本文以金屬和復(fù)合材料葉片為對象，論述、分析了現(xiàn)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造采用的加工方法及關(guān)鍵技術(shù)，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬葉片機(jī)械制造技術(shù)

高強(qiáng)度不銹鋼、鈦合金、高溫合金等高強(qiáng)金屬材料的大量應(yīng)用極大地提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，但其難加工的“通病”卻成為航空制造業(yè)遭遇的普遍瓶頸。航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬葉片的制造方法眾多，如數(shù)控加工、精密鍛造、精密鑄造、電解加工等。以風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片為例，分別論述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)金屬葉片的加工方法及關(guān)鍵技術(shù)。

1 風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片制造技術(shù)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，葉片的結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜，加工難度也越來越大。目前，風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片主要以數(shù)控加工、精密鍛造、超塑成形/擴(kuò)散連接方法為主，輔以表面處理技術(shù)來完成葉片的高品質(zhì)制造。

1.1 葉片數(shù)控加工技術(shù)

葉片的數(shù)控加工工藝，包含裝夾方法、數(shù)控編程、切削工藝、顫振抑制、在線檢測、輔助工藝等，在此對切削工藝、數(shù)控編程、顫振抑制進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

高速高效切削技術(shù)[2]。高速銑削一般采用較高的切削速度、適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量、較小的徑向和軸向切深，銑削時(shí)大部分的熱量被切屑帶走，因而工件的表面溫度較低。并且隨著銑削速度的提高，切削力略有下降，表面質(zhì)量有所提高，生產(chǎn)效率隨之提高（圖1）。在高速銑削過程中，刀具軌跡的平滑過渡是保證切削質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。插銑是實(shí)現(xiàn)高效切削最有效的方法之一，相較于其他的銑削方式，可大幅降低刀具的徑向切削力，有效抑制切削振動(dòng)，在葉片的切削過程中，對于榫根、緣板、葉身等需要去除大余量的部位具有很高的加工效率。西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室近幾年提出快速銑的概念，這種銑削方式采用大進(jìn)給、小切深的工藝方法，在保證切削質(zhì)量的同時(shí)，進(jìn)一步提高了加工效率。

圖1 葉片五軸數(shù)控銑削加工Fig.1 Five-axis CNC milling machining of blades

數(shù)控編程技術(shù)[3]。隨著數(shù)控加工和自動(dòng)編程技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化、集成化和并行化已成為其發(fā)展趨勢。可以利用CAPP/CAM等集成的自動(dòng)編程系統(tǒng)對葉片曲面零件進(jìn)行程序編制，甚至有些葉片高效切削機(jī)床將具有工藝知識的編程系統(tǒng)集成在機(jī)床控制系統(tǒng)里。國內(nèi)對CAM系統(tǒng)在不斷進(jìn)行開發(fā)，航空葉片制造編程系統(tǒng)通過二次開發(fā)把特定的工藝知識融合以取得更有效的程序代碼，即CAPP與CAM高層次集成。

顫振抑制技術(shù)。加工顫振的抑制方法目前主要分為在線預(yù)報(bào)控制和離線預(yù)測控制兩種。前者主要是通過對實(shí)際加工系統(tǒng)的監(jiān)測與顫振信號的提取，在預(yù)先設(shè)定的控制策略下抑制顫振。這種方式對預(yù)測系統(tǒng)多方面提出高的要求，包括容錯(cuò)性、顫振控制策略和靈敏度等方面（判斷速度）。離線預(yù)測控制方法是依據(jù)系統(tǒng)切削參數(shù)穩(wěn)定性極限圖，通過控制切削工藝參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抑制顫振。目前，時(shí)域仿真法[4]、半解析法和解析法[5]是獲得切削參數(shù)穩(wěn)定性極限圖的主要方法。除以上兩種方法之外，也有一些學(xué)者提出在加工過程中采用主動(dòng)振動(dòng)阻尼法抑制顫振[6-7]。

綜合應(yīng)用以上數(shù)控加工技術(shù)可以有效解決風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片加工的技術(shù)瓶頸，西北工業(yè)大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)國防創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用。

1.2 葉片精密鍛造技術(shù)

葉片精鍛是采用高精度的鍛壓設(shè)備，依托完善的檢測手段和輔助處理工藝，鍛造出余量小、質(zhì)量高的葉片毛坯。精鍛葉片可以更完整地保持金屬流線的連續(xù)，保證葉片的強(qiáng)度和承載能力，極大提高葉片的性能和壽命。

精鍛葉片余量小，強(qiáng)度高，加工周期短，壽命長，但由于葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和當(dāng)前精鍛技術(shù)的特點(diǎn)，部分精鍛葉片的阻尼臺、前后緣部分仍需保留機(jī)械加工余量[8]。葉片精鍛是一項(xiàng)綜合工藝技術(shù)，對原材料和制造工藝有較高的要求。由于工藝技術(shù)的限制，精鍛葉片局部仍然需要依靠機(jī)械加工來保證表面質(zhì)量和截面尺寸。葉片成形過程中，前后工序要嚴(yán)格匹配，對每道工序的變形溫度、變形速度、變形程度以及金屬的流動(dòng)方向均要嚴(yán)格控制，這同時(shí)對葉片精鍛工序的設(shè)計(jì)、鍛造設(shè)備的精度和剛性、檢測設(shè)備的精度都提出了極高的要求[9]。

1.3 葉片超塑成形/擴(kuò)散連接制造技術(shù)

超塑成形是利用某些材料在特定條件下呈現(xiàn)優(yōu)越的塑性變形能力而發(fā)展出的一種成形工藝。采用此種工藝可以制造高精度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于其擁有極好的變形能力，使得制造件加工重復(fù)性好，而且沒有回彈。擴(kuò)散連接是利用被連接材料的表面在不足以引起塑性變形的壓力和低于被連接工件熔點(diǎn)的溫度條件下，使接觸面通過原子間相互固態(tài)擴(kuò)散而形成連接的方法。

超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)[10]充分發(fā)揮了兩種工藝的優(yōu)勢，在成形中空結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中已經(jīng)越來越廣泛，是成形空心葉片的較好選擇。利用鈦合金的擴(kuò)散連接溫度與它的超塑成形溫度相似的特性，在加工葉片時(shí)，可以在一個(gè)工序中完成成形和連接兩種工藝，節(jié)省了加熱以及冷卻的時(shí)間，提高了葉片的生產(chǎn)效率。并且使用該技術(shù)制造的葉片無需額外的機(jī)械裝配以及焊接處理，使得零件整體性更強(qiáng)，對于航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重增推有著重要的意義（圖2）。Rolls-Royce公司在鈦合金風(fēng)扇葉片上不斷創(chuàng)新，經(jīng)歷了第一代窄弦實(shí)心風(fēng)扇葉片。第二代蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)寬弦風(fēng)扇葉片并從TRENT 800開始，包括后續(xù)的TRENT 1000、TRENT XWB，均采用了第三代鈦合金風(fēng)扇葉片。該葉片采用全新的夾芯結(jié)構(gòu)，即采用桁條結(jié)構(gòu)芯部取代了蜂窩結(jié)構(gòu)，并且利用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝制造[11]，使得葉片在尺寸增加的同時(shí)，有效控制了結(jié)構(gòu)重量。

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所采用這種技術(shù)在鈦合金、鋁合金及鋁鋰合金等材料的超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)研究和應(yīng)用方面開展了大量工作，進(jìn)行了鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片、可調(diào)葉片、防火墻、衛(wèi)星貯箱等超塑整體構(gòu)件的成形工藝試驗(yàn)和應(yīng)用研究[10]。

圖2 超塑成形/擴(kuò)散連接工藝制造葉片過程Fig.2 Process of SPF/DB for blades manufacturing

2 渦輪葉片制造技術(shù)

由于渦輪葉片所處的環(huán)境更為惡劣，相較于風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片，對其材料和加工工藝都提出了更為嚴(yán)苛的要求。目前，渦輪葉片的加工普遍采用精密鑄造的方式（圖3），輔以磨削等其他一些加工方法。

2.1 熔模無余量精密鑄造技術(shù)

熔模無余量精密鑄造技術(shù)[10]是一種能夠直接制造具有復(fù)雜曲面，并省去葉身表面材料去除環(huán)節(jié)的技術(shù)。該技術(shù)能改善葉片的工作性能，提高其工作壽命，常用來制造定向/單晶空心無余量葉片，現(xiàn)已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，如使用該技術(shù)制造γ-TiAl合金低壓渦輪葉片，如圖4所示。熔模無余量精密鑄造空心葉片的關(guān)鍵技術(shù)是制造冷卻結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。愈是高效冷卻的空心渦輪葉片，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，所處的工作條件更加苛刻，相應(yīng)的陶瓷型芯結(jié)構(gòu)更為精密，因此對陶瓷型芯尺寸精度的控制要求也更高。最常用的制造陶瓷型芯的方法是預(yù)制成型陶瓷型芯,運(yùn)用該方法可以鑄出各種形狀復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu),其主要步驟包括制漿、壓制型芯、型芯校正、入爐燒結(jié)、強(qiáng)化處理[12]。

2.2 定向凝固結(jié)晶控制技術(shù)

圖3 3種精密鑄造的渦輪葉片F(xiàn)ig.3 Three types of turbine blades

定向凝固結(jié)晶控制技術(shù)[13-14]指的是在熔模鑄造型殼中使熔融合金沿著與熱流相反的方向結(jié)晶凝固的一種鑄造工藝。采用這種工藝成形的渦輪葉片具有很高的抗熱疲勞和抗熱沖擊性。早期的定向凝固技術(shù)方法眾多，大致可分為以下幾類：發(fā)熱劑法、功率降低法、快速凝固法、液態(tài)金屬冷卻法以及流態(tài)冷卻法等。

現(xiàn)如今，諸多集傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢與最新工藝方法于一體的新型定向凝固技術(shù)不斷涌現(xiàn)，包括區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法、電磁約束成形定向凝固法、深過冷定向凝固法、激光超高溫梯度快速凝固技術(shù)以及連續(xù)定向凝固技術(shù)等。

2.3 再結(jié)晶抑制技術(shù)

再結(jié)晶的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致原單晶合金的耐高溫性能顯著下降。葉片制造過程中因機(jī)械處理（如：吹砂、機(jī)械拋光等）而產(chǎn)生塑性變形，隨后又經(jīng)固溶、退火等高溫處理或在使用中受高溫、高壓燃?xì)獾淖饔?，均有可能?dǎo)致再結(jié)晶的出現(xiàn)。因此，國內(nèi)外對此進(jìn)行了針對性的研究，提出了預(yù)回復(fù)熱處理[15-17]、滲碳[16,18]、涂層[19]以及去除表面變形層等抑制再結(jié)晶方法，并對再結(jié)晶葉片開展了加入界強(qiáng)化元素的修復(fù)工作。

2.4 其他加工技術(shù)

圖4 γ-TiAl合金低壓渦輪葉片F(xiàn)ig.4 Low pressure turbine blades of γ-TiAl alloy

高速強(qiáng)力磨削技術(shù)[20]。世界航空強(qiáng)國紛紛開始對高速強(qiáng)力磨削在葉片制造中的應(yīng)用開展研究，如利用該技術(shù)可一次加工出渦輪葉片的榫頭齒形，能夠極大地提高生產(chǎn)效率。當(dāng)前世界各國磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢為：研發(fā)具有更高剛性、精度的數(shù)控磨床，研制超硬磨料及磨具，進(jìn)一步開展對精密磨削及高速磨削的理論研究和技術(shù)探索。高速和超高速磨削作為先進(jìn)制造的一項(xiàng)全新實(shí)用技術(shù)，已引起我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的極大重視，是國內(nèi)未來磨削技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

自適應(yīng)加工技術(shù)[21]是葉片高效精密制造技術(shù)的重要組成部分。該技術(shù)主要用于精密鍛造、輥軋葉片緣頭精密加工、整體葉盤的加工和修復(fù)，復(fù)雜空心葉片的數(shù)控加工以及余量不均勻復(fù)雜曲面的加工。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片制造技術(shù)

先進(jìn)復(fù)合材料由于其質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等諸多特性越來越多地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域。樹脂基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇葉片、金屬基復(fù)合材料制造的風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片、陶瓷基復(fù)合材料制造的渦輪葉片已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重增推的關(guān)鍵技術(shù)手段。

1 樹脂基復(fù)合材料葉片制造技術(shù)

自20世紀(jì)70年代GE開始研制并使用樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片以來，近50年的技術(shù)探索與經(jīng)驗(yàn)研制了多款集先進(jìn)材料與工藝于一體的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。這其中涉及了復(fù)合材料的加工及預(yù)制體制備和葉片成型相關(guān)技術(shù)。

1.1 復(fù)合切削技術(shù)

在預(yù)制體及復(fù)合材料構(gòu)件的切削加工中，采用傳統(tǒng)鉆、銑等工藝加工時(shí)，由于纖維的高硬脆性、切削力變化、刀具磨損等原因可能會(huì)造成加工件表面不完整，甚至出現(xiàn)分層、纖維拉出及脫開等缺陷[10]。近些年，非傳統(tǒng)加工技術(shù)在復(fù)合材料方面的應(yīng)用愈加成熟，比如加工碳纖維預(yù)制體時(shí)采用超聲切割或者激光加工可以得到很高的精度（圖5），水射流加工去除復(fù)合材料多余材料成本更低，旋轉(zhuǎn)超聲加工在CFRP/Ti合金的疊層結(jié)構(gòu)制孔上有較大優(yōu)勢。

1.2 預(yù)制體制備技術(shù)

復(fù)合材料葉片預(yù)制主要有兩種制備工藝，分別是預(yù)浸料鋪放工藝以及3D編織工藝。

預(yù)浸料鋪放工藝。使用預(yù)浸料鋪放工藝來制備預(yù)制體需要著重把握預(yù)浸料的平面-曲面變換裁切優(yōu)化、預(yù)浸料鋪貼的精確定位以及預(yù)浸料層間的穿刺強(qiáng)化。國外普遍采用分層切片法配合自動(dòng)裁床進(jìn)行變換裁切優(yōu)化，采用激光放樣法進(jìn)行精確定位，采用特種專用設(shè)備進(jìn)行層間穿刺強(qiáng)化。近些年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)鋪絲工藝（AFP）也被成功應(yīng)用于預(yù)制體的制備當(dāng)中，如Rolls-Royce公司將AFP技術(shù)應(yīng)用于在研TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，實(shí)現(xiàn)了其預(yù)制體的自動(dòng)化生產(chǎn)。

3D編織工藝。3D編織工藝是將纖維在三維空間里沿多個(gè)方向按規(guī)律相互交織、交叉在一起從而獲得完整的結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)徹底解決了制件層間分離的問題，可極大地提高其結(jié)構(gòu)性能。目前，常用的3D編織方式有4種，分別是極線編織、斜線編織、正交編織和饒鎖線編織。3D編織又有多種形式，如二步法、四步法、多步法等[22]。CFM公司的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片是目前唯一使用3D編織工藝制備預(yù)制體的復(fù)合材料葉片。該葉片以其高比強(qiáng)度、高比模量的特性在耐沖擊、抗疲勞、抗開裂等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.3 葉片成型技術(shù)

圖5 碳纖維預(yù)制體及復(fù)合材料的特種切削加工Fig.5 Special cutting processing of carbon fiber preform and composite materials

圖6 復(fù)合材料葉片成型技術(shù)Fig.6 Molding technology of composite blades

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片采用雙曲面、大扭轉(zhuǎn)與變截面的結(jié)構(gòu)形式，僅僅依靠熱壓罐成型工藝已經(jīng)難以保證零件的成型精度，而閉模成型工藝[23]可以很好地解決成型精度不足的問題，故該技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主流成型技術(shù)（圖6）。并且，隨著技術(shù)的不斷革新，采用復(fù)合材料成型模具取代金屬模具以及采用混雜纖維替代單一纖維風(fēng)扇葉片逐漸成為國外發(fā)展趨勢。由于復(fù)合材料模具與復(fù)合材料零件本身擁有相似的熱脹系數(shù)，因而保證了成型零件的尺寸精度，而混雜纖維復(fù)合材料除鋪層時(shí)需要考慮混雜方式、最優(yōu)纖維比等因素外，在成型工藝方面與單一纖維葉片差別不大[24]。

樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的兩個(gè)基本制造工藝是預(yù)浸料鋪放/模壓成型技術(shù)以及3D編織/RTM成型技術(shù)。前者指的是以預(yù)浸料為成型原料，以模壓工藝為成型方法來制造復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的技術(shù)手段，主要以GE公司生產(chǎn)的GE90 （見圖7（a））、GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片為代表；此外，羅-羅公司和GKN集團(tuán)也聯(lián)合采用了該技術(shù)為TRENT系列發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)風(fēng)扇葉片。3D編織/RTM成型技術(shù)，指的是使用纖維絲束通過3D編織制備預(yù)制體，再放入成型模具中使用RTM工藝制造復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的技術(shù)手段，主要代表型號有CFM公司的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片（見圖7（b））。

圖7 樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片F(xiàn)ig.7 Resin matrix composite fan blades

為提高葉片的抗沖擊性能，需要在復(fù)合材料葉片緣頭增加金屬加強(qiáng)邊，目前金屬加強(qiáng)邊的制造方法主要有：數(shù)控加工法、超塑成型/擴(kuò)散連接工藝成型法、金屬沉積成型法，GE公司采用數(shù)控加工技術(shù)加工鈦合金包邊且效果良好，其他相關(guān)技術(shù)尚未有文獻(xiàn)報(bào)道應(yīng)用于現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)。國內(nèi)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的可查閱文獻(xiàn)較少，但對于樹脂基復(fù)合材料葉片的研究已經(jīng)起步。

2 金屬基復(fù)合材料葉片制造技術(shù)

金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的比強(qiáng)度、比剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可按需設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的一體化（圖8）。

圖8 金屬基復(fù)合材料葉片F(xiàn)ig.8 Metal matrix composite blades

P&W公司曾采用等離子噴涂與真空熱壓成形相結(jié)合的工藝成功研制B/Al風(fēng)扇葉片，該葉片通過了試驗(yàn)臺、抗腐蝕及抗沖擊試驗(yàn)，比原先的鈦合金葉片減重40%，并成功應(yīng)用于JT8D的第一級風(fēng)扇葉片和TF30的第三級風(fēng)扇葉片；普·惠公司和TRM公司采用等離子噴涂6061Al的B/Al預(yù)制帶，成功研制了F100的第一級風(fēng)扇葉片與第一級出口導(dǎo)向葉片，并通過了靜載和熱疲勞試驗(yàn)，減重達(dá)35%～40%；從PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)開始，普·惠公司逐漸在風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片上使用DWA公司生產(chǎn)的擠壓態(tài)碳化硅顆粒增強(qiáng)變形鋁合金基復(fù)合材料。其研發(fā)工作表明：采用鋁基復(fù)合材料的風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片或壓氣機(jī)靜子葉片，其耐沖擊性能優(yōu)于樹脂基復(fù)合材料；普·惠公司還借助超塑成形/擴(kuò)散連接工藝成功研制了碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料空心風(fēng)扇葉片[25]，該葉片可使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重14%。

我國在原位自生TiB2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片研究方面取得了較大進(jìn)展，但在其高效加工、表面強(qiáng)化、抗疲勞性能等方面仍存在諸多難點(diǎn)[21]。

3 陶瓷基復(fù)合材料葉片制造技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）既保留了陶瓷耐高溫的特性，又具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱裂性。目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷基復(fù)合材料[26-27]主要有兩種，分別是碳纖維增韌碳化硅（Cf/SiC）以及碳化硅纖維增韌碳化硅（SiCf/SiC）。前者使用溫度可達(dá)1650℃，后者可達(dá)1450℃。陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制造主要可分為“葉片雛形制造”和“精密去除加工”兩個(gè)階段。

3.1 葉片雛形制造

內(nèi)核層疊+外層編織技術(shù)。西方國家在為新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造復(fù)雜曲面的CMC葉片時(shí)，其總體思路是葉片內(nèi)核層層疊加，外層編織保護(hù)，制造過程如下[28-29]：（1）將連續(xù)的增強(qiáng)纖維制成預(yù)浸體；（2）通過精密預(yù)浸體切片與裝配形成復(fù)雜構(gòu)件的幾何體，隨后附加外包層；（3）制成的三維體在石墨箱體內(nèi)將單晶硅高溫浸潤注入，實(shí)現(xiàn)其致密化；（4）施加表層保護(hù)后，成為結(jié)構(gòu)件的雛形，如圖9所示。

圖9 CMC渦輪葉片及其組裝Fig.9 CMC turbine blade and its assembly

3D打印技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步與工藝的發(fā)展，3D打印技術(shù)也逐漸成為制造陶瓷基復(fù)合材料葉片的先進(jìn)手段之一。國內(nèi)已經(jīng)有研究采用凝膠注模成型技術(shù)成功制造出了金屬增韌陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片，制造過程如下[30]：（1）通過金屬3D打印工藝制備渦輪葉片的金屬增韌骨架，然后通過氣相沉積在金屬增韌骨架表面形成陶瓷界面層；（2）將具有陶瓷界面層的金屬增韌骨架與渦輪葉片的光固化樹脂模具相結(jié)合，得到內(nèi)部帶有金屬增韌骨架的樹脂模具；（3）通過化學(xué)腐蝕方法去除樹脂模具，采用真空冷凍干燥去除陶瓷坯體中的水分，然后在保護(hù)氣氛下于1200～1400℃燒結(jié) 3～6h，實(shí)現(xiàn)多孔復(fù)合材料渦輪葉片原型；（4）通過化學(xué)氣相沉積在復(fù)合材料渦輪葉片的孔隙中生成碳化硅陶瓷進(jìn)行致密化，實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片雛形的制備。

3.2 精密去除加工

通過上述技術(shù)成形的葉片雛形經(jīng)過進(jìn)一步的修邊鉆孔等精密去除加工，才能最終成為合格的產(chǎn)品。因此，能夠滿足制造高精度精密去除的加工技術(shù)是制造高質(zhì)量葉片的關(guān)鍵之一。CMC的葉片雛形不僅需要精密切邊以實(shí)現(xiàn)配合所需的精度，還需要打冷卻孔和安裝孔，目前應(yīng)用于CMC切削加工的主要方式有水射流加工、電火花加工、超聲加工（包括旋轉(zhuǎn)超聲加工）以及激光加工等。水射流加工容易造成材料的撕裂和表面崩口，電火花加工效率偏低，超聲加工需要對刀具磨損進(jìn)行精確補(bǔ)償并解決好材料的崩邊問題，激光加工很難避免熱效應(yīng)造成的影響。

綜上，在采用去除加工工藝制造高質(zhì)量、高效率的CMC發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其重點(diǎn)研究方向有：更精密的CMC預(yù)浸體切片與裝配；更低成本、更小損傷的CMC致密件切邊與打孔工藝；CMC安裝孔成型工藝及表面精密磨、拋等處理工藝[28]。

結(jié)束語

我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)領(lǐng)域既面臨著難得的機(jī)遇，也承受著巨大的挑戰(zhàn)。對航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要部件葉片的精密制造，需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行探索。

（1）從設(shè)計(jì)、材料、工藝等多方面綜合分析葉片的加工特性，完善對新材料、新工藝的技術(shù)探索。

（2）參考、借鑒、學(xué)習(xí)國外的成功應(yīng)用，作實(shí)基礎(chǔ)研究，深入探索加工方法與加工對象的精確匹配。

（3）研發(fā)葉片制造所需的關(guān)鍵特種制造工藝及裝備，掌握特種葉片制造的核心工藝技術(shù)。

唯有深入研究葉片制造基礎(chǔ)理論，緊密結(jié)合工程技術(shù)應(yīng)用，持續(xù)探索葉片制造的核心技術(shù)，最終必將提升我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的綜合制造技術(shù)水平。

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