航空發動機的制造是一項極其復雜的系統工程，其中最核心的部件當屬“葉片”，它的制造占據了整個發動機制造30% 以上的工作量。航空發動機工作時，不管是風扇葉片、壓氣機葉片，還是渦輪葉片都要承受十分惡劣的工況，但是又存在一些差異。因此，航空發動機不同部位的葉片往往會采用不同的材料來制造。目前，金屬材料與先進復合材料是航空發動機葉片制造的兩大類主要材料，對其加工方法及工藝技術的研究已經成為制造高性能航空發動機的關鍵。

    本文以金屬和復合材料葉片為對象，論述、分析了現階段航空發動機葉片制造采用的加工方法及關鍵技術，并對其優缺點進行了闡述。

    航空發動機金屬葉片機械制造技術

    高強度不銹鋼、鈦合金、高溫合金等高強金屬材料的大量應用極大地提高了航空發動機的綜合性能，但其難加工的“通病”卻成為航空制造業遭遇的普遍瓶頸。航空發動機金屬葉片的制造方法眾多，如數控加工、精密鍛造、精密鑄造、電解加工等。以風扇/ 壓氣機葉片和渦輪葉片為例，分別論述了航空發動機金屬葉片的加工方法及關鍵技術。

    風扇/壓氣機葉片制造技術

    隨著發動機性能的不斷提高，葉片的結構也愈加復雜，加工難度也越來越大。目前，風扇/ 壓氣機葉片主要以數控加工、精密鍛造、超塑成形/擴散連接方法為主，輔以表面處理技術來完成葉片的高品質制造。

    葉片數控加工技術

    葉片的數控加工工藝，包含裝夾方法、數控編程、切削工藝、顫振抑制、在線檢測、輔助工藝等，在此對切削工藝、數控編程、顫振抑制進行重點闡述。

    高速高效切削技術。高速銑削一般采用較高的切削速度、適當的進給量、較小的徑向和軸向切深，銑削時大部分的熱量被切屑帶走，因而工件的表面溫度較低。并且隨著銑削速度的提高，切削力略有下降，表面質量有所提高，生產效率隨之提高（圖1）。在高速銑削過程中，刀具軌跡的平滑過渡是保證切削質量的關鍵技術。插銑是實現高效切削最有效的方法之一，相較于其他的銑削方式，可大幅降低刀具的徑向切削力，有效抑制切削振動，在葉片的切削過程中，對于榫根、緣板、葉身等需要去除大余量的部位具有很高的加工效率。西北工業大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室近幾年提出快速銑的概念，這種銑削方式采用大進給、小切深的工藝方法，在保證切削質量的同時，進一步提高了加工效率。

    數控編程技術。隨著數控加工和自動編程技術的不斷發展，智能化、集成化和并行化已成為其發展趨勢。可以利用CAPP/CAM 等集成的自動編程系統對葉片曲面零件進行程序編制，甚至有些葉片高效切削機床將具有工藝知識的編程系統集成在機床控制系統里。國內對CAM 系統在不斷進行開發，航空葉片制造編程系統通過二次開發把特定的工藝知識融合以取得更有效的程序代碼，即CAPP 與CAM 高層次集成。

    顫振抑制技術。加工顫振的抑制方法目前主要分為在線預報控制和離線預測控制兩種。前者主要是通過對實際加工系統的監測與顫振信號的提取，在預先設定的控制策略下抑制顫振。這種方式對預測系統多方面提出高的要求，包括容錯性、顫振控制策略和靈敏度等方面（判斷速度）。離線預測控制方法是依據系統切削參數穩定性極限圖，通過控制切削工藝參數和系統結構實現抑制顫振。目前，時域仿真法、半解析法和解析法是獲得切削參數穩定性極限圖的主要方法。除以上兩種方法之外，也有一些學者提出在加工過程中采用主動振動阻尼法抑制顫振。

    綜合應用以上數控加工技術可以有效解決風扇/ 壓氣機葉片加工的技術瓶頸，西北工業大學航空發動機先進制造技術國防創新團隊進行了深入的研究和應用。

    葉片精密鍛造技術

    葉片精鍛是采用高精度的鍛壓設備，依托完善的檢測手段和輔助處理工藝，鍛造出余量小、質量高的葉片毛坯。精鍛葉片可以更完整地保持金屬流線的連續，保證葉片的強度和承載能力，極大提高葉片的性能和壽命。

    精鍛葉片余量小，強度高，加工周期短，壽命長，但由于葉片結構的復雜性和當前精鍛技術的特點，部分精鍛葉片的阻尼臺、前后緣部分仍需保留機械加工余量。葉片精鍛是一項綜合工藝技術，對原材料和制造工藝有較高的要求。由于工藝技術的限制，精鍛葉片局部仍然需要依靠機械加工來保證表面質量和截面尺寸。葉片成形過程中，前后工序要嚴格匹配，對每道工序的變形溫度、變形速度、變形程度以及金屬的流動方向均要嚴格控制，這同時對葉片精鍛工序的設計、鍛造設備的精度和剛性、檢測設備的精度都提出了極高的要求。

    葉片超塑成形/擴散連接制造技術

    超塑成形是利用某些材料在特定條件下呈現優越的塑性變形能力而發展出的一種成形工藝。采用此種工藝可以制造高精度的復雜結構，同時由于其擁有極好的變形能力，使得制造件加工重復性好，而且沒有回彈。擴散連接是利用被連接材料的表面在不足以引起塑性變形的壓力和低于被連接工件熔點的溫度條件下，使接觸面通過原子間相互固態擴散而形成連接的方法。

    超塑成形/ 擴散連接技術充分發揮了兩種工藝的優勢，在成形中空結構的應用中已經越來越廣泛，是成形空心葉片的較好選擇。利用鈦合金的擴散連接溫度與它的超塑成形溫度相似的特性，在加工葉片時，可以在一個工序中完成成形和連接兩種工藝，節省了加熱以及冷卻的時間，提高了葉片的生產效率。并且使用該技術制造的葉片無需額外的機械裝配以及焊接處理，使得零件整體性更強，對于航空發動機減重增推有著重要的意義（圖2）。Rolls-Royce公司在鈦合金風扇葉片上不斷創新，經歷了第一代窄弦實心風扇葉片。第二代蜂窩夾芯結構寬弦風扇葉片并從TRENT 800 開始，包括后續的TRENT 1000、TRENT XWB，均采用了第三代鈦合金風扇葉片。該葉片采用全新的夾芯結構，即采用桁條結構芯部取代了蜂窩結構，并且利用超塑成形/ 擴散連接工藝制造，使得葉片在尺寸增加的同時，有效控制了結構重量。

    中航工業北京航空制造工程研究所采用這種技術在鈦合金、鋁合金及鋁鋰合金等材料的超塑成形/ 擴散連接技術研究和應用方面開展了大量工作，進行了鈦合金寬弦空心風扇葉片、可調葉片、防火墻、衛星貯箱等超塑整體構件的成形工藝試驗和應用研究。

   渦輪葉片制造技術

    由于渦輪葉片所處的環境更為惡劣，相較于風扇/ 壓氣機葉片，對其材料和加工工藝都提出了更為嚴苛的要求。目前，渦輪葉片的加工普遍采用精密鑄造的方式（圖3），輔以磨削等其他一些加工方法。

    熔模無余量精密鑄造技術

    熔模無余量精密鑄造技術是一種能夠直接制造具有復雜曲面，并省去葉身表面材料去除環節的技術。該技術能改善葉片的工作性能，提高其工作壽命，常用來制造定向/ 單晶空心無余量葉片，現已成為先進航空發動機渦輪葉片制造技術的重要發展趨勢，如使用該技術制造γ-TiAl合金低壓渦輪葉片，如圖4 所示。熔模無余量精密鑄造空心葉片的關鍵技術是制造冷卻結構的陶瓷型芯。

    愈是高效冷卻的空心渦輪葉片，其內腔結構愈加復雜，所處的工作條件更加苛刻，相應的陶瓷型芯結構更為精密，因此對陶瓷型芯尺寸精度的控制要求也更高。最常用的制造陶瓷型芯的方法是預制成型陶瓷型芯， 運用該方法可以鑄出各種形狀復雜的冷卻結構， 其主要步驟包括制漿、壓制型芯、型芯校正、入爐燒結、強化處理。

    定向凝固結晶控制技術

    定向凝固結晶控制技術指的是在熔模鑄造型殼中使熔融合金沿著與熱流相反的方向結晶凝固的一種鑄造工藝。采用這種工藝成形的渦輪葉片具有很高的抗熱疲勞和抗熱沖擊性。早期的定向凝固技術方法眾多，大致可分為以下幾類：發熱劑法、功率降低法、快速凝固法、液態金屬冷卻法以及流態冷卻法等。

    現如今，諸多集傳統技術優勢與最新工藝方法于一體的新型定向凝固技術不斷涌現，包括區域熔化液態金屬冷卻法、電磁約束成形定向凝固法、深過冷定向凝固法、激光超高溫梯度快速凝固技術以及連續定向凝固技術等。

    再結晶抑制技術

    再結晶的出現將會導致原單晶合金的耐高溫性能顯著下降。葉片制造過程中因機械處理（如：吹砂、機械拋光等）而產生塑性變形，隨后又經固溶、退火等高溫處理或在使用中受高溫、高壓燃氣的作用，均有可能導致再結晶的出現。因此，國內外對此進行了針對性的研究，提出了預回復熱處理、滲碳、涂層以及去除表面變形層等抑制再結晶方法，并對再結晶葉片開展了加入界強化元素的修復工作。

    其他加工技術

    高速強力磨削技術。世界航空強國紛紛開始對高速強力磨削在葉片制造中的應用開展研究，如利用該技術可一次加工出渦輪葉片的榫頭齒形，能夠極大地提高生產效率。當前世界各國磨削技術的發展趨勢為：研發具有更高剛性、精度的數控磨床，研制超硬磨料及磨具，進一步開展對精密磨削及高速磨削的理論研究和技術探索。高速和超高速磨削作為先進制造的一項全新實用技術，已引起我國航空發動機行業的極大重視，是國內未來磨削技術的一個重要發展方向。

    自適應加工技術是葉片高效精密制造技術的重要組成部分。該技術主要用于精密鍛造、輥軋葉片緣頭精密加工、整體葉盤的加工和修復，復雜空心葉片的數控加工以及余量不均勻復雜曲面的加工。

    航空發動機復合材料葉片制造技術

    先進復合材料由于其質輕、高強、耐腐蝕、抗疲勞等諸多特性越來越多地應用在航空、航天領域。樹脂基復合材料制造的風扇葉片、金屬基復合材料制造的風扇/ 壓氣機葉片、陶瓷基復合材料制造的渦輪葉片已經成為航空發動機減重增推的關鍵技術手段。

    樹脂基復合材料葉片制造技術

    自20 世紀70 年代GE 開始研制并使用樹脂基復合材料風扇葉片以來，近50 年的技術探索與經驗研制了多款集先進材料與工藝于一體的商用航空發動機風扇葉片。這其中涉及了復合材料的加工及預制體制備和葉片成型相關技術。

    復合切削技術

    在預制體及復合材料構件的切削加工中，采用傳統鉆、銑等工藝加工時，由于纖維的高硬脆性、切削力變化、刀具磨損等原因可能會造成加工件表面不完整，甚至出現分層、纖維拉出及脫開等缺陷。近些年，非傳統加工技術在復合材料方面的應用愈加成熟，比如加工碳纖維預制體時采用超聲切割或者激光加工可以得到很高的精度（圖5），水射流加工去除復合材料多余材料成本更低，旋轉超聲加工在CFRP/Ti 合金的疊層結構制孔上有較大優勢。

    預制體制備技術

    復合材料葉片預制主要有兩種制備工藝，分別是預浸料鋪放工藝以及3D 編織工藝。預浸料鋪放工藝。使用預浸料鋪放工藝來制備預制體需要著重把握預浸料的平面- 曲面變換裁切優化、預浸料鋪貼的精確定位以及預浸料層間的穿刺強化。國外普遍采用分層切片法配合自動裁床進行變換裁切優化，采用激光放樣法進行精確定位，采用特種專用設備進行層間穿刺強化。近些年，隨著技術的進步，自動鋪絲工藝（AFP）也被成功應用于預制體的制備當中，如Rolls-Royce公司將AFP 技術應用于在研TRENT系列發動機復合材料風扇葉片，實現了其預制體的自動化生產。

    3D 編織工藝。3D 編織工藝是將纖維在三維空間里沿多個方向按規律相互交織、交叉在一起從而獲得完整的結構。這種技術徹底解決了制件層間分離的問題，可極大地提高其結構性能。目前，常用的3D編織方式有4 種，分別是極線編織、斜線編織、正交編織和饒鎖線編織。3D 編織又有多種形式，如二步法、四步法、多步法等。CFM 公司的LEAP-X 發動機風扇葉片是目前唯一使用3D 編織工藝制備預制體的復合材料葉片。該葉片以其高比強度、高比模量的特性在耐沖擊、抗疲勞、抗開裂等方面具有獨特的優勢。

    葉片成型技術

    航空發動機風扇葉片采用雙曲面、大扭轉與變截面的結構形式，僅僅依靠熱壓罐成型工藝已經難以保證零件的成型精度，而閉模成型工藝可以很好地解決成型精度不足的問題，故該技術已經成為復合材料風扇葉片的主流成型技術（圖6）。

    并且，隨著技術的不斷革新，采用復合材料成型模具取代金屬模具以及采用混雜纖維替代單一纖維風扇葉片逐漸成為國外發展趨勢。由于復合材料模具與復合材料零件本身擁有相似的熱脹系數，因而保證了成型零件的尺寸精度，而混雜纖維復合材料除鋪層時需要考慮混雜方式、最優纖維比等因素外，在成型工藝方面與單一纖維葉片差別不大。

    樹脂基復合材料風扇葉片的兩個基本制造工藝是預浸料鋪放/ 模壓成型技術以及3D 編織/RTM 成型技術。前者指的是以預浸料為成型原料，以模壓工藝為成型方法來制造復合材料風扇葉片的技術手段，主要以GE 公司生產的GE90（ 見圖 7（a））、GEnx 發動機風扇葉片為代表；此外，羅-羅公司和GKN 集團也聯合采用了該技術為TRENT 系列發動機開發風扇葉片。3D 編織/RTM成型技術，指的是使用纖維絲束通過3D 編織制備預制體，再放入成型模具中使用RTM 工藝制造復合材料風扇葉片的技術手段，主要代表型號有CFM 公司的LEAP-X 發動機風扇葉片（見圖7（b））。

    為提高葉片的抗沖擊性能，需要在復合材料葉片緣頭增加金屬加強邊，目前金屬加強邊的制造方法主要有：數控加工法、超塑成型/ 擴散連接工藝成型法、金屬沉積成型法，GE公司采用數控加工技術加工鈦合金包邊且效果良好，其他相關技術尚未有文獻報道應用于現役航空發動機。國內在相關技術領域的可查閱文獻較少，但對于樹脂基復合材料葉片的研究已經起步。

    金屬基復合材料葉片制造技術

    金屬基復合材料具有優于傳統金屬材料的比強度、比剛度和結構穩定性，可按需設計產品性能，實現結構功能的一體化（圖8）。

    P&W 公司曾采用等離子噴涂與真空熱壓成形相結合的工藝成功研制B/Al 風扇葉片，該葉片通過了試驗臺、抗腐蝕及抗沖擊試驗，比原先的鈦合金葉片減重40%，并成功應用于JT8D 的第一級風扇葉片和TF30的第三級風扇葉片；普· 惠公司和TRM 公司采用等離子噴涂6061Al的B/Al 預制帶，成功研制了F100 的第一級風扇葉片與第一級出口導向葉片，并通過了靜載和熱疲勞試驗，減重達35%~40% ；從PW4084 發動機開始，普·惠公司逐漸在風扇出口導流葉片上使用DWA 公司生產的擠壓態碳化硅顆粒增強變形鋁合金基復合材料。其研發工作表明：采用鋁基復合材料的風扇出口導流葉片或壓氣機靜子葉片，其耐沖擊性能優于樹脂基復合材料；普·惠公司還借助超塑成形/ 擴散連接工藝成功研制了碳化硅纖維增強鈦基復合材料空心風扇葉片，該葉片可使發動機結構減重14%。

    我國在原位自生TiB2 顆粒增強鋁基復合材料風扇葉片研究方面取得了較大進展，但在其高效加工、表面強化、抗疲勞性能等方面仍存在諸多難點

    陶瓷基復合材料葉片制造技術

    陶瓷基復合材料（CMC）既保留了陶瓷耐高溫的特性，又具有很高的機械強度和抗熱裂性。目前應用最為廣泛的陶瓷基復合材料主要有兩種，分別是碳纖維增韌碳化硅（Cf/SiC）以及碳化硅纖維增韌碳化硅（SiCf/SiC）。前者使用溫度可達1650℃，后者可達1450℃。陶瓷基復合材料渦輪葉片的制造主要可分為“葉片雛形制造”和“精密去除加工”兩個階段。

    葉片雛形制造

    內核層疊+ 外層編織技術。西方國家在為新一代的航空發動機制造復雜曲面的CMC 葉片時，其總體思路是葉片內核層層疊加，外層編織保護，制造過程如下：（1）將連續的增強纖維制成預浸體；（2）通過精密預浸體切片與裝配形成復雜構件的幾何體，隨后附加外包層；（3）制成的三維體在石墨箱體內將單晶硅高溫浸潤注入，實現其致密化；（4）施加表層保護后，成為結構件的雛形，如圖9 所示。

    3D 打印技術。隨著技術的進步與工藝的發展，3D 打印技術也逐漸成為制造陶瓷基復合材料葉片的先進手段之一。國內已經有研究采用凝膠注模成型技術成功制造出了金屬增韌陶瓷基復合材料渦輪葉片，制造過程如下：（1）通過金屬3D 打印工藝制備渦輪葉片的金屬增韌骨架，然后通過氣相沉積在金屬增韌骨架表面形成陶瓷界面層；（2）將具有陶瓷界面層的金屬增韌骨架與渦輪葉片的光固化樹脂模具相結合，得到內部帶有金屬增韌骨架的樹脂模具；（3）通過化學腐蝕方法去除樹脂模具，采用真空冷凍干燥去除陶瓷坯體中的水分，然后在保護氣氛下于1200~1400℃燒結3~6h，實現多孔復合材料渦輪葉片原型；（4）通過化學氣相沉積在復合材料渦輪葉片的孔隙中生成碳化硅陶瓷進行致密化，實現陶瓷基復合材料渦輪葉片雛形的制備。

    精密去除加工

    通過上述技術成形的葉片雛形經過進一步的修邊鉆孔等精密去除加工，才能最終成為合格的產品。因此，能夠滿足制造高精度精密去除的加工技術是制造高質量葉片的關鍵之一。CMC 的葉片雛形不僅需要精密切邊以實現配合所需的精度，還需要打冷卻孔和安裝孔，目前應用于CMC 切削加工的主要方式有水射流加工、電火花加工、超聲加工（包括旋轉超聲加工）以及激光加工等。水射流加工容易造成材料的撕裂和表面崩口，電火花加工效率偏低，超聲加工需要對刀具磨損進行精確補償并解決好材料的崩邊問題，激光加工很難避免熱效應造成的影響。

    綜上，在采用去除加工工藝制造高質量、高效率的CMC 發動機葉片，其重點研究方向有：更精密的CMC預浸體切片與裝配；更低成本、更小損傷的CMC 致密件切邊與打孔工藝；CMC 安裝孔成型工藝及表面精密磨、拋等處理工藝[28]

    結束語

    我國在航空發動機葉片制造技術領域既面臨著難得的機遇，也承受著巨大的挑戰。對航空發動機中最重要部件葉片的精密制造，需從以下幾個方面進行探索。

    （1）從設計、材料、工藝等多方面綜合分析葉片的加工特性，完善對新材料、新工藝的技術探索。

    （2）參考、借鑒、學習國外的成功應用，作實基礎研究，深入探索加工方法與加工對象的精確匹配。

    （3）研發葉片制造所需的關鍵特種制造工藝及裝備，掌握特種葉片制造的核心工藝技術。唯有深入研究葉片制造基礎理論，緊密結合工程技術應用，持續探索葉片制造的核心技術，最終必將提升我國航空發動機葉片的綜合制造技術水平。

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責任編輯：王元

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