【正文】 2010.[7] [J].森林工程,2009(3).[8] 王世敬,[J].,(11).[9] [J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2008,(1).[10] Duffie in Green Manufacting[J].CASA/SME Technology Trends,2009(12).第二篇：先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)一、輕量化、整體化新型冷卻結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)1 整體葉盤制造技術(shù)整體葉盤是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的關(guān)鍵部件，通過將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的葉片和輪盤設(shè)計(jì)成整體結(jié)構(gòu)，省去傳統(tǒng)連接方式采用的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)重量減輕、零件數(shù)減少，避免了榫頭的氣流損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)大為簡化，推重比和可靠性明顯提高。在第四代戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置推重比10 發(fā)動(dòng)機(jī)F119 和EJ200上，風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕20%~30%，效率提高5%~10%，零件數(shù)量減少50% 以上。目前，整體葉盤的制造方法主要有：電子束焊接法；擴(kuò)散連接法；線性摩擦焊接法；五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工或電解加工法；鍛接法；熱等靜壓法等。在未來推重比15~20 的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上，如歐洲未來推重比15~20 的發(fā)動(dòng)機(jī)和美國的IHPTET 計(jì)劃中的推重比20的發(fā)動(dòng)機(jī)，將采用效果更好的SiC 陶瓷基復(fù)合材料或抗氧化的C/C 復(fù)合材料制造整體渦輪葉盤。2 整體葉環(huán)（無盤轉(zhuǎn)子）制造技術(shù)如果將整體葉盤中的輪盤部分去掉，就成為整體葉環(huán)，零件的重量將進(jìn)一步降低。在推重比15~20 高性能發(fā)動(dòng)機(jī)上的壓氣機(jī)擬采用整體葉環(huán)，由于采用密度較小的復(fù)合材料制造，葉片減輕，可以直接固定在承力環(huán)上，從而取消了輪盤，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%。目前正在研制的整體葉環(huán)是用連續(xù)單根碳化硅長纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料制造的。推重比15~20 高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國XTX16/1A 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)第4 級(jí)壓氣機(jī)為整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該整體葉環(huán)轉(zhuǎn)子及其間的隔環(huán)采用TiMC 金屬基復(fù)合材料制造。英、法、德研制了TiMMC 葉環(huán)，用于改進(jìn)EJ200的3級(jí)風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)和渦輪。3 大小葉片轉(zhuǎn)子制造技術(shù)大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)是整體葉盤的特例，即在整體葉盤全弦長葉片通道后部中間增加一組分流小葉片，此分流小葉片具有大大提高軸流壓氣機(jī)葉片級(jí)增壓比和減少氣流引起的振動(dòng)等特點(diǎn)，是使軸流壓氣機(jī)級(jí)增壓比達(dá)到3 或3 以上的有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。4 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣制造技術(shù)在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有很多機(jī)匣，如進(jìn)氣道機(jī)匣、外涵機(jī)匣、風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣等，由于各機(jī)匣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的部位不同，其工作溫度差別很大，各機(jī)匣的選材也不同，分別為樹脂基復(fù)合材料、鐵合金、高溫合金。樹脂基復(fù)合材料已廣泛用于高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部件，如F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道機(jī)匣、外涵道筒體、中介機(jī)匣。至今成功應(yīng)用的樹脂基復(fù)合材料有PMR15（熱固性聚酰亞胺）及其發(fā)展型、Avimid（熱固性聚酰亞胺）AFR700 等，最高耐熱溫度為290℃ ~371℃，2020 年前的目標(biāo)是研制出在425℃溫度下仍具有熱穩(wěn)定性的新型樹脂基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)是集自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）、自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)（AFP）、激光定位、自動(dòng)剪裁技術(shù)、模壓成形、樹脂傳遞模塑成形（RTM）、樹脂膜浸漬成形（RFI）、熱壓罐固化成形等技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。5 寬弦風(fēng)扇葉片制造技術(shù)英國羅 羅公司成功開發(fā)出遄達(dá)系列的超塑成形擴(kuò)散連接發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片，引起了國際航空界的高度重視，此類空心葉片的輕質(zhì)量、高結(jié)構(gòu)效率使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能得到顯著提高。如今，寬弦、無凸臺(tái)、空心葉片是高性能發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和第一級(jí)壓氣機(jī)葉片的發(fā)展方向。推重比10 一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)F119，EJ200 均采用了寬弦風(fēng)扇葉片，GE 公司的GE90，推重比15~20 高性能發(fā)動(dòng)機(jī)都采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片?，F(xiàn)在寬弦風(fēng)扇葉片主要采用超塑成形擴(kuò)散連接（Superplastic Forming/Diffusion Bonding，SPF/DB）技術(shù)。與傳統(tǒng)工藝制造的零件相比，SPF/DB 組合工藝技術(shù)具有重量輕、成本低、效益高、整體性好、成形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。目前國外正在研究的推重比15~20 高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，是一種空心的、用連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料（TiMMC）制造，采用超塑成形/ 擴(kuò)散連接工藝制出空心風(fēng)扇葉片。6 復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)制造技術(shù)多孔復(fù)合冷卻層板結(jié)構(gòu)是推重比10 以上發(fā)動(dòng)機(jī)采用的先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)，多用于燃燒室和渦輪葉片，它是一種帶有復(fù)雜冷卻回路的多孔層板，用擴(kuò)散連接方法連接成形的冷卻結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵制造技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和繪制復(fù)雜冷卻回路，用“照相電解法”制成冷卻回路，擴(kuò)散連接成多層多孔層板。由此可知，整體化結(jié)構(gòu)、新型冷卻結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)諸多零件減輕了質(zhì)量、降低了成本、提高了效率，從而保證了發(fā)動(dòng)機(jī)高推比、高性能的相關(guān)要求。二、新材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比15~20 一級(jí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求材料具有耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性等特性。高性能發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)采用很多種類的新材料和新材料構(gòu)件，尤其是金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/ 碳復(fù)合材料是當(dāng)前高溫復(fù)合材料領(lǐng)域開發(fā)和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。與其同時(shí)進(jìn)行的高溫復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)正在深入地發(fā)展。1 金屬基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)SiC 長纖維增強(qiáng)Ti 基復(fù)合材料（TiMMC）具有比強(qiáng)度高、比剛度高、使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優(yōu)點(diǎn)。例如德國研制的SCS6 SiC/IMI834 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度高達(dá)2200MPa，剛度達(dá)220GPa，而且具有極為優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，在700℃溫度暴露2000h 后，力學(xué)性能不降低。TiMMC 葉環(huán)代替壓氣機(jī)盤，可使壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕70%。美國制備的TiMMC 葉環(huán)已在Pamp。W 的XTC65 IHPTET 驗(yàn)證機(jī)上成功地進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠滿足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC 葉環(huán)，并成功地進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。未來發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓壓氣機(jī)葉片和靜子葉片、整體葉環(huán)、機(jī)匣及渦輪軸將采用金屬基復(fù)合材料制造。TiMMC 關(guān)鍵制造技術(shù)有、纖維涂層法、等離子噴涂法、漿料帶鑄造法、箔纖維法。2 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)推重比15~20 高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度將達(dá)到2200K 以上，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料（CMC）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性的損毀，可代替高溫合金作為熱端部件結(jié)構(gòu)材料。CMC 的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重，節(jié)約冷卻氣或無需冷卻，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比的有關(guān)性能。美、英、法等發(fā)達(dá)國家以推重比9~10 發(fā)動(dòng)機(jī)（如F11EJ200、F414 等）作為CMC 的驗(yàn)證平臺(tái)，主要驗(yàn)證的部件有SiC 基CMC 的燃燒室、渦輪外環(huán)、火焰穩(wěn)定器、矢量噴管調(diào)節(jié)片和密封片，甚至整體燃燒室和整體渦輪等構(gòu)件。SiC 基CMC 的關(guān)鍵制造技術(shù)包括纖維預(yù)制件的設(shè)計(jì)和制造、SiC 基體的致密化技術(shù)、纖維與基體間界面層和復(fù)合材料表面防氧化涂層的設(shè)計(jì)與制造以及構(gòu)件的精密加工等。3 碳/碳復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)碳/ 碳復(fù)合材料（C/C）的最顯著的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫（1800℃ ~2000℃）和低密度（），可能使發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重。美、法、俄等研制的C/C 復(fù)合材料部件有燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導(dǎo)向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環(huán)等。美國將整體渦輪盤在1760℃進(jìn)行了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。C/C 構(gòu)件的關(guān)鍵制造技術(shù)包括碳纖維預(yù)制體的設(shè)計(jì)與制備、C/C 的致密化技術(shù)和C/C 防氧化涂層的設(shè)計(jì)與制造。C/C 致密化方法有化學(xué)氣相浸透法（CVI）和液相浸漬法。液相浸漬法包括樹脂浸漬炭化法和瀝青浸漬炭化法，發(fā)展的方向是提高致密化速率，降低制造成本。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用C/C 構(gòu)件要滿足富氧燃?xì)猸h(huán)境下長壽命工作的要求，所以必須解決C/C 抗氧化的問題。通過設(shè)計(jì)和制備防氧化涂層是改善C/C 抗氧化性的主要途徑，也是國際研究的熱點(diǎn)，目前尚未取得突破性進(jìn)展。由上可見，與現(xiàn)行推重比8 的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新材料構(gòu)件不管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)方面，還是在整體質(zhì)量方面，都有較大突破，因此可確保推重比15~20 等高性能的實(shí)現(xiàn)。三、航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)新工藝1 新型結(jié)構(gòu)件精密制坯技術(shù)目前，先進(jìn)精密毛坯制造技術(shù)正在向近凈成形方向發(fā)展。先進(jìn)的精密制坯技術(shù)有定向凝固和單晶精鑄制坯、精密鍛造制坯和快速凝固粉末冶金制坯技術(shù)。高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量的新型結(jié)構(gòu)件，由于制坯技術(shù)的進(jìn)步將導(dǎo)致毛坯件發(fā)生重大變化。精鑄件、精鍛件、單晶和定向凝固精鑄件以及快速凝固粉末冶金制坯毛坯將取代傳統(tǒng)的大余量毛坯。傳統(tǒng)意義的鍛件將由77% 降至33%，精鑄件由18% 增至44% 以上，粉末冶金件由3% 增至8%，復(fù)合材料構(gòu)件由4% 增至15%。2 先進(jìn)的切削技術(shù)切削加工一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件的主要制造手段。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，特別是質(zhì)量的不斷減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)制造將越來越多地依賴于高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的鈦合金、高溫合金以及金屬基復(fù)合材料等新材料，而這些材料都屬于典型的難加工材料。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件往往型面復(fù)雜，對(duì)加工精度和表面完整性的要求極，因此在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的切削加工中迫切需要采用新型刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)以及高效的工藝方法，同時(shí)這種需求也大大推動(dòng)了具有高剛度、高精度和大驅(qū)動(dòng)功率的專用機(jī)床和通用機(jī)床的發(fā)展。數(shù)控加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中主要用于壓氣機(jī)及渦輪機(jī)的各類機(jī)匣、壓氣機(jī)盤及渦輪盤、渦輪軸和壓氣機(jī)軸等復(fù)雜構(gòu)件的加工。高端數(shù)控裝備及技術(shù)作為國家戰(zhàn)略性物資，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體制造水平起著舉足輕重的作用，如美國洛克希德 馬丁公司在研制JSF 聯(lián)合攻擊機(jī)時(shí)，采用五坐標(biāo)數(shù)控加工方法， 的鐵合金鍛鍛錠數(shù)控銑削加工成重約99kg 的大型升力風(fēng)扇整體葉盤，其切除率超過93%。高效精密切削、變形補(bǔ)償、自適應(yīng)加工，以及抗疲勞制造等技術(shù)的研究和應(yīng)用在新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的加工中需求迫切；同時(shí)，加工過程的知識(shí)積累對(duì)于提高加工效率、加工質(zhì)量和加工的自動(dòng)化水平非常重要，應(yīng)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件和典型材料的高效數(shù)控加工建立相應(yīng)的切削數(shù)據(jù)庫。磨削在先進(jìn)的切削技術(shù)研究中占有重要地位。在磨削加工技術(shù)的研究中，為了獲得高加工效率，世界發(fā)達(dá)國家開始嘗試高速、強(qiáng)力磨削技術(shù)，如利用強(qiáng)力磨削可一次磨出渦輪葉片的榫頭齒形。目前，磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高