航空发动机叶片的生产制造技术

航空发动机叶片的生产制造技术

董艇舰，倪振飞

(中国民航大学，天津300300)

摘要：航空发动机叶片是飞机的主要承力部件，对发动机的性能起着关键的作用。航空发动机的性能很大程度上取决 于叶片质量，叶片的质量对发动机的安全性和可靠性有着直接影响。叶片最终成形一直是航空发动机制造中的瓶颈技术，本文从叶片使用材料、叶片的加工与抛光以及叶片的检测三个方面来介绍发动机叶片的生产过程。对比了国内外发动机的 生产水平。

关键词：发动机叶片；材料；叶片加工与抛光；叶片检测

中图分类号：TG659 文献标识码：A文章编号：1671-0711 (2016) 11 (下）-0176-02

1航空发动机叶片的使用材料

1.1涡轮叶片材料的发展

发动机叶片材料的第一次开始于高温合金 的成功研制，凭借其优异的高温使用性能全面代替 了高温不镑钢，极大的提高了叶片的使用温度，达 到了 800尤7J C平。发动机叶片材料的第二次开 始于定向凝固高温合金的成功研制，定向凝固高温 合金通过控制结晶生长速度，使晶粒按主承力方向 择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金 的热疲劳性能，使叶片的使用温度达到了 1000尤 水平。定向凝固技术发展为单晶合金，进一步提高 了发动机叶片的耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性。以第一代单晶合金为基 础，又研发出了第二代单晶合金，使其工作温度提 高了 30尤。第三代单晶合金，使得叶片的高温蠕变 强度得到极大提高，高温使用寿命也大大提高，其 高温使用寿命可达到150小时，是第一代单晶合金 寿命的十几倍。单晶合金进一步提高了外片 的使用温度，可达到了 1200尤，高温下的持久寿命 相比于前几代单晶合金也有了很大提高。各代的单 晶成分如表1所本。

1.2我国航空发动机铸造涡轮叶片发展的历史与现状

我国航空产业起步较晚，发动机叶片的研制也 长期处于落后水平，从20世纪70年代开始，以我 国的资源条件和技术水平为基础，仿制和研制了一 系列的镍基铸造高温合金，其性能基本达到了我国 的使用要求。经过多年发展，目前的镍基高温合金 已制成多种涡轮叶片，并且在1173 ~ 1223K的温

基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科 技重大专项课题，课题编号：2013ZX04001071。度下，能够持久稳定地工作。为进一步提高外片的 使用温度，在现有镍基高温合金的基础上，成功研 制了强制空冷的空心铸造涡轮叶片，经过不断的试 验改进，叶片的使用温度显著提高，提高了发动机 性能，特别是发动机的推力得到显著提高。近年来，我国的单晶合金叶片的研制也取得了巨大进展。

2航空发动机叶片的加工制造

2.1叶片的数控加工方法

外片的叶身部分由复杂曲面组成，这极大的增 加了叶片的加工难度。按照曲面的成形原理可将曲 面分为直纹面和非直纹面。其中直纹面又可分为可 展直纹面和不可展直纹面。外片数控加工方法可分 为点铁法和侧铁法。点铁法的铁削原理是由点汇成 线，由线组成面，其加工要点是在切削过程中刀刃 与被加工曲面始终保持一点相切。点铣法主要适用 于自由曲面的外片加工。点铣法加工有精度高、叶 片设计型面的一致性高、气动性能好的优点。也有 加工效率低下、刀具磨损严重的不足之处。

侧铣法的铣削原理是利用铣刀刀刃的母线在加 工中形成的包络面来逼近曲面成形，其加工要点是 切削过程中刀具的侧刃与被加工曲面始终保持接触。侧铁法主要适用于直纹面型叶片。侧铣法具有叶片 的表面粗糙度好，叶片的加工效率高，生产成本低 的优点。

2.2航空发动机叶片的抛光技术

叶片形状、表面粗糙度对整个发动机的效率产 生很大影响，我国目前的发动机叶片抛光工作主要 是由手工完成，由于抛光操作人员的操作技巧和熟 练程度不同，叶片的型面精度、表面质量必然会产 生误差，给叶片抛光精度的控制造成了较大困难。

176 中国设备工程2016.1K下）Engineering 工程

表1四代单晶合金成分变化

代序合金Cr A1Ta W Mo Re Ti Ru Nb Co C Hf B Y

第4代MX42 5.558.2562 5.95316.50.030.150.0040.01

第4代Rene N6 4.2 5.757.26 1.4 5.412.50.050.150.0040.01

第4代Rene N57 6.2752380.20.01

第4代PWA 14845 5.68.76230.1100.1

第4代Rene N49 3.7462 4.258

因而，开展叶片自动化抛光技术的研究，对我国的

航空产业的发展有重要意义。

目前，航空发动机叶片抛光的技术主要存在以

下几个难点：

⑴叶片的加工余量不均匀。

(2)叶片边缘曲率半径很小。

(3)转接圆弧的形状复杂且半径很小。叶片抛 光技术主要包括砂轮磨削和砂带磨削两类。当前，

磨削加工精度和加工效率都很高，这得益于超硬磨

料立方氮化砸和人造金刚石砂轮的应用。超硬磨料

砂轮具有加工的优点有：工件表面质量高、发热小、

不易烧伤工件等，适用于叶片等精密件的高效加工。

砂带磨削技术作为一种新型磨削技术，也是不

断发展的，它的发展过程可分为三个阶段:手工打磨、

半机械化、机械化磨削。由于砂带磨削的机械机构

比较灵活，能够实现各类复杂自由曲面的精密或超

精密加工。其磨削结构如图1所示。

3航空发动机叶片的质量检测

叶型检测难点具体表现为：

(1)对测量的精度和效率要求高。一般 会达到微米级。

(2)对测量的可靠性要求高。

(3)测量数据处理过程复杂。

测量数据的采集、模型配准方法和误差评定模

型的不同，对叶片测量的精度和可靠性会产生很大

影响。

① 数据采集。提高叶片表面数据采集的精度，是确保检测质量的前提。

② 模型匹配是确保检测质量的关键环节。找到 测量数据与曲面造型的对照点，使测量点的坐标系

与模型坐标系对齐是模型匹配的要点。

③ 误差评定。误差评定的内容包括叶型参数误 差和形位误差两种，其中形位误差是误差评定的关

键参数。

目前，我国多数叶片生产单位仍然采用传统的

标准样板测量，该法具有精度差，效率低等问题，

严重制约了航空发动机的发展。我们应该学习西方

先进的检测技术，大力推广三坐标测量检测技术。

叶片制造过程中检测周期长、检测结果不准确的问

题可以通过三坐标测量检测技术得到很好的解决。

4结语

随着航空业的不断发展，对发动机叶片的使用

寿命提出了更高的要求，这无疑会增加外片的加工

制造的难度。本文的目的在于给参与发动机叶片制

造的科研工作者们提供一个新的思路。

参考文献：

[1] 董志国，王鸣，李晓欣’滕佰秋.航空发动机涡轮叶片材料的

应用与发展[A].中国金属学会高温材料分会.第十二届中国

高温合金年会论文集[C].中国金属学会高温材料分会:，2011:3.

[2] 黄乾乞，李汉康.高温合金.北京：冶金工业出版社，2000: 4.

[3] 陈荣章.单晶高温合金发展现状.材料工程，1995 ( 1) :3.

[4] 田欣利，佘安英，林允森，张纾.叶片多轴数控加工方法与关

键技术研究进展D G.制造技术与机床，2008,06:124-128.

[5] 郭恩明.我国航空制造技术的现状及发展趋势〇(].航空制造技

术，2002⑴:27-30.

[6] 陈瞎辉，刘华明等.国内外叶轮数控加工发展现状.航天制造

2002,4(2):45-48.

[7] 吕彤，刘国涛.航空发动机叶片表面自由^具光整加工工艺试

验研究〇]•新技术新工艺，2013,10:-92.

[8] 崔海军，张明岐.航空发动机叶片抛光技状及发展趋势〇].

赔制造■，2015，11:128-131,

[9] 《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册一发动

机叶片工艺■北京：航空工业出版社，1997.

[10] 刘艳•叶片制造狱•北京：科学出版社，2002.

中国设备工程2016.11 (下）17

7