仝偉婷

摘要：航空發(fā)動機因為制造難度高，而且技術(shù)復雜，當前世界上也只有少數(shù)幾個國家可以設(shè)計和制造航空發(fā)動機，我國逐步開始對航空發(fā)動機的設(shè)計制造進行研究，讓自身的制造水平進一步提高?？招臏u輪葉片是高性能航空發(fā)動機生產(chǎn)制造過程中的重要零部件在生產(chǎn)制造方面難度較大，對我國的航空制造企業(yè)產(chǎn)生了一定的困擾，本文重點對航空發(fā)動機渦輪葉片精密成型技術(shù)進行分析研究，以供參考。

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.

關(guān)鍵詞：空心渦輪;葉片;精密成形技術(shù);精鑄

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

1 ?空心渦輪葉片精鑄技術(shù)

高性能航空燃氣渦輪發(fā)動機是精密器件，在飛機當中具有非常重要的作用，是飛機的心臟，也是導致我國航空業(yè)發(fā)展停滯不前的瓶頸之一。伴隨當前飛機設(shè)計指標逐步提升，航空發(fā)動機也需要逐步向低油耗、高推重比、大推力的方向發(fā)展，讓渦輪前進口溫度提高是保證推動力的一個重要方式，預計在推重比15一級的航空發(fā)動機當中，渦輪前溫度可能在1830～1930攝氏度之間，因此一定要重視加強渦輪葉片的耐高溫能力。為了將這一問題解決。當前的渦輪葉片主要使用的是復合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片，因為該設(shè)計材料較為特殊，而且結(jié)構(gòu)非常復雜。在制備空心渦輪葉片的過程中，使用的工藝主要為熔模精鑄工藝，但是這一工藝，具有成品率低、要求精度差等問題，造成我國在空心渦輪葉片生產(chǎn)方面出現(xiàn)了很多問題。通常而言當前的空心渦輪葉片精鑄成品率只有10%，而90%的廢品葉片主要出現(xiàn)的問題是形位尺寸超差，另外一些是結(jié)晶缺陷。為了讓空心渦輪葉片的制造成品率提高，有效的解決“形控”和“性控”兩個問題，需要重視控制尺寸的精度，并且在完成精鑄之后提高復合材料的性能。

空心渦輪葉片制造難度大，而且工序非常復雜，具體如下，首先需要注意合理的對模具成型工藝進行應用，將空心渦輪葉片精鑄所需要的陶瓷型芯設(shè)計出來。該陶瓷型芯是空心結(jié)構(gòu)的重要填充物，接著通過蠟模工藝在型芯外層進行渦輪葉片蠟模的制備，而后進行燒結(jié)、澆鑄、脫模等一系列工序，將空心渦輪葉片粗坯制備完成。在完成粗坯的條件下進行后續(xù)操作，直到制備完整個空心渦輪葉片。在傳統(tǒng)空心渦輪葉片制備的時候使用的主要為復合材料，這種材料是等軸晶組織。這種組織在高溫條件下很容易受到損壞，而影響整個葉片制備的成品率。伴隨當前材料技術(shù)快速發(fā)展，葉片所使用的復合材料逐步以單晶為主。這種新型材料具有一定的耐高溫性，這樣可以大幅度提升空心渦輪葉片的制備成品率，當前，針對空心渦輪葉片的精鑄主要使用的方法為液態(tài)金屬冷卻法[1]。

2 ?空心渦輪葉片制備中的“形控”

在進行空心渦輪葉片金屬的過程中，由于出現(xiàn)尺寸超差導致葉片不合格的達到了總數(shù)的1/2左右，為了讓空心渦輪葉片的成品率提高，需要重視加強葉片精鑄的情況，也就是對渦輪葉片的尺寸精度進行有效控制。精鑄過程主要是為了對葉片的空心厚度以及無葉片的型面精度進行控制。在實踐當中分析發(fā)現(xiàn)渦輪尺寸精度和渦輪葉片金屬工藝會直接影響精度過程控制，尤其是精鑄蠟模尺寸的精度。所以需要對蠟模精度進行有效的控制，將其放在精度控制的首位。為了讓蠟模澆鑄的精度提高，首先需要優(yōu)化精鑄模具的外觀，讓蠟模的尺寸精度提高，除了需要對那么精度進行控制外，還需要進一步將葉片精鑄時由于收縮而出現(xiàn)尺寸缺陷解決。葉片精度較高，結(jié)構(gòu)非常復雜。在精鑄時，葉片很容易受到周邊熱應力等因素的影響，而出現(xiàn)葉片鑄造形變。這一形變會在后續(xù)葉片精鑄位移場當中出現(xiàn)。葉片在出現(xiàn)變形之后，會對葉片的氣動外形產(chǎn)生較大影響，而導致發(fā)動機的工作效率下降。為了確保葉片能夠正常有效的運行，需要進一步的進行葉片精鑄后的質(zhì)量控制，為了對葉片精鑄控制所出現(xiàn)的收縮變形進行管控，需要注意采取一定的補償量來對葉片精鑄時出現(xiàn)的收縮進行補償，需要關(guān)注的問題是葉片精鑄過程中所出現(xiàn)的收縮主要是因為多種因素導致的，并非線性的。因此需要注意在葉片精鑄型腔進行優(yōu)化的過程中逐步進行修正，這樣才能進一步達到最有效果，然而該操作需要花費大量時間，為了讓精鑄型腔的優(yōu)化效率提高，需要重視加強建模分析，通過反變形優(yōu)化設(shè)計的方式來進一步對精鑄設(shè)計進行優(yōu)化。

通過模型可以對空心葉片精鑄過程中的形變位移場進行精確的計算。在完成計算之后，將位移場與型腔模具初始模型進行疊加，就可以將反形變設(shè)計的設(shè)計量計算出來。在操作過程中需要注意合理的進行精鑄位移場的計算和控制，具體的操作方法有兩種。

首先基于結(jié)果的逆向建模。在實踐當中，這種方案主要是針對葉片的實際形變數(shù)據(jù)來進行構(gòu)建的，需要細致的測量葉片的精鑄后的形態(tài)，以實際測量數(shù)據(jù)為準構(gòu)建葉片模型和型腔模型，通過兩步配準算法來進行空心渦輪葉片位移場的計算。

第二種方法主要是通過三維建模的方式來進行模型仿真，將葉片精鑄位移場模型構(gòu)建起來。在建立葉片精鑄位移場模型之后，根據(jù)建立的位移場來進一步進行葉片精鑄，反形變優(yōu)化。由于渦輪葉片非常復雜的制造過程中具有較高的難度，所以需要注意對葉片精鑄反形變層進行深入的分析，多次修改，以獲得需要的精度。在進行葉片精鑄位移場模型構(gòu)建的過程中，可以通過離散連續(xù)的方式來完成后續(xù)的構(gòu)件，通過三維建模來將原來葉片精鑄位移場的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭招臏u輪葉片，最終的數(shù)據(jù)模型通過泰勒公式來構(gòu)建反形變優(yōu)化控制體系。這樣的方法能夠讓補償?shù)挠嬎愀鼮楹喕?，原來多次補償可以通過一次反形變優(yōu)化模型來進行操作。這種方式的補償精度和補償效率較高，可以有效的幫助反形變位移場的設(shè)計[2]。

3 ?做好空心渦輪葉片精鑄的“性控”

在渦輪葉片幾何尺寸控制完成后，還需要注意加強空心渦輪葉片厚度的管理和控制?？招臏u輪葉片生產(chǎn)過程中，其厚度會直接影響葉片的冷卻效率和結(jié)構(gòu)強度，另外也會對葉片的使用壽命產(chǎn)生影響。空心渦輪葉片設(shè)計使其厚度和精鑄模型的精度息息相關(guān)。空心渦輪葉片厚度主要是由陶芯合金鑄模型匹配度決定的。為了保證更好的約束和控制陶芯在空間當中的姿態(tài)，需要注意加強陶芯定位誤差和制造誤差的控制，由于陶芯在生產(chǎn)和應用過程中，制造誤差和定位誤差出現(xiàn)的累積誤差會對葉片的金屬厚度產(chǎn)生直接影響，因此需要關(guān)注陶芯的定位問題，再從基礎(chǔ)方面進行優(yōu)化，逐步改進誤差傳遞鏈，需要與誤差出現(xiàn)的原因進行結(jié)合，通過陶芯定位優(yōu)化的方式，逐步控制誤差的累積，以確保陶芯具有較高的定位精度。

在控制空心渦輪葉片尺寸精度的條件下，還需要注意積極加強葉片精鑄時的系統(tǒng)，也就是需要保證空心渦輪葉片精鑄的復合材料。在高溫條件下不會受到各種因素的影響，而導致葉片材料性能出現(xiàn)變化，比如說定位融固時，精鑄件很有可能會出現(xiàn)雀斑、縮松等缺陷。這些缺陷會導致葉片在運用過程中物理性能無法達到設(shè)計的需要，為了將這一問題解決，需要注意合理的進行精鑄工藝的優(yōu)化，通過高溫度梯度LMC定向凝固技術(shù)可以快速地對精鑄葉片進行降溫。這樣的操作方式可以有效的降低雀斑和縮松的缺陷的幾率，讓葉片具有較高的屈服強度。葉片精鑄中空心渦輪葉片的葉冠和邊緣位置很容易出現(xiàn)缺陷，需要注意使用導熱體應調(diào)整方式在這些缺陷多發(fā)位置進行控制[3]。

4 ?渦輪葉片精密成形技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 渦輪葉片新材料

當前新一代航空發(fā)動機渦輪進口溫度逐步提高。在高溫合金材料能力有限的情況下需要逐步加強高溫合金材料的優(yōu)化。在實際應用時，需要逐步加強陶瓷基復合材料的使用，當前陶瓷基復合材料在航空渦輪葉片發(fā)展過程中依舊處于起步階段，需要進一步分析其結(jié)構(gòu)、工藝、材料等，然而需要指出的是當前陶瓷基復合材料在中等載荷發(fā)動機零件試驗方面已經(jīng)取得較大的進步。在未來需要深入地對更耐高溫的陶瓷基復合材料進行研發(fā)。對于低壓渦輪葉片，因為工作過程中溫度相對較低，所以，可以使用金屬間化合物通常的金屬間化合物溫度在930攝氏度到1130攝氏度之間，而且密度較低，美國通用公司，在近期使用Ti-Al合金來進行低壓導向渦輪葉片的生產(chǎn)[4]。

以上所述金屬間化合物、陶瓷基復合材料等新材料的開發(fā)應用依然還需要一段時間進行測試，所以當前航空發(fā)動機渦輪葉片的主導材料依然為高溫單晶合金。

4.2 渦輪葉片新結(jié)構(gòu)

先進的冷卻結(jié)構(gòu)可以進一步保證渦輪葉片在實際應用時承受較高的溫度，當前渦輪葉片的冷卻技術(shù)主要使用的是擾流柱強化換熱、氣膜冷卻，但總體而言氣冷結(jié)構(gòu)在提升渦輪前進口溫度方面的貢獻率達到了70%。

但是在實踐中發(fā)現(xiàn)，常溫冷卻方式的冷卻系數(shù)相對較低，影響了渦輪進口溫度提升，因此需要逐步對發(fā)散冷卻技術(shù)進行研究，相比于常規(guī)冷卻技術(shù)，發(fā)散冷卻技術(shù)能夠有機的融合對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻，這樣可以有效的提高冷卻的效率，然而當前的發(fā)散冷卻技術(shù)不成熟，出現(xiàn)表面氧化和積炭等問題，導致實踐時應用性較差，還需要深入的分析[5]。

5 ?結(jié)束語

空心渦輪葉片因為加工精度高，而且表面結(jié)構(gòu)非常復雜，成為航空發(fā)動機發(fā)展過程中的關(guān)鍵部件，如果沒有有效地將空心渦輪葉片的生產(chǎn)制造問題解決，可能會導致生產(chǎn)的空心渦輪葉片廢品率低，無法符合航空發(fā)動機生產(chǎn)的需求，因此需要逐步加強空心渦輪葉片材料結(jié)構(gòu)的分析，采取針對化的策略進行改進，這樣才能提高空心渦輪葉片的性能。

參考文獻：

[1]蔣睿嵩，汪文虎，王增強，等.航空發(fā)動機渦輪葉片精密成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2016，516（21）：57-62.

[2]李世峰，張定華，卜昆.單晶空心渦輪葉片精確控形技術(shù)的研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2012（03）：559-564.

[3]謝廣平，武穎娜，楊銳.航空發(fā)動機渦輪葉片的失效分析與檢測技術(shù)[J].民用飛機設(shè)計與研究，2019（3）：15-26.

[4]李義平.航空發(fā)動機鑄造渦輪葉片校正量的控制技術(shù)研究[C]//探索創(chuàng)新交流——第五屆中國航空學會青年科技論壇文集（第5集），2012.

[5]關(guān)紅，崔樹森，汪大成.高溫合金葉片精密成形技術(shù)研究[J].材料科學與工藝，2013（04）：143-148.