航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇葉片及其成形工藝

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦扇葉片及其成形工藝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具有耗油率低、起飛動(dòng)力大、噪音低和迎風(fēng)面積大等特點(diǎn)。60 年代中期，它只應(yīng)用于客機(jī)和轟炸機(jī)，當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為，它很難在高速殲擊機(jī)上應(yīng)用。自70 年代以來(lái)，帶加力的高推比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的相繼問(wèn)世， 使戰(zhàn)斗機(jī)的性能提高到了一個(gè)新的水平， 從而徹底改變了人們對(duì) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的偏見(jiàn)。 90年代中期，又為第四代戰(zhàn)斗機(jī)成功研制了推重比10 帶加力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。與此同時(shí)，為滿足發(fā)展巨型、遠(yuǎn)程運(yùn)輸機(jī)、寬機(jī)身客機(jī)的需要， 國(guó)外先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家又研制成 功了大推力、低耗油率、大流量比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。時(shí)至今日，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已是應(yīng)用數(shù)量最多、范 圍最廣和最有發(fā)展前景的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)扇葉片

2、是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與它的發(fā)展密切相關(guān)。 初期的風(fēng)扇葉片材料為鈦合金，具有實(shí)心、窄弦、帶阻尼凸臺(tái)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今，風(fēng)扇葉片在材料、結(jié)構(gòu) 方面已改進(jìn)許多。為了增強(qiáng)剛性，防止振動(dòng)或顫振，提高風(fēng)扇葉片的氣動(dòng)效率， 用寬弦結(jié)構(gòu)代表了窄弦、 帶阻尼凸臺(tái)結(jié)構(gòu)； 為了減輕重量， 用夾芯或空心結(jié)構(gòu)取代了實(shí)心結(jié)構(gòu)； 為了增大流量比， 提高大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑已增大到了3 242 mm風(fēng)扇葉尖速度已高達(dá)457m/s。而這些材料新、葉身長(zhǎng)、葉弦寬、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的風(fēng)扇葉片的成形工藝是非常復(fù)雜的。因此， 風(fēng)扇葉片的成形工藝始終是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。1 早期風(fēng)扇葉片早期風(fēng)扇

3、葉片為大尺寸實(shí)心結(jié)構(gòu)，為防止共振及顫振，它的葉身中部常帶有一個(gè) 阻尼凸臺(tái) (又稱(chēng)減振凸臺(tái) ) 。所有葉片的凸臺(tái)連成一環(huán)狀， 既增強(qiáng)了剛性又改變了葉片固有頻 率，減小了葉根彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。阻尼凸臺(tái)接合面噴涂有耐磨合金，當(dāng)葉片振動(dòng)時(shí)，接合面 相互摩擦可起阻尼作用。阻尼凸臺(tái)一般位于距葉根約整個(gè)葉片長(zhǎng)度的50%- 70觀。阻尼凸臺(tái)的存在帶來(lái)一系列問(wèn)題， 如：由于它的存在及它與葉身連接處的局部加厚， 使流道面積減 少約 2%，使空氣流量降低，造成氣流壓力損失，使壓氣機(jī)效率下降，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率增加； 增加了葉身重量，使葉片離心力負(fù)荷加大；使葉片制造工藝更加復(fù)雜。在有些風(fēng)扇葉片上， 為了增強(qiáng)抗外物撞擊損傷能力

4、，葉身上除了阻尼凸臺(tái)以外，還有較厚的加強(qiáng)筋。CFM56-3和CFM56-5發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑約 1 700 mm,風(fēng)扇葉片長(zhǎng)約 600 mm,由整體 鈦合金鍛件經(jīng)機(jī)械加工而成。 風(fēng)扇葉片毛坯先鐓鍛出葉根和阻尼凸臺(tái)， 經(jīng)預(yù)鍛成形，再精鍛、 切邊。 葉身成形可用數(shù)控銑、數(shù)控仿形磨、電解加工和拋光等工藝。隨著葉片批量生產(chǎn)的增 加，應(yīng)盡量采用精鍛法生產(chǎn)出鈦合金風(fēng)扇葉片的鍛坯， 以提高材料的利用率， 減少機(jī)械加工 工作量和提高風(fēng)扇葉片的使用壽命。 但生產(chǎn)這樣大的風(fēng)扇葉片精鍛毛坯， 需要使用昂貴的高 精度的萬(wàn)噸級(jí)機(jī)械壓力機(jī)或螺旋壓力機(jī)， 所需模具的尺寸大、 精度也高。因此，精鍛工序的 成本很高。 4 鈦合

5、金寬弦無(wú)凸臺(tái)空心風(fēng)扇葉片 5 高韌性環(huán)氧復(fù)合材料風(fēng)扇葉片2 第一代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片針對(duì)早期風(fēng)扇葉片存在的缺點(diǎn)，英國(guó)羅 *羅公司 80 年代首先研制成功了面板夾蜂窩芯 組成的寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片，即第一代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片，并在RB211-535E和V2500等發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。葉片弦長(zhǎng)比原來(lái)增加 40%左右，由于剛性增強(qiáng)，因而取消了凸臺(tái)。第一代寬弦無(wú)凸臺(tái) 風(fēng)扇葉片具有以下優(yōu)點(diǎn)： 采用寬弦葉片后， 轉(zhuǎn)子葉片數(shù)量減少了 1/3 ，轉(zhuǎn)子重量一般可減輕 10%- 30%；蜂窩芯結(jié)構(gòu)還可改善葉片的減振特性；與帶阻尼凸臺(tái)的窄弦風(fēng)扇葉片相比，葉柵通道面積 加大，喘振裕度變寬，級(jí)效率提高，壽命增加。第一代寬弦無(wú)凸

6、臺(tái)風(fēng)扇葉片制造的主要工序如圖1 所示。葉背、葉盆面板用鈦合金(Ti-6Al-4V) 熱軋板材，經(jīng)精鍛或等溫鍛成形?；姵ノ廴緦?，并將面板腐蝕成設(shè)計(jì)要求的氣 動(dòng)外形和相應(yīng)的內(nèi)腔。 夾芯蜂窩塊用鈦合金箔板輥壓成波紋板， 再用電阻焊焊接而成， 然后將兩面板和夾芯蜂窩塊采用活性擴(kuò)散焊將其焊成整體結(jié)構(gòu)。葉片的外型面還要在數(shù)控銑床上精加工。經(jīng)破壞性試驗(yàn)證明，活性擴(kuò)散連接性能很好，連接處從未開(kāi)裂。風(fēng)扇葉片投入使用前，還經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的投鳥(niǎo)考核試驗(yàn)。V2500發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中曾遭受多次巨鳥(niǎo)的撞擊事件，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然安全無(wú)恙，這充分證明了這種風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是非常成功的。柜曲和怡醴帶代悅強(qiáng)兀hflx廠If!

7、p咖刑巧Iwww.81tecrwEtili第一代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片的主要制造工序Fig.1Main process for the first gen erati onwide chord lobe free fan blade3第二代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片用超塑成形/擴(kuò)散連接組合工藝制成的風(fēng)扇葉片，即羅.羅公司的第二代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片，它的芯部用建筑物上常用的三角形桁架結(jié)構(gòu)取代了第一代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片的蜂窩芯 板。這種三角形桁架結(jié)構(gòu)不僅輕，而且能參與承力，每片葉片重量比蜂窩芯風(fēng)扇葉片少15%。這種風(fēng)扇葉片已用于 A330和波音777飛機(jī)的遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)上。該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑為2 794 mm,

8、風(fēng)扇葉片速度為 457 m/s，每個(gè)葉片重9 kg，氣動(dòng)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)均處于當(dāng)今世界先進(jìn)水平。第二代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片采用三層板超塑成形/擴(kuò)散連接組合成形工藝，其工藝過(guò)程見(jiàn)圖2。首先在中間芯板上按一定圖形噴涂止焊劑。其次將芯板與兩層面板用氬弧焊焊接縫邊（留有進(jìn)氣口），將焊好的三層板放入葉片型面的模具內(nèi)，連同模具一起放入帶有加熱系統(tǒng)的壓氣機(jī)內(nèi)。當(dāng)加熱至超塑成形/擴(kuò)散連接溫度（鈦合金為920 C）時(shí)，向模內(nèi)吹入一定壓力的氬氣（1.52MPa），然后保溫、保壓，使三層板在各預(yù)定部位和周邊（無(wú)止焊劑部位）進(jìn)行擴(kuò)散連接。連接完成后，再向三層板內(nèi)吹入一定壓力的氬氣進(jìn)行超塑成形，兩層面板在超塑狀態(tài)下進(jìn)行拉伸

9、和扭曲變形，中間芯板延展變形，形成格形結(jié)構(gòu)。在向三層板內(nèi)吹入氬氣時(shí)，模內(nèi)氬氣應(yīng)逐漸排岀。板材 完全貼模成形后，隨爐冷卻。最后取岀葉片進(jìn)行表面化銑，數(shù)控加工葉根、葉型邊緣，經(jīng)終檢后 得到成品。圖2第二代寬弦無(wú)凸臺(tái)風(fēng)扇葉片的制造工藝過(guò)程Fig.2 Process of the sec ond gen erati onwide chord lobe_free fan blade美國(guó)普惠公司在制造鈦合金寬弦無(wú)凸臺(tái)空心風(fēng)扇葉片時(shí)，采用了超塑成形/擴(kuò)散連接工藝。其制造過(guò)程如圖3所示。葉身由機(jī)械加工銑削成帶肋的兩半片對(duì)稱(chēng)的扁平葉身，將兩半葉身在平板狀態(tài)下放入模具內(nèi)，用擴(kuò)散連接方法將兩半扁平葉身面對(duì)面焊成一體

10、，再用超塑成形工藝使葉片成形。成形過(guò)程分成兩步：第1步先將葉片毛坯放在一個(gè)形狀與葉片成品相似的夾具內(nèi)，并將它放入真空爐內(nèi)加熱至超塑狀態(tài)，毛坯在重力作用下附在夾具上，使葉片扭度達(dá)到要求值的90%第2步再將葉片放入最終成形模內(nèi)，向葉片內(nèi)吹入一定壓力的氬氣，在超塑狀態(tài)下，使葉 片100%貼模。最后取岀成形的葉片，數(shù)控加工葉根。記©at訪t眸巨家0圖3鈦合金寬弦無(wú)凸臺(tái)空心風(fēng)扇葉片的制造工藝過(guò)程Fig.3 Process of Ti alloy wide chordlobe-free hollow fan blade普惠公司應(yīng)用這一方法已制造岀F119發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)風(fēng)扇葉片和波音777飛機(jī)的PW

11、4084發(fā)動(dòng)機(jī)的大型風(fēng)扇葉片。其中，PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑為2 849 mm風(fēng)扇葉尖速度達(dá) 387 m/s。美國(guó)通用電氣公司在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)上，用高韌性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料代替鈦合金制成了當(dāng)今世界上最大的風(fēng)扇葉片。該風(fēng)扇葉高1.1 m，弦長(zhǎng)0.61 m，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子直徑3 242 mm，風(fēng)扇葉尖速度360390 m/s。設(shè)計(jì)和制造這種風(fēng)扇葉片是冒很大技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的。為提高葉片抗分層性能 和抗剪強(qiáng)度，通用電氣公司發(fā)展了一種稱(chēng)之為大力神8551 - 7/ IM7的增韌環(huán)氧/石墨纖維。在環(huán)氧中加入卡芙拉（kevlar）微粒。用模壓成形法制造樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的工藝過(guò)程如下：首先用模板法或沖模法截取各

12、個(gè)鋪層，由于每個(gè)鋪層尺寸大小不一，可用計(jì)算機(jī)放樣技術(shù)來(lái)確定它的尺寸。再將不同鋪層以一定順序裝在模具上，按給定工藝參數(shù)進(jìn)行固化。脫模后對(duì)葉片進(jìn)行加工、去毛刺、修整和鉆孔，按順序在葉片前緣鋪上膠膜、絲網(wǎng)和裝配完金屬保護(hù)板后，在一定工 藝條件下加熱、加壓固化。最后脫模修整后，對(duì)葉片表面進(jìn)行噴砂處理，打底漆，并涂上0.20.25 mm厚的聚氨酯涂料，待其干燥固化后，即得到帶有前緣保護(hù)的實(shí)心復(fù)合材料葉片。用高韌環(huán)氧復(fù)合材料制造的風(fēng)扇葉片比鈦合金夾芯結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇葉片輕3 184 g。在抗振特別是抗顫振性能方面也優(yōu)于鈦合金，抗鳥(niǎo)擊能力和低噪音指標(biāo)也獲得適航當(dāng)局的合格批準(zhǔn)。裝高韌環(huán)氧復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)已裝于波音 777飛機(jī)，并在1995年投入航線運(yùn)營(yíng)使用。6金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片美國(guó)普惠公司正在研制連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。這種用超塑成 形/擴(kuò)散連接工藝制成的重量輕、剛性好、耐撞擊破壞強(qiáng)度高的空心風(fēng)扇葉片可使發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇級(jí) 再減重約14%o金屬基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造過(guò)程如下：首先將碳化硅纖維（SCS-6）和鈦合金仃i-6AI-4V）制成鈦面板，經(jīng) X射線、超聲波、金相和尺寸檢查合格后將它加工成楔形板，再用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝將它制成成形板；然后對(duì)