Research and Exploration研究与探索?探讨与创新
董艇舰，倪振飞
（中国民航大学，天津 300300）
摘要：航空发动机叶片是飞机的主要承力部件，对发动机的性能起着关键的作用。航空发动机的性能很大程度上取决于叶片质量，叶片的质量对发动机的安全性和可靠性有着直接影响。叶片最终成形一直是航空发动机制造中的瓶颈技术，本文从叶片使用材料、叶片的加工与抛光以及叶片的检测三个方面来介绍发动机叶片的生产过程。对比了国内外发动机的生产水平。
关键词：发动机叶片；材料；叶片加工与抛光；叶片检测
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2016）11（下）-0176-02
1 航空发动机叶片的使用材料
1.1 涡轮叶片材料的发展
发动机叶片材料的第一次革命开始于高温合金的成功研制，凭借其优异的高温使用性能全面代替了高温不锈钢，极大的提高了叶片的使用温度，达到了800 ℃ 水平。发动机叶片材料的第二次革命开始于定向凝固高温合金的成功研制，定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度，使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的热疲劳性能，使叶片的使用温度达到了 1000 ℃ 水平。定向凝固技术发展为单晶合金，进一步提高了发动机叶片的耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性。以第一代单晶合金为基础，又研发出了第二代单晶合金，使其工作温度提高了30 ℃。第三代单晶合金，使得叶片的高温蠕变强度得到极大提高，高温使用寿命也大大提高，其高温使用寿命可达到150小时，是第一代单晶合金寿命的十几倍。第四代单晶合金进一步提高了叶片的使用温度，可达到了1200 ℃，高温下的持久寿命相比于前几代单晶合金也有了很大提高。各代的单晶成分如表1所示。
1.2 我国航空发动机铸造涡轮叶片发展的历史与现状
度下，能够持久稳定地工作。为进一步提高叶片的使用温度，在现有镍基高温合金的基础上，成功研制了强制空冷的空心铸造涡轮叶片，经过不断的试验改进，叶片的使用温度显著提高 ，提高了发动机性能，特别是发动机的推力得到显著提高。近年来，我国的单晶合金叶片的研制也取得了巨大进展。
2 航空发动机叶片的加工制造
2.1 叶片的数控加工方法
叶片的叶身部分由复杂曲面组成，这极大的增加了叶片的加工难度。按照曲面的成形原理可将曲面分为直纹面和非直纹面。其中直纹面又可分为可展直纹面和不可展直纹面。叶片数控加工方法可分为点铣法和侧铣法。点铣法的铣削原理是由点汇成线，由线组成面，其加工要点是在切削过程中刀刃与被加工曲面始终保持一点相切。点铣法主要适用于自由曲面的叶片加工。点铣法加工有精度高、叶片设计型面的一致性高、气动性能好的优点。也有加工效率低下、刀具磨损严重的不足之处。
侧铣法的铣削原理是利用铣刀刀刃的母线在加工中形成的包络面来逼近曲面成形，其加工要点是切削过程中刀具的侧刃与被加工曲面始终保持接触。侧铣法主要适用于直纹面型叶片。侧铣法具有叶片的表面粗糙度好，叶片的加工效率高,生产成本低的优点。
2.2 航空发动机叶片的抛光技术
我国航空产业起步较晚，发动机叶片的研制也长期处于落后水平，从20世纪70年代开始，以我国的资源条件和技术水平为基础，仿制和研制了一系列的镍基铸造高温合金，其性能基本达到了我国的使用要求。经过多年发展，目前的镍基高温合金已制成多种涡轮叶片，并且在1173～1223K的温基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题，课题编号：2013ZX04001071。
叶片形状、表面粗糙度对整个发动机的效率产生很大影响，我国目前的发动机叶片抛光工作主要是由手工完成，由于抛光操作人员的操作技巧和熟练程度不同，叶片的型面精度、 表面质量必然会产生误差，给叶片抛光精度的控制造成了较大困难。
176
中国设备工程 2016.11(下)
中国设备
Engineering工程
hinaCPl
ant
表1
四代单晶合金成分变化
代序
第4代第4代第4代第4代第4代
合金MX4Rene N6Rene N5PWA 1484Rene N4
Cr24.2759
Al5.555.756.25.63.7
Ta8.257.278.74
W66566
Mo21.4222
Re5.955.433
Ti
Ru3
Nb
Co16.512.58108
C0.030.05
Hf0.150.150.20.1
B0.0040.004
Y0.010.010.01
4.2
0.15
因而，开展叶片自动化抛光技术的研究，对我国的航空产业的发展有重要意义。
目前， 航空发动机叶片抛光的技术主要存在以下几个难点：
（1）叶片的加工余量不均匀。（2）叶片边缘曲率半径很小。
（3）转接圆弧的形状复杂且半径很小。叶片抛光技术主要包括砂轮磨削和砂带磨削两类。当前，磨削加工精度和加工效率都很高，这得益于超硬磨料立方氮化硼和人造金刚石砂轮的应用。超硬磨料砂轮具有加工的优点有：工件表面质量高、发热小、 不易烧伤工件等，适用于叶片等精密件的高效加工。
砂带磨削技术作为一种新型磨削技术，也是不断发展的，它的发展过程可分为三个阶段：手工打磨、 半机械化、机械化磨削。由于砂带磨削的机械机构比较灵活，能够实现各类复杂自由曲面的精密或超精密加工。其磨削结构如图1
所示。
①数据采集。提高叶片表面数据采集的精度，是确保检测质量的前提。
②模型匹配是确保检测质量的关键环节。找到测量数据与曲面造型的对照点， 使测量点的坐标系与模型坐标系对齐是模型匹配的要点。
③误差评定。误差评定的内容包括叶型参数误差和形位误差两种， 其中形位误差是误差评定的关键参数。
目前 ，我国多数叶片生产单位仍然采用传统的标准样板测量， 该法具有精度差，效率低等问题，严重制约了航空发动机的发展。我们应该学习西方先进的检测技术，大力推广三坐标测量检测技术。叶片制造过程中检测周期长、检测结果不准确的问题可以通过三坐标测量检测技术得到很好的解决。
4 结语
随着航空业的不断发展，对发动机叶片的使用寿命提出了更高的要求，这无疑会增加叶片的加工制造的难度。本文的目的在于给参与发动机叶片制造的科研工作者们提供一个新的思路。
参考文献：
[1]董志国,王鸣,李晓欣,滕佰秋. 航空发动机涡轮叶片材料的应用与发展[A]. 中国金属学会高温材料分会.第十二届中国高温合金年会论文集[C].中国金属学会高温材料分会:,2011:3.[2] 黄乾乞，李汉康. 高温合金. 北京：冶金工业出版社，2000： 4.[3] 陈荣章. 单晶高温合金发展现状. 材料工程， 1995（ 1）：3.
图1 砂带磨削结构示意图
[4]田欣利,佘安英,林允森,张纾. 叶片多轴数控加工方法与关键技术研究进展[J]. 制造技术与机床,2008,06:124-128.[5]郭恩明.我国航空制造技术的现状及发展趋势[J].航空制造技术，2002(1):27-30.
[6]陈皓辉，刘华明等.国内外叶轮数控加工发展现状.航天制造技术，2002,4(2):45-48.
[7]吕彤,刘国涛. 航空发动机叶片表面自由磨具光整加工工艺试验研究[J]. 新技术新工艺,2013,10:89-92.
[8]崔海军,张明岐. 航空发动机叶片抛光技术现状及发展趋势[J]. 航空制造技术,2015,11:128-131.
[9] 《航空制造工程手册》总编委会 . 航空制造工程手册—发动机叶片工艺 . 北京： 航空工业出版社 ,1997.[10] 刘艳.叶片制造技术 . 北京：科学出版社 ,2002.
3 航空发动机叶片的质量检测
叶型检测难点具体表现为 ：
（1）对测 量的 精 度 和 效 率 要 求 高。一般会达到微米级。
（2）对测量的可靠性要求高。（3）测量数据处理过程复杂。
测量数据的采集、模型配准方法和误差评定模型的不同，对叶片测量的精度和可靠性会产生很大影响。
中国设备工程 2016.11（下）177