航天航天工業(yè)關(guān)鍵加工技術(shù)

高性能航空動(dòng)力裝置研發(fā)有三難：設(shè)計(jì)難、材料難和制造難。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件要在高溫、高壓且高轉(zhuǎn)速條件下工作上萬小時(shí)，還要保證高可靠性，這不僅對設(shè)計(jì)，而且對材料和制造提出了近乎苛刻的要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域包括鑄造、鍛造、焊接、機(jī)械加工、特種加工和表面處理等制造工藝。除通用機(jī)械加工制造技術(shù)之外，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造特別關(guān)注以下4大關(guān)鍵技術(shù)。

一、毛坯精密成型技術(shù)

毛坯在設(shè)計(jì)制造前，結(jié)構(gòu)工程師與冷、熱工藝師充分溝通，確定最優(yōu)毛坯形狀，局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)近凈成型，提高材料利用率，減少機(jī)械加工余量，縮短加工周期。常用的毛坯精密成型制造技術(shù)主要包括以下5種。

精密鑄造

將固態(tài)金屬加熱熔化，澆注到成型模殼中，使其凝固成鑄件毛坯的加工方法。目前渦輪葉片廣泛采用精密鑄造技術(shù)，其流道面均為無余量鑄造，流道面輪廓度 ±0.2 毫米。

砂型鑄造

精密鍛造

在壓力機(jī)上通過施加壓力使原材料在模具內(nèi)發(fā)生塑性變形，從而獲得少余量甚至是無余量的精密鍛件的加工方法。該工藝在壓氣機(jī)葉片上得到了廣泛的運(yùn)用，可以提高材料利用率并減少或免去機(jī)械加工。目前精鍛葉片葉身采用無余量鍛造，材料利用率達(dá)到 80%。

精密旋壓

通過高速旋轉(zhuǎn)并施加一定壓力將板材或預(yù)先成型的環(huán)形毛坯加工成薄壁空心回轉(zhuǎn)體的加工方法。目前在整流罩、燃燒室錐體、壓氣機(jī)外殼等零件上得到廣泛運(yùn)用。目前熱旋可實(shí)現(xiàn)1～2毫米余量控制，冷旋可實(shí)現(xiàn)±0.2毫米余量控制。

粉末冶金

采用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）經(jīng)過燒結(jié)和成型工藝制成材料和制品的工藝技術(shù)。該工藝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域主要用于制造渦輪盤等承受高溫、高載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)件。

粉末冶金流程圖

快速成型

將復(fù)雜的三維零件分解成多層簡單的二維結(jié)構(gòu)，通過制造簡單的二維結(jié)構(gòu)重構(gòu)復(fù)雜的三維零件，這是一個(gè)從“復(fù)雜”到“簡單”，再到“復(fù)雜”的過程。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的燃油噴嘴采用的就是快速成型技術(shù)。

二、特種加工技術(shù)

特種加工（有時(shí)也稱為非傳統(tǒng)加工），是指在加工過程中不需要比工件更硬的工具，也不需要施加明顯的機(jī)械力，而是直接利用電能、熱能、化學(xué)能、光能或它們的組合，使工件材料被去除或改變性能，達(dá)到所需的形狀、尺寸和表面質(zhì)量要求。目前常用的特種加工技術(shù)主要包括以下6種。

電火花加工

通過工件和工具電極間的放電而有控制地去除工件材料及使材料變形、改變性能的特種加工。目前渦輪導(dǎo)向葉片上的氣膜孔多采用電火花小孔成型加工，壓氣機(jī)靜子葉片扇形段也采用電火花線切割加工。

電火花加工原理圖

電化學(xué)加工

通過電化學(xué)反應(yīng)去除工件材料的特種加工。一些難加工材料，如高溫合金整體葉盤，傳統(tǒng)加工比較難實(shí)現(xiàn)，可以采用電解加工技術(shù)加工。

高能束流加工

利用能量密度很高的激光束、電子束或離子束等去除或連接工件材料，其中激光束加工主要可以用來打孔、切割、焊接和標(biāo)印等，飛秒激光打孔是渦輪葉片上氣膜孔加工的方法之一。

磨粒流

利用含磨料的半流動(dòng)狀態(tài)的黏彈性磨料介質(zhì)，在一定壓力下強(qiáng)迫其在被加工表面上流過，由磨料顆粒的刮削作用去除工件表面微觀不平的材料，從而達(dá)到表面拋光或去毛刺的目的。磨粒流技術(shù)已在整體閉式葉盤上應(yīng)用。

磨粒流加工示意圖

振動(dòng)光飾

將工件、磨料、水和化學(xué)添加劑按一定配方放進(jìn)容器中，依靠容器的規(guī)律性振動(dòng)，使磨料和工件產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，相互摩擦，把凸出于工件表面和周邊的毛刺磨掉，并使工件銳邊倒圓和表面拋光。它是一種高效的表面光整加工技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用在高疲勞強(qiáng)度的零件上。

磨料水射流加工

以高速水流為載體帶動(dòng)高速且集中的磨料流沖擊被加工表面，實(shí)現(xiàn)對材料有規(guī)律和可控制的去除過程。由于其無切割熱變形、可切割任何材料、切割方向的高柔性和很小的切削力等特點(diǎn)，被廣泛用于陶瓷和增強(qiáng)型復(fù)合材料等難加工的材料上。

三、先進(jìn)的焊接技術(shù)

焊接是一種優(yōu)質(zhì)高效的連接金屬材料的工藝方法，屬于低成本的先進(jìn)結(jié)構(gòu)制造工藝技術(shù)，也是先進(jìn)制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。常用的焊接技術(shù)主要包括以下4種。

電子束焊

采用高速、高能量密度的電子束流作為熱源進(jìn)行焊接的工藝。具有深寬比大、焊接殘余變形小、焊接工藝參數(shù)容易實(shí)現(xiàn)精確控制、在真空環(huán)境下焊縫純凈、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。這些優(yōu)勢是其他熔焊方法難以比擬的，因而廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)整體轉(zhuǎn)子、機(jī)匣和軸等重要結(jié)構(gòu)的焊接。

電子束焊

慣性摩擦焊

固相焊接的一種，通過待焊材料之間的摩擦產(chǎn)生熱量，在頂鍛力的作用下使材料發(fā)生塑性變形和流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)材料的連接。具有焊接接頭質(zhì)量好、尺寸精度高、異種材料連接效果好等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇盤、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子組件及高壓渦輪盤軸組件連接的主要焊接工藝。

釬焊

在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下加熱待焊材料，通過液態(tài)釬料填充間隙從而實(shí)現(xiàn)連接的方法。具有對母材性能和組織影響較小、焊接變形較小等特點(diǎn)。適用于多種材料和結(jié)構(gòu)，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、渦輪葉片、壓氣機(jī)葉片和燃燒室部件等。對于一些復(fù)雜構(gòu)件來說，釬焊是唯一可行的連接方法。

釬焊示意圖

氬弧焊

在惰性氣體保護(hù)下，利用電極與待焊材料間產(chǎn)生的電弧熔化待焊材料和填充材料，從而實(shí)現(xiàn)連接的方法。在便攜性和成本方面具有很大的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和燃燒室等的焊接。

四、表面處理技術(shù)

為了改善零部件的表面狀態(tài)，滿足零部件耐腐蝕、耐磨、耐氧化和耐高溫等特殊功能性要求，提高零部件的服役壽命等，需要對零部件進(jìn)行表面處理。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的表面處理技術(shù)主要包括化學(xué)處理、表面強(qiáng)化和涂層技術(shù)。

化學(xué)處理

通過腐蝕、電鍍、陽極化、化學(xué)清洗等化學(xué)處理手段，改善材料表面狀態(tài)的一種表面改性工藝。

等離子噴涂

表面強(qiáng)化

通過表層塑性變形，在零件表面形成高殘余應(yīng)力，提高表面應(yīng)力集中的“冷變形”工藝。主要用于整體葉盤的表面噴丸強(qiáng)化。

涂層

根據(jù)不同用途，可分為封嚴(yán)、耐磨、熱障等涂層，其中封嚴(yán)涂層可用于機(jī)匣組件，耐磨涂層可用于軸類零件，熱障涂層可用于渦輪葉片。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件可以說是相當(dāng)“遭罪”了，單就渦輪葉片來說，工作溫度可以達(dá)到 1700℃——這是比鐵的熔點(diǎn)還要高近150℃的溫度！

審核編輯 ：李倩