整体叶盘制造技术.doc

新材料构件制造技术出现较大突破
推重比15-20一级的航空发动机要求材料具有高温、高强度、高韧性等特性。金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料是当前高温复合材料领域开发和应用研究的热点。与其同时进行的高温复合材料构件制造技术正在深入地发展。
金属基复合材料构件制造技术
SiC长纤维增强Ti基复合材料(TiMMC)具有比强度高、比刚度高，使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点，例如德国研制的SCS-6SiC/IMI834复合材料的抗拉强度高达2200MPa，刚度达220GPa，而且具有极为优异的热稳定性，700℃热暴露2000小时后，力学性能不降低。TiMMC叶环代替压气机盘，可使压气机的结构重量减轻70%。美国制备的TiMMC叶环已在P&W的XTC-65IHPTET验证机上成功地进行了验证，能够满足性能要求。英、法、德也研制了TiMMC叶环，并成功进行了台架试验。未来发动机的低压压气机叶片和静子叶片、整体叶环、机匣及涡轮轴将广泛采用金属基复合材料制造。
TiMMC关键制造技术：
纤维涂层法：用物理气相沉积(PVD)将钛合金预涂在增强纤维上，然后将带涂层的纤维堆放在一起，经热压或热等静压成形。适合于制备复杂形状的零件，如环、盘、管、轴、叶片等。
等离子喷涂法：用等离子喷涂法将钛合金粉末喷涂到预先缠绕在滚筒上的纤维上，然后取下单层复合材料薄带、切割、堆积、热压或热等静压成形。这种方法难于制备出连续的单层复合材料薄带。不适于制备叶环等需要连续纤维的构件。
浆料带铸造法：将合金粉末和有机粘接剂混合并涂在平行排列的纤维上作为前驱体，多层叠放并经热压或热等静压成形。在成形前用真空除气法去除有机粘接剂。这种方法简单易行，但钛合金粉末中较高的氧含量，对钛合金的性能极为不利；有机粘接剂造成污染；有机粘接剂去除后纤维的移动导致复合材料纤维分布不均匀。
箔--纤维法：纤维逐根用金属丝或带交叉编织，或用有机粘接剂将纤维固定在钛合金箔上，将钛合金箔与编织好的纤维逐层叠放，经热压或热等静压成形。这种方法微观组织可控，化学成分准确，杂质含量低，但钛合金箔(通常70～100μm)价格贵，纤维分布不均匀，易产生开裂，复杂形状零件制造困难。
轻量化、整体化、新型冷却结构制造技术向低成本、高效率
方向发展
1．1整体叶盘制造技术
在第四代战斗机的动力装置推重比10发动机F119和EJ200发动机上，风扇、压气机和涡轮采用整体叶盘结构，可减轻重量30%。其制造方法目前了解到的大约有10种方法，有电子束焊接法；扩散焊接法；线性摩擦焊接法；五坐标数控铣削加工或电解加工法；还有“锻接法”制造整体涡轮盘，将单晶精铸叶片直接连接到锻造涡轮盘的轮缘上；钛合金整体叶盘采用热等静压法将钛合金粉末与精锻叶片复合成形为整体叶盘；高温合金整体叶盘采用热等静压法将粉末高温合金盘和精铸叶片扩散连接为整体叶盘。
在推重比15-20高性能发动机上，拟采用SiC陶瓷基复合材料或抗氧化C/C复合材料制造整体涡轮盘。
1.2整体叶环(无盘转子)制造技术
在推重比15-20高性能发动机上压气机采用整体叶环，由于采用复合材料，叶片减轻，可以直接固定在承力环上，从而取消了轮盘，可使结构重量减轻70%。
目前正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅长纤维增强的钛基复合材料制造的。
1.3树脂基复合材料构件制造技术
树脂基复合材料(PMC)已广泛用于高性能发动机的低温静止部件，如F119发动机的进气道机匣、外涵道筒体、中介机匣。至今成功应用的PMC复合材料有PMR-15(热固性聚酰亚胺)，及其发展型、Avimid(热固性聚酰亚胺)AFR700等。最高耐热温度290～371℃。2020年前的目标是研制在425℃下仍具有热氧化稳定性的新型树脂及其复合材料。树脂基复合材料构件的制造技术有热压罐成形、模压成形、树脂转移模成形和缠绕成形，铺层过程已实现自动化，采用自动化纤维铺放，激光定位，自动剪裁技术。
1.4宽弦风扇叶片制造技术
宽弦、无凸台、空心叶片是高性能发动机风扇和第一级压气机叶片的发展方向。推重比10一级发动机F119、EJ200均采用了宽弦风扇叶片。GE公司的GE90，推重比15-20高性能发动机都采用复合材料风扇叶片。

F119推重比10发动机采用了钛合金风扇叶片，用切削加工方法把钛合金毛坯加工成两半叶片，用真空扩散焊成一整体空心平板叶身，用超塑成型至最终叶型。
GE90复合材料风扇叶片，用石墨纤维/增韧环氧树脂预浸带用7轴CNC自动缠绕机缠绕成叶片。
推重比15-20高性能发动机采用金属基复合材料风扇叶片，由连续碳化硅纤维增强的钛金属基复合材料(TiMMC)，用超塑成形/扩散连接工艺制出空心风扇叶片。