航空发动机涡轮叶片精密成形技术及其发展趋势.pdf

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1、BladeManufacturingTechnology叶片制造技术航空发动机涡轮叶片精密成形*技术及其发展趋势蒋睿嵩，汪文虎，王增强，张定华，卜昆（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710072）[摘要]空心涡轮叶片一直是制约我国高性能航空发动机研制的瓶颈。针对空心涡轮叶片精铸合格率较低的问题，在讨论涡轮叶片精密铸造工艺的基础上，从精铸“控形”及“控性”两方面，对涡轮叶片精铸成形技术的研究成果进行了总结。此外，围绕未来更高性能航空发动机涡轮叶片，从材料、结构、工艺的角度对其发展趋势进行了讨论。分析认为，陶瓷基复合

2、材料有望在发动机涡轮叶片上得到更广泛的应用。关键词：涡轮叶片；精铸控形；精铸控性；陶瓷基复合材料DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2016.21.057高性能航空燃气涡轮发动机（以的因素主要包括尺寸（型面和壁厚）下简称“航空发动机”）是飞机的“心超差（约占50%）、再结晶（约占25%）脏”，是制约我国航空业发展的“瓶和铸造缺陷（约占15%）等。为此，[1]颈”之一。随着飞机设计指标的不针对单晶涡轮叶片高品质精密成形断提升，相应地要求航空发动机朝着问题，研究涡轮叶片精铸“控形”及大推力、高推重比、低油耗等方向发“控

3、性”技术，从叶片尺寸精度及材展，而提高涡轮前进口温度是提高推料组织性能两方面提高空心涡轮叶重比最主要的途径之一。预计在推片成形品质和合格率，对加快新型航重比15一级的航空发动机中，涡轮空发动机研制、降低成本、提升我国前温度将达到1830~1930℃；为此，航空发动机制造水平都具有重要意必须增加涡轮叶片尤其是高压涡轮义。叶片（如图1所示）的耐高温能力。本文首先对涡轮叶片精密铸造目前，涡轮叶片普遍采用复合气膜冷流程进行简要介绍；在此基础上，针蒋睿嵩却单晶空心涡轮叶片技术提高其承对涡轮叶片尺寸精度和组织缺陷问博士，美国南加州大学访问学者，主要

4、从事航空发动机涡轮叶片精密成形温能力。题，对基于反变形原理的精铸“控形”技术、复合材料切削加工技术等方面的受材料及结构限制，空心涡轮叶及基于工艺优化的精铸“控性”技术研究工作。近年来，承担并参与了自然片通常采用熔模精密铸造工艺成形，进行了综述。最后，对新材料、新结基金、国家重大专项等项目多项，在相其成形精度偏低、废品率极高，一直构涡轮叶片的精密成形技术进行了关领域发表学术论文30余篇。是困扰我国高性能航空发动机研制展望。[2]的难题。从国内学术界的探索研究和工业界的实施应用情况来看，单涡轮叶片精密铸造技术晶空心涡轮叶片的合格率极低，仅为

5、涡轮叶片制造工序多、周期长，*基金项目：国家自然科学基金（51475374，10%左右。通过对空心涡轮叶片进是航空发动机所有零件中合格率最51505387）；中央高校基础研究基金（3102015ZY087）。行检测和统计分析表明，叶片不合格低、国外封锁和垄断最为严格的零件2016年第21期·航空制造技术57论坛FORUM[3]之一。涡轮叶片精铸毛坯的制造行制备，通过形成温度梯度，可有效严重制约我国高性能航空发动机研流程一般为：首先通过模具成形的控制晶粒的生长；其区别在于单晶制和生产的关键瓶颈。精铸“控形”方式获取精密铸造用陶瓷型芯，然后

6、在定向凝固的起始端增加螺旋式选技术即是从几何角度对叶片精铸变与蜡型模具匹配得到带有陶芯的精晶结构，使组织由柱状多晶变为一个形进行控制，以期获得满足尺寸精度铸蜡型，再经过制壳、烧结、浇注、脱晶粒。要求的铸件。空心涡轮叶片精度主芯、检验等工序直至获得合格的涡轮到目前为止，航空制造业一直基要由型面精度和壁厚精度构成，其成叶片的精铸毛坯；然后进行叶片尺于Bridgman工艺生产高温合金定向形精度与精铸工艺密切相关；其中，寸、材料组织性能的检测，最终得到或单晶叶片。由于该工艺较低的辐精铸蜡型尺寸精度是叶片成形精度合格的单晶空心涡轮叶片。射传热效率

7、等缺点，容易导致抽拉速的最主要影响因素之一。美国宾夕[6]早期高温合金叶片为等轴晶组度降低，引起雀斑和晶粒偏离方向等法尼亚大学Peters等对29种精铸[5]织，晶界在高温循环加载工况下可能缺陷。为克服上述问题，近年来研件跟踪测量得到结论，精铸件尺寸随导致裂纹萌生和扩展，削弱叶片性究发展了液态金属冷却（Liquidmetal精铸蜡型尺寸波动而波动，其统计结能。目前，涡轮叶片晶粒组织主要以cooling,LMC）法，利用液体对流散热果如图3所示。因此，制备精度合格柱状、单晶为主，使叶片高温性能得来替代原来的辐射散热。的蜡型是保证空心涡轮叶

8、片精度的[4]到了极大的提高。图2为各型晶首要条件。精铸蜡型尺寸主要由精粒组织的形成原理：柱状晶和单晶涡轮叶片精铸“控形”技术铸模具进行保证，对精铸模具型腔的主要采用Bridgman工艺或快速凝固如上所述，