國外高性能航空發動機製造技術發展趨勢www.tool-tool.com

國外高性能航空發動機製造技術發展趨勢

高 性能發動機在新材料結構、新結構方面具有顯著的特點，並且突破了傳統的設計觀念，由設計— 材料— 製造3 位一體實現高性能發動機的性能要求，材料和製造技術的貢獻率為50 % ～ 70% 。美國國防部1988 年在“ 綜合高性能渦輪發動機技術（ IHPTET ） ” 計劃中提出了高推重比、高性能發動機結構質量減輕50% ，推重比提高100% 的發展目標。

（ 1 ）風扇由3 級減為1 級，葉片為帶彎掠的空心結構，可減重30% ；

（ 2 ）壓氣機由9 級減為3 級，轉子為整體葉環結構，由鈦基複合材料製成，與傳統結構相比，可減輕質量70% ；

（ 3 ）燃燒室火焰筒材料由耐熱合金改為陶瓷基複合材料；

（ 4 ）高低壓渦輪均為單級的對轉結構，在仍採用金屬材料的條件下，整體葉盤結構可減重30% ；最終擬採用陶瓷基複合材料或抗氧化的碳/ 碳（ C /C ）複合材料，渦輪前溫度高達2200K 以上； 2=lI??TIEJ

（ 5 ）由於渦輪進口溫度很高，即使按下限2200K 計算，發動機單位推力也比F100 高70% ～ 80% ，因而新發動機也可能不採用加力燃燒室；

（ 6 ）尾噴管將採用固定結構的射流控制全方位矢量噴管。

綜上所述，高性能航空發動機製造技術呈現以下發展趨勢：

（ 1 ）輕量化、整體化、新型冷卻結構製造技術向低成本、高效率方向發展；

（ 2 ）新材料構件製造技術出現較大突破；

（ 3 ）新工藝技術成為現代航空發動機發展的重大關鍵製造技術，並得到廣泛應用；

（ 4 ）在傳統製造技術基礎上發展起來的先進製造技術已成為支撐現代製造業的骨架和核心，以信息化帶動傳統製造業，企業信息化工程得到長足發展。

1 輕量化、整體化、新型冷卻結構製造技術向低成本、高效率方向發展

1.1 整體葉盤製造技術

在 第四代戰鬥機的動力裝置推重比10 發動機F119 和EJ200 上，風扇、壓氣機和渦輪採用整體葉盤結構，可減重30% ，其製造方法目前了解到大約有8 種：電子束焊接法；擴散連接法；線性摩擦焊接法；五坐標數控銑削加工或電解加工法；鍛接法製造整體渦輪盤後將單晶精鑄葉片直接連接到鍛造渦輪盤的輪緣上； 鈦合金整體葉盤採用熱等靜壓法將鈦合金粉末與精鍛葉片複合成形為整體葉盤；高溫合金整體葉盤採用熱等靜壓法將粉末高溫合金盤和精鑄葉片擴散連接為整體葉 盤。

1.2 整體葉環（無盤轉子）製造技術9?yJ?K?ju?

目前正在研製的整體葉環是用連 續單根碳化矽長纖維增強的鈦基複合材料製造的。在推重比15 ～ 20 高性能發動機上的壓氣機擬採用整體葉環，由於採用複合材料，葉片減輕，可以直接固定在承力環上，從而取消了輪盤，使結構質量減輕70% 。1.3 樹脂基複合材料構件製造技術?IfT?8+?l#

2020 年前的目標是研製出在425℃ 溫度下仍具有熱穩定性的新型樹脂及其複合材料。最高耐熱溫度為290 ～ 371℃ 。樹脂基複合材料已廣泛用於高性能發動機的低溫部件，如F119 發動機的進氣道機匣、外涵道筒體、中介機匣，至今成功應用的樹脂基複合材料有PMR-15 （熱固性聚酰亞胺）及其發展型、 Avimid （熱固性聚酰亞胺） AFR700 等。

1.4 寬弦風扇葉片製造技術

推重比10 一級發動機F119 ， EJ200 均採用了寬弦風扇葉片， GE 公司的GE90 ，推重比15 ～ 20 高性能發動機都採用複合材料風扇葉片。 寬弦、無凸台、空心葉片是高性能發動機風扇和第一級壓氣機葉片的發展方向。

1.5 複合冷卻層板結構製造技術

多 孔複合冷卻層板結構是推重比10 以上發動機採用的先進冷卻結構，多用於燃燒室和渦輪葉片，它是一種帶有復雜冷卻迴路的多孔層板，用擴散連接方法連接成形的冷卻結構，其關鍵製造技術是計算 機輔助設計和繪製複雜冷卻迴路，用“ 照相- 電解法” 製成冷卻迴路，擴散連接成多層多孔層板。

2 新材料構件製造技術出現較大突破

高性能發動機擬採用很多種類的新材料和新材料構件，尤其是金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、碳/ 碳複合材料是當前高溫複合材料領域開發和應用研究的熱點。推重比15 ～ 20 一級的航空發動機要求材料具有耐高溫、高強度、高韌性等特性。

2.1 金屬基複合材料構件製造技術

例如德國研製的SCS-6 SiC 長纖維增強Ti 基複合材料（ TiMMC ）具有比強度高、比剛度高，使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優點。

美 國製備的TiMMC 葉環已在P&W 的XTC-65 IHPTET 驗證機上成功地進行了驗證，能夠滿足性能要求。TiMMC 葉環代替壓氣機盤，可使壓氣機的結構質量減輕70% 。SiC/IMI834 複合材料的抗拉強度高達2200MPa ，剛度達220GPa ，而且具有極為優異的熱穩定性，在700℃ 溫度暴露2000h 後，力學性能不降低。

用物理氣相沉積（ PVD ）將鈦合金預塗在增強纖維上，然後將帶塗層的纖維鋪放在一起，經熱壓或熱等靜壓成形。（ 1 ）纖維塗層法。

這種方法難於製備出連續的單層複合材料薄帶，不適於製備葉環等需要連續纖維的構件。用等離子噴塗法將鈦合金粉末噴塗到預先纏繞在滾筒的纖維上，然後取下單層複合材料薄帶，進行切割、鋪疊、熱壓或熱等靜壓成形。（ 2 ）等離子噴塗法。

在成形前用真空除氣法去除有機粘接劑。將合金粉末和有機粘接劑混合併塗在平行排列的纖維上作為前驅體，多層疊放並經熱壓或熱等靜壓成形。（ 3 ）漿料帶鑄造法。

纖維逐根用金屬絲或帶交叉編織，或用有機粘接劑將纖維固定在鈦合金箔上，將鈦合金箔與編織好的纖維逐層疊放，經熱壓或熱等靜壓成形。（ 4 ）箔- 纖維法。

2.2 陶瓷基複合材料構件製造技術

複 合材料的製造方法有化學氣相浸透法（ CVI ）、先驅體浸滲熱解（ PIP ）、反應性熔體滲透（ RMI ）、反應燒結（ RS ）、熱壓燒結（ HPS ）等方法。SiC 基CMC 的關鍵製造技術包括纖維預製件的設計和製造、 SiC 基體的緻密化技術、纖維與基體間界面層和復合材料表面防氧化塗層的設計與製造以及構件的精密加工等。此外，美國在“IHPTET” 第二階段計劃（ 1991 ～ 2000 年）中還研製了多種SiC 基CMC 構件，如整體燃燒室、導向葉片、渦輪轉子和整體導向器，在第三階段計劃中，將重點應用考核整體燃燒室和整體渦輪等構件。結果表明， SiC 基CMC 構件在航空發動機的中等載荷靜止件上演示驗證成功。美、英、法等發達國家以推重比9 ～ 10 發動機（如F119,EJ200,F414 等）作為CMC 的演示驗證平台，主要演示驗證的部件有SiC 基CMC 的燃燒室、渦輪外環、火焰穩定器、矢量噴管調節片和密封片等。CMC 的應用使發動機大幅度減重，節約冷卻氣或無需冷卻，從而確保發動機高推重比的有關性能。C/SiC 和SiC/SiC 的密度分別為1.8 ～ 2.1g/cm3 和2.4 ～ 2.6g/cm3 ， SiC 基CMC 的最高工作溫度為1650℃ ， C/SIC 和SiC/SiC 可分別在有限壽命和長壽命條件下使用。其中，連續纖維增韌碳化矽複合材料包括C/SiC 和SiC/SiC 兩種。推重比15 ～ 20 高性能航空發動機的渦輪前溫度將達到2?200?K 以上，連續纖維增韌陶瓷基複合材料（ CMC ）耐溫高，密度低，具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，不發生災難性的損毀，可代替高溫合金作為熱端部件結構材料。

2.3 碳/ 碳複合材料構件製造技術d?S? 3?

通 過設計和製備防氧化塗層是改善C/C 抗氧化性的主要途徑，也是國際研究的熱點，目前尚未取得突破性進展。由於航空發動機用C/C 構件要滿足富氧燃氣環境下長壽命工作的要求，所以必須解決C/C 抗氧化的問題。C/C 緻密化方法有化學氣相浸透法（ CVI ）和液相浸漬法，液相浸漬法包括樹脂浸漬炭化法和瀝青浸漬炭化法，發展的方向是提高緻密化速率，降低製造成本。C/C 構件的關鍵製造技術包括碳纖維預製體的設計與製備、 C/C 的緻密化技術和C/C 防氧化塗層的設計與製造。美國將整體渦輪盤在1760℃ 進行了地面超轉試驗。美、法、俄等研製的C/C 複合材料部件有燃燒室噴嘴、加力燃燒室噴管、渦輪和導向葉片、整體渦輪盤、渦輪外環等。碳/ 碳複合材料（ C/C ）的最顯著的優點是耐高溫（ 1800 ～ 2000℃ ）和低密度（約1.9g/cm3 ），可能使發動機大幅度減重。

3 新工藝技術成為現代航空發動機發展的重大關鍵製造技術，並得到廣泛應用

3.1 先進精密毛坯製造技術向近無餘量成形方向發展

先進精密毛坯製造技術主要有：

引用出處：

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!7Mav3uaYFRbzCqsjBqSxj6xk/article?mid=2157

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