整体叶环的设计加工制造技术
整体叶环在整体叶盘的基础上发展起来的。整体叶环结构是采用先进的连接工艺将叶片和盘制造成一体，省去常规的叶盘联接的榫头和榫槽的一种结构。 将整体叶盘中的轮盘部分去掉，就成为整体叶环；由于缺少了承受负荷的轮盘，整体叶环承受不了叶片的离心负荷，因此，整体叶环只能用密度较小的复合材料来制造。 目前，正在研制的整体叶环是用连续单根碳化硅（SiC）长纤维增强的钛基复合材料（TiMMC）制造的，具有强度高、使用温度高及疲劳和蠕变性能好的优点。 TiMMC整体叶环代替压气机盘， 不仅可以扩大压气机的设计范围，而且可大幅度减轻重量，与常规轮盘和叶片结构相比，整体叶盘能减轻30％的重量，而整体叶环能减轻70％的重量。整体叶环结构材料的选择 碳化硅连续纤维增强钛基复合材料将基体钛合金的塑性和成形性与增强体SiC纤维的优越承载能力和刚性结合起来，具有单一合金所没有的优良的综合性能，具有比强度高、比刚度高、良好的耐高温及抗蠕变、疲劳性能等优点，是理想的适用于高推重比 （15~20）中高温（600~800℃）的航空发动机用轻质耐高温结构材料。 由于在高温下沿纤维方向具有很高的比强度和比刚度，单长丝增强的复合材料应用于航空涡扇发动机部件上的优势明显，连续单根碳化硅长丝增强的TiMMC是制造整体叶环的理想材料。通常发动机的低温部件，如轴和机匣以及低压转子等采用单长丝增强的TiMMC制造，而高温涡轮部件则用单长丝增强的金属间化合物基复合材料制造。目前阻碍纤维钛合金大量进人空间技术市场的主要原因是材料制造工艺复杂和价格昂贵。在它的发展过程中，高强度高模量连续碳化硅粗纤维的出现，起到了很大的推动作用。 1 增强纤维 TiMMC力学性能与SiC纤维的性能与含量、基体钛合金的性能、制备工艺及纤维／基体的界面状态有很大关系。 美国Textron公司生产的SCS-6纤维具有较高的抗氧化能力和较好的组织结构稳定性，是目前钛基复合材料最理想的增强体。其性能参数见表1，它是一种直径约为140μm的连续碳化硅纤维（碳芯），外表面存在富碳层（约3μm厚），其内SiC呈现非化学计量成分和非晶态，并在距外表面约1.5μm处硅含量出现峰值。表面层的这种结构特征使得SCS-6纤维不仅与钛基体有良好的相容性，而且经高温复合固结处理后强度无大的变化。 2 基体钛合金 钛的密度为4.5g/cm3，仅为钢的56%，满足航空产品对材料质轻的需求；钛合金的拉伸强度为500~1400MPa，比Al、Mg合金高得多；并且钛合金的高温性能优越，能在550℃高温下长期工作而保持性能不变，钛的蕴藏量是铜的10倍，是继铁、铝之后的“第三金属”。它资源丰富，但是其工业生产仅有60多年，与具有百年历史的铝、镁相比，被形象地称为“婴儿金属”。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。 由于不同的钛合金会在不同的温度区间显示出其最佳性能，因此，在发动机的设计中应根据发动机零件的使用温度选择适合的钛合金，以保证发动机的安全运行。常用的Ti-6Al-4V能在350℃下长期工作，因此在发动机风扇和低压压气机部位可用Ti-6Al-4V等合金，TC11能在500℃下长期工作， 在发动机的高压压气机部位可使用TC11等合金。1.叶环制造技术 20世纪90年代初，AADC公司设计制造的TiMMC整体叶环的制造工艺是：首先采用普通的钛合金锻造成毛坯，然后加工出叶片，并在环内侧加工出V环槽，在槽内装入由碳化硅纤维增强的钛合金插入件，并用普通钛合金覆盖在插件上，再进行热等静压，使之复合成一体。在IHPTET计划第2阶段中采用高温钛合金Ti1100制造的整体叶环结构，其制造技术尚未见资料报道，估计采用锻坯加多坐标数控加工电解加工技术制造。Greg Muschlitz等人在NAVAIR 某项阶段总结报告中给出的Bling复合结构的制造过程如图3所示：首先采用钛合金锻造成毛坯，在环内侧加工出环槽，将预先制成的TiMMC复合材料环装入槽内，并用普通钛合金覆盖在复合材料环上，再进行热等静压固结，使之复合成一体，最后通过机械加工得到整体叶环。2复合材料环的制备 纤维增强钛基复合材料制造工艺仍存在着相当大的困难。关键问题是如何使活性大的钛基体与纤维的作用时间短，即如何使纤维暴露在高温钛基体中的时间短。通常制备纤维增强钛基复合材料环的预制体主要工艺有：箔-纤维-箔（FFF），涂敷基体的预制带（MCM）和基体涂敷的纤维（MCF）等工艺。但是，制备工艺的高成本是上述工艺遇到的最大阻碍。 英国牛津先进材料及复合材料中心（OCAMAC）研究用等离子喷涂法制造复合材料单向带，将Ti-6Al-4V合金喷涂在缠绕的单层SiC纤维上，然后切割、铺层并在真空下热压成试件。在喷涂状态下钛与纤维无界面反应，而且固结时纤维只有少量收缩，固结后的界面反应与目前现有的一些铺层及固结方法相当。 日本A.Kono等人新开发了比较经济的制造工艺方法有纤维缠绕与喷涂工艺和基体涂覆单丝带工艺，制造了碳化硅纤维（SCS-6）增强的钛基（Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo）复合材料环。 目前正在研究的复合材料环的预制体制造技术是一种用单长丝缠绕基复合材料结构的制造技术。单长丝增强的复合材料在高温下在沿纤维方向具有很高的比强度和比刚度。用单根长丝增强的钛合金基复合材料制造的整体叶环是用直径约为140 m、长度为10km以上的SiC连续长丝在钛合金基体上缠绕成形而成。所用的长丝是在钨丝或未拧成丝束的单根碳纤维外表面用化学气相沉积工艺沉积一层硼化硅或碳化硅陶瓷，再将数根碳化硅纤维拧成纤维束制成连续的长丝。 整体叶环结构的应用 连续纤维增强的MMC整体叶环结构得到了世界航空发动机设计与制造商的高度关注和大力开发。 美国连续纤维增强的MMC在压气机整体叶环上的应用研究工作始于20世纪80年代。美国空军、加雷特公司、AADC公司、GEAE公司和P·W公司在可行性研究、制造工艺、试验验证等方面开展了大量的工作。 20世纪90年代初，在IHPTET研究计划下，AADC公司设计和试验了XTC-16系列核心机4级压气机的第3和第4级采用碳化硅增强的TiMMC整体叶环。该整体叶环转子的质量大大减轻，如第3级整体叶环转子的质量只有4.5kg左右，而常规镍基合金制造的同样转子的实际质量为25kg。 20世纪90年代中期，在IHPTET研究计划下，GEAE公司开发和验证了TiMMC压气机整体叶环。该公司和AADC公司合作研制的ATEGG验证机XTC76／2核心机5级高压压气机采用外圈增强的MMC的压气机转子，满足了高转速和高温的要求，减轻了盘的质量，降低了制造费用，改善了可维护性。IHPTET计划第二阶段在验证机高压压气机上采用了TMC整体叶环技术。IHPTET计划第三阶段中将验证的整体叶环的叶片材料是γ钛铝金属间化合物，鼓为碳化硅纤维增强的钛金属基复合材料，用黏结工艺制成，其重量只有常规金属材料盘鼓结构的30%。 欧洲国家的航空发动机公司从20世纪90年代开始研究高强度、大刚性、小密度的SiC纤维增强的钛合金基复合材料的整体叶环转子。德国MTU公司开发的碳化硅纤维增强的TiMMC整体叶环转子，已完成了低循环疲劳旋转试验，计划应用到推重比达到15~20的EJ200改进型发动机的前2级高压压气机上。罗·罗公司为F136发动机研究的升力风扇整体叶盘结构最终将被整体叶环结构代替。法国SNECMA公司也采用基体涂覆纤维的方法制造了SiC纤维增强的钛合金基复合材料压气机整体叶环插件。 日本在1993年启动的先进材料燃气发生器（AMG）研制计划中，采用热压和热等静压方法加工了高压压气机钛基复合材料整体叶环，并成功地完成了破裂试验和循环寿命旋转地坑试验，验证了其破裂强度和目标寿命。日本在1999年启动的下一代超声速运输机环保推进系统研制（ESPR）计划下，开发并验证了采用基体涂覆单丝带工艺加工的碳化硅纤维（SCS-6）增强的钛基（SP-700）复合材料风扇整体叶环转子。 结束语 目前，整体叶环制造工艺的不成熟，碳化硅纤维高昂的制造成本及叶片损伤后不易修复等因素是阻碍整体叶环结构发展的主要因素，但随着材料技术的不断发展，科技的不断进步，整体叶环等新颖的轻质结构必将在未来航空发动机中有广泛的应用。国外已经开展了整体叶环的相关研究工作，并已应用在低压压气机中；我国整体叶环的研究工作才刚刚开始，与国外存在较大的差距，对此我们必须采取分期计划、分步实施的研究方式，开展零件设计、材料研制及应用技术研究三者相结合的系统性研究。转自“航空制造网”微信公众号
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