新一代商用航空发动机叶片的先进加工技术

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1、专稿FEATURE新一代商用航空发动机叶片的先进加工技术AdvancedMachiningTechnologyofNewGenerationCommercialAeroengineBlade清华大学机械工程系王 辉西北工业大学机电工程学院 吴宝海北京航空航天大学机械工程及自动化学院 李小强以新材料、新工艺为特色的高性能航空发动机叶片精密高效加工技术，能够极大推进新型大涵道比商用航空发动机的效率提升、寿命延长和可靠性增强。从新型叶片材料的属性、加工方法及加工误差的形成原理等几个方面突破高性能航空发动机叶片精密高效加工的技

2、术难点，是当前航空发动机叶片先进制造技术的重要发展趋势。进入21世纪后，新一代大型商由之路。用飞机（如空客A380和波音787等）叶片在大涵道比商用航空发动从控制油耗、改进效率、降低噪声、提机中占据着非常重要的地位（图1），高安全可靠性、削减研制生产成本等是航空发动机制造中的重中之重，占多个方面对大推力大涵道比商用航据了大约40%的工作量；也是航空王 辉清华大学机械工程系制造工程研空发动机的综合性能提出了更高要发动机制造的难点，制造要求及技术究所副教授，工学博士。主要从事精求，而这些要求最终都需要航空发动精度都非常高，

3、体现了发动机制造工密机械加工及装配技术、计算机辅助机的先进制造技术来实现。航空发艺水平，也极大地影响了发动机的整制造技术等领域的研究与教学工作。[1-2]动机被誉为“现代工业皇冠上的明体性能，例如：叶片加工精度过在国内外学术期刊发表学术研究论文约30篇，申报技术发明专利6项。珠”，集当代先进制造技术的诸多前低会导致叶盘各个叶片的叶型轮廓、2013年获得英国Emerald出版集团沿于一身。从国际上商用发动机先扭转角及位置度等的一致性差，扰乱颁发的杰出贡献奖（2013Awardsfor进制造技术的发展历程来看，深入探气流气

4、压状态。叶片加工误差及其Excellence/OutstandingReviewer）。索、大力研究、重点发展先进材料零一致性还会显著影响叶片的径向间2014年主持研发的航空发动机叶片自适应保形加工技术及装备在“第部件的加工制造技术，改善航空发动隙，误差小则叶片的径向间隙小且稳十二届中国国际机床工具展览会机核心结构的机械物理性能、结构工定，降低摩擦概率（也可以避免钛火（CIMES2014）”上展出。艺性、可加工性和可生产性，是掌握等问题），空气动力的损失就小，发动现代航空发动机核心制造技术的必机的效率就越高；否则，叶片

5、误差过26航空制造技术·2014年第20期专稿FEATURE低压压气机燃烧室较高，近年来通过对碳纤维三维编织风扇高压压气机后再以专门开发的树脂传递模塑成[4]形（RTM）工艺制叶片的方法获得了较高的重视。比较典型的如CFM公司LEAP发动机的风扇叶片（仅重4.2kg），斯奈克玛公司（SNECMA）在叶片制造中与AlbanyEngineeredComposites公司合作发展了一种碳高压涡轮低压涡轮纤维三维编织技术，比起传统的二维转子复合材料编织，它可以在多个方向(以及局部区域)上显著增强零件的强度；总长达数英里的碳纤维

6、经过三维编织机编织后，再用水刀切削为精确的纤维预成形体，然后在RTM模具中注射树脂并进行热压固化，从而实现叶形毛坯件的成形（图2、3）。这个叶片成型过程需要24h完成，此后再进行钛合金包边等并完成LEAP[5]风扇叶片的最终加工和安装。除了树脂基复合材料外，轻金属基/陶瓷基复合材料（MMC）风扇叶片的研发也一直在深入开展，与CFRP叶片相比，MMC制作的叶片具有更好图1商用大涵道航空发动机及其典型的精密制造叶片的比强度与比刚度，耐冲击（冰雹、鸟大要么会导致零件的摩擦乃至损坏，展起来的基于超塑成形/扩散连接撞等外物打伤）

7、和抗冲蚀（沙子、雨[6]要么不得不加大径向间隙，严重影响（SPF/DB）技术制造的钛合金宽弦水等）能力也要更强。例如，通用性能，例如1.3~1.5mm的径向间隙可空心风扇叶片，随着大尺度宽弦复电气公司在F136发动机上的技术[7]能会导致发动机的效率降低2%~4%材风扇叶片制造和应用技术的成验证表明，SiC颗粒增强复合材料左右。此外，叶片高速旋转（高压级熟，其技术及性能优势近年来也愈制作的低压涡轮叶片比以前的镍基在10000r/min以上）过程中的叶身加突出。其中以用于波音777飞机合金叶片大幅减重，同时耐高温性所受载

8、荷非常大，为了降低损伤概的GE90系列（如115B等）发动机好，减少了对冷却气体的使用，从而率，对叶片的材料性能、结构强度、表的掠形大流量宽弦复材风扇叶片显著改善发动机的推力和使用效率。面质量等要求非常苛刻。热端部分最具代表性，并经过了十多年、高普惠公司（Pratt&Whitney）也曾为的叶片，高速旋转时除了极高的载荷达3600