現（xiàn）代航空發動機（jī）整體葉盤及其製造技術
2014-1-16 來源：數控（kòng）機床市場網 作（zuò）者：中國燃氣渦輪（lún）研究（jiū）院 黃春峰
[ 摘要] 整體葉盤是現代（dài）航空發動機的一種新型結構部件, 對於提高其性能具有重要作用。本文主要介紹了航空發（fā）動機整體葉盤結（jié）構的特點、應用現狀、發展趨勢及其製造技術。
關鍵詞: 發動機結構 整體葉盤 特種加（jiā）工 製造技術
現代航空發（fā）動機的結構設計和製造技（jì）術是發動機研製、發展、使用中的一個重要環（huán）節, 為滿足以 F119、F120、 EJ200 為標誌的第 4 代戰鬥機用發動機以及未（wèi）來高（gāo）推比新概（gài）念發動機的性能要求, 除采用先進技術減少飛機機體結構、機載設備的重量外, 關鍵是要求發（fā）動（dòng）機（jī）的推重比達到 10 這一級, 重點（diǎn）突破發（fā）動機部件的氣動、結構設計、材料（liào）、工藝等方麵的關鍵技術。其（qí）中,在發動機（jī）風扇、壓（yā）氣機（jī）、渦輪上（shàng）采用（yòng）整體葉盤(Blisk) 結構( 包括整體葉輪、整體葉環) 是重要措（cuò）施。
1 整體葉盤結（jié）構的（de）特點
(1) 整體葉盤是航空發動機的一種新型結構部件,它與常規葉盤連接相比有（yǒu）以下特（tè）點:·不需葉片榫頭和榫槽連接的自重和支撐（chēng）這些重量的結構, 減輕了發（fā）動機風扇、壓氣機、 渦輪轉子的重量（liàng）。英國 R· R 公司在發動機中采用整體葉盤結構後, 與傳統的葉片、輪（lún）盤分體結構相比, 重量可減輕50%; 若采用金屬基複合材料 (MMC) 的整體葉環(Bling), 則可減重 70%。·原輪緣（yuán）的榫頭變為鼓筒; 盤變薄, 其內（nèi）孔直徑變大（dà）; 消除了盤與榫頭的接觸應力, 同時也消除了由於榫頭安（ān）裝角引起的（de）力矩產生的擠壓應力; 減輕了盤的重量, 提高了葉片的振動（dòng）頻率。
·整（zhěng）體葉盤可消除常（cháng）規葉盤中氣流在榫根與榫（sǔn）槽間縫隙中逸流造成的損失, 使發動機工作效（xiào）率增加, 從而使整台（tái）發動機推（tuī）重比顯著提高。
·由於省（shěng）去了安（ān）裝邊和（hé）螺栓、螺母、鎖片等連接件, 零件數量大大減少（shǎo）, 避免了榫頭、榫槽間的微動摩損、微觀裂紋、鎖片損壞等意外事故, 使發動機工作壽命和（hé）安全（quán）可靠性大大提高（gāo）。
·如整體葉盤葉片損壞, 為避免拆換整（zhěng）個轉（zhuǎn）子, 將整體葉盤與其他級用螺栓相連, 形成可分（fèn）解的連接結構。
·由於高壓壓（yā）氣機葉片短而薄, 葉片離心力較小,輪緣徑向厚度小, 采用整體葉盤結構減重（chóng）不顯著。例如F414發動機（jī）的高壓壓氣機, 前（qián）3級采用（yòng）整體葉盤後重量隻（zhī）減少3.632kg;而兩級風扇采用整體（tǐ）葉盤減重（chóng）20.43kg, 因此EJ200發動機的高壓壓氣機僅第一級采用整體葉（yè）盤結構。
(2) 航空發動機整體葉盤結構在研究發展中也存在一些問題。
·整體葉盤加（jiā）工困難, 隻有製造技術發展到一定水平後（hòu）, 整體葉盤的應（yīng）用才成為可能。
·發動機在使用過程中, 轉子（zǐ）葉片常遇到外物打傷或因振動（dòng）葉片出現裂紋, 整體葉盤要更換葉片非常困難, 有可能（néng）因為一個葉片損壞（huài）而（ér）報廢（fèi）整個整體葉盤。因（yīn）此風扇的第1、2級一般不用整體葉盤結構, 整體葉盤葉片的修理技（jì）術也是整體葉盤擴大應用必須（xū）解決的關鍵問題。
·由於（yú）整體葉盤的葉型（xíng）複雜, 精度要求高, 葉型薄, 受（shòu）力後變形大, 所以機械加（jiā）工非（fēi）常困難, 又因為齒數（shù）多、齒密（mì）, 所以加工量非常大。因此葉型加工是整體葉盤製造的主要工序。
2 整體葉盤（pán）結構的應用
隨著（zhe）航空製造技術的不斷發展, 近年來整體葉盤結構在新研製（zhì）航空發動機中已得（dé）到廣泛應用( 表 1)。
2.1 美國整體葉盤的應用
美國GE公司最早（zǎo）在20世紀70年代就在T700發動機的壓氣（qì）機上大量采用整體葉盤結構, 爾後又陸續（xù）將這一技術應用到CT7、CFE738、GE23A、YF120、F414和F110發動機上。YF120的2級風（fēng）扇和5級高壓壓氣機全（quán）部采用（yòng）整體葉盤結構的轉子, 風扇（shàn）葉片采用低展弦比葉片, 其中第1級為空心葉片。F414的第2、3級（jí）風扇（shàn）采用低展弦比葉（yè）片的串列轉子采用惰性氣體焊接的鈦合金(Ti17) 整體葉盤結構,且兩個整體（tǐ）葉盤還焊接在一起形成整體轉子, 使風扇轉（zhuǎn）子重量比F404減輕了20.41kg; 高壓壓氣機前3級也采用（yòng）了整體葉盤, 第1、2級用Ti17合金（jīn）製成, 且焊成一體, 第3級采用Inconel 718鎳基合金製成, 使壓氣機的重量減輕3.63kg。F404整台發動（dòng）機5級整體葉盤轉子比常規葉（yè）盤連接的零件減少了484個, 與原型機F404相比, 其推重比由7.5提高到（dào）9.1。由幾個整體葉盤前後串起焊成一體的設計, 是F414優（yōu）於EJ200發動機的顯著特（tè）點, 它能進一步降低轉子（zǐ）的重量（liàng）, 提高發動機耐久性。F110- GE- 129改型為（wéi）F110- GE- 129R時, 即將3級風扇全改成寬弦葉片、整體葉盤結構, 零件數減少了2/3。由於風扇效率與空氣流量提高, 使發動機推力增（zēng）加5.9%。如維持原推力, 則熱端部件（jiàn）壽命由4000TAC循環( 戰（zhàn）術空間循環) 提（tí）高到6000TAC循環（huán）。
90年代（dài）GE公司還研究了一種前掠葉片的（de）整體葉盤結構風扇, 並在前掠氣動研究試驗台(GESFAR) 上成功地進行了試（shì）驗。這種新型風扇部件具有高速、小展（zhǎn）弦比、前掠葉片（piàn）的特點, 整體葉盤由高強度鈦合金製成, 葉尖（jiān）直徑約（yuē）為508～ 635mm, 空氣流量約為100kg/s。試驗結果表明該風扇不僅減輕（qīng）了重量, 而（ér）且（qiě）比常規風扇的效率高4%, 其中尖部效率提高8%, 失速裕度提高3%～ 5%, 因而使發動機（jī）抗流場畸（jī）變能力（lì）提（tí）高80%。目前GE公司已將其安（ān）裝到IHPTET驗證機上進行了評估, 並將用於改進現役發動機, 如F414等。
80年（nián）代初, 美（měi）國P&W公司開始在（zài）PW5000發動機上使用和（hé）驗證風扇（shàn）壓氣機（jī）整體葉（yè）盤結構, 目（mù）前已應用到F119和F100發動機上。P&W公司為先進戰術戰鬥機ATF/F22研製的推重比（bǐ）為10的（de）F119- PW- 100發動機, 3級風扇、6級高壓壓氣機（jī）的轉子, 全部采用了整（zhěng）體葉盤,是唯一（yī）一種在風扇與壓氣機中全部采（cǎi）用整體葉盤結構的發動機, 6級軸流高壓壓氣機整體葉盤（pán）的第1、2級為鈦合金, 葉片和輪盤用線性摩擦焊將其焊成一體; 第3～6級為粉末高溫合金, 葉片與輪盤的焊接采用了鍛接擴散連接技術。有的F119壓氣機轉子還采用（yòng）ALLOY- C型阻燃鈦合金整體葉盤。ALLOY- C型鈦合金不但具（jù）有良好的阻燃性能, 而且（qiě）具有良好的高溫（wēn）變形（xíng）、冷軋（zhá）、延展、焊接和鑄造性能, 其（qí）鈑金成形延展（zhǎn）率可達40%～ 50%。
在（zài）F100- PW- 229發動機改型(F100- PW- 229A) 中的第2～ 3級全部采用整體葉（yè）盤結構。 改型後的發動機在保持推力不變的情況下, 渦輪（lún）進（jìn）口溫度降低49℃, 發動機的（de）可靠性和（hé）壽命得到提高。在PW7000發動機方案中, 5級高壓壓氣機全部采用大後掠、高效率葉（yè）片的整體葉盤結構轉子（zǐ）。90年代初, P&W公司還研究了帶後掠葉片的整體（tǐ）葉盤結構（gòu）的兩級風（fēng）扇, 其尺寸和流量與F119的風扇的基本相同, 目前（qián）該葉片為後掠實心葉片,但將來可（kě）能（néng）采用空心的金屬葉片或（huò）複合材（cái）料葉片。該風（fēng）扇效率比當時的IHPTET基準風（fēng）扇的效率高50%左右, 每級風扇的（de）壓比比IHPTET基準風扇的高30%, 不久將裝到IHPTET驗證機發動機上進行試（shì）驗驗證。
美國聯合攻擊機JSF的升力（lì）風扇（shàn）也采用了整體葉盤結構, 這是迄今為止最大的整體葉盤, 外徑1.27m, 毛坯重1 500kg,成品重（chóng）100kg。艾利遜公司1998年在XTC16/1A核心機（jī）上試驗了渦輪整體葉盤, 這是用鍛接工藝將單晶Lamilloy葉片粘（zhān）接在粉末冶金盤上的（de）,Lamilloy轉（zhuǎn）子葉片比常規氣膜冷卻葉片少用30%的冷卻空氣, 壽命增加100%, 整體葉盤結構（gòu）減少重量25%～30%。據《航空周（zhōu）刊》最新報道, 美國P&W公司在IHPTET計（jì）劃下成功完成了XTC67/1先進發動機核心機的試驗。XTC67/1核心機壓氣機的第1級轉子、第3級靜子葉片（piàn）采用了比強度高的γ 鈦鋁合金整葉片盤, 目的用於驗證IHPTET計劃第三階段的性能目標, 推重比要比F119發動機提高100%, 渦輪進口溫度提高204.5℃, 4級壓氣機的（de）壓比比F119的6級壓氣機壓比還要高（gāo）。該核心機在美（měi）國空軍阿諾德工程發展中心的J1試驗台（tái）上進行了6批次試驗, 截至2003年4月（yuè）累計時數28h。另外, 為滿足波（bō）音公司的B- 7E7飛機推進係統（tǒng）和成本目（mù）標, 美國P&W公司的基準發動機也將采用已驗證技術和先進製造技術。其中B- 7E7發動機前4級或前（qián）5級壓氣機將采用（yòng）整體葉盤。P&W公司還將在美國空軍阿諾德工程發（fā）展中心(AEDC) 進行7E7發動機的高空模擬試驗, 累計試驗時數將（jiāng）達到15 000個工作循環。這（zhè）項計劃已於2004年正式啟動。
2.2其他國家整（zhěng）體葉盤的應用
英國、德國、意大利和西班（bān）牙合作（zuò）研製的EJ200發動機, 其3級風扇壓（yā）比為4.2, 最初隻在（zài）遠離進口處的第3級風（fēng）扇上采（cǎi）用了電子束焊接的整體葉盤結構, 後來在第2級也采（cǎi）用了整體葉（yè）盤（pán）結構, 目前第1級上也（yě）已采用整體葉盤結構, 並有可調進口導流葉片（piàn）以保證（zhèng）有足夠（gòu）的壓氣機（jī）喘（chuǎn）振裕度。其材料為鈦（tài）合金（jīn）, 用線性摩擦焊取代（dài）電子束焊製造（zào）整（zhěng）體葉（yè）盤。
在寶馬- R · R公司研製（zhì）的BR715發動機上, 由於第1級風扇葉片采用了（le）RB211- 535E發動機的寬弦無凸台夾芯葉片, 塵砂進入（rù）極少。風（fēng）扇後的兩級低壓( 增壓) 壓氣機都采用寬（kuān）弦（xián）空心（xīn）葉片（piàn）的整體葉盤, 並將兩級焊成（chéng）一體, 形成不可分散的連接結構, 這是整體葉盤在民用高涵道比發動機上首次應用。加工和修理整體葉盤結構除（chú）采用電子束焊（hàn）外, R· R公（gōng）司與（yǔ）MTU公司還共同開發了線性摩擦焊工藝。
法國國營航空發動機製造公司SNECMA在20世紀90年代（dài）初開（kāi）展了（le）一（yī）項為（wéi）發展新型民用發動機核心機的技術驗證計劃（huá）, 即P.A.T計劃( 技術活動計劃, Plan Act~ion Technologies)。在該計劃（huá）中, 11級壓氣機中第8、9兩級采用了整體葉盤（pán）結構, 這實際上也是（shì）為整體葉盤結構（gòu）在大型民用（yòng）發動機中推廣進行的（de）技術儲備與探索。
我國正在研製帶箍的整體（tǐ）葉盤結構, 目的是為了克服前掠葉片的（de）顫振（zhèn）。這種葉片帶箍（gū）設計（jì）, 即葉（yè）片尖部加一個環帶, 這樣葉片振動受到了約束（shù）, 顫振可以消除; 但葉片箍的受力非常大, 一般金屬材料是無（wú）法承受的。利的。利用碳纖維可以承受極大的拉力這一特性,在金屬箍外麵加（jiā）繞碳（tàn）纖維的複合材料, 葉片、盤（pán）及箍產（chǎn）生的離心力（lì）由碳纖維複合材料承擔。由於碳纖維複合材料密度隻有（yǒu） 1.6～ 1.7g/cm3, 而鈦合金材料為 4.6g/cm3左右（yòu）, 所以箍的（de）重量不大。常規設計中, 葉片受的是拉伸應力, 現在帶箍葉片上半部受的是壓縮應力, 葉片受的應力下降, 所以葉片厚度可以下降很（hěn）多, 盤（pán）的重量也可以大大下降, 重量（liàng）大約是常規葉盤結構的50%。預計在不久的將來, 這項技術（shù）會（huì）普遍（biàn）應用在航空發動機的風扇和高壓壓氣機設計中。
2.3 整體葉盤結構的發展趨勢
整體葉盤結構不僅應用在研製和改進中的發動機上, 而且還（hái）將（jiāng）用在未來推重比為15～ 20的高性能發動機（jī）上（shàng） ,如歐洲未來推重比15～ 20的（de）發動機和（hé）美國的HPTET計劃中推重（chóng）比為20的發動機, 在這些發動機上將采（cǎi）用效果更好的SiC陶瓷基複合材（cái）料或抗氧化的C/C複合材料製造整體渦輪葉盤。美國研製的C/C複合材料整體渦輪葉盤已（yǐ）在1 760℃環境中進行了地麵超轉試驗（yàn）。采（cǎi）用整體（tǐ）葉盤（pán）結構（gòu）, 其轉子葉片必然（rán）要設計成抗外物損傷的葉片, 以減少維修次數費用。目前風扇（shàn）和壓氣機整體葉盤結構的轉子葉片普遍采用小展弦比的鈦（tài）合金葉片, 有空心、實（shí）心、掠式和非掠式的; 而下一代推重比為15～ 20的發動（dòng）機必（bì）將采用氣動性能（néng）先進的掠（luě）式、重量（liàng）更輕的空心抗（kàng）外物損（sǔn）傷能力強的小展弦比葉片, 如果可能（néng）, 也將用強度和剛性更好及密度更小的金（jīn）屬基複合材料代替高（gāo）溫鈦（tài）合金, 這樣可提高（gāo）氣動（dòng）性（xìng）能和效率, 既滿足強度和可靠性要求, 又大大減（jiǎn）輕重量, 使發動機推重比大大提高。
如果將整體葉盤中（zhōng）的輪盤部分去掉, 就（jiù）成為整（zhěng）體葉環, 這時該件的重量將進一（yī）步降低。整體葉環直接固定在承力環上。由於缺少了承受負荷的輪盤, 整（zhěng）體葉環承受不了（le）葉片（piàn）的離心（xīn）負荷, 為（wéi）此, 整體葉環隻能用密度較小的複合材料來製造。這種整體葉環的重量約為常規結（jié）構（gòu）重量的30%, 目前, 正在研製的整體葉環是用（yòng）連續單根碳化矽長纖維增強的Ti基複合材料 (TiMMC)製造的（de）。TiMMC具（jù）有比強度、比（bǐ）剛度高, 使用溫度高及疲勞和蠕變性能好的優點。例如德國研製的SCS- 6SiC/IMI834複合材料的抗（kàng）拉強度高達2 200MPa, 剛度達220GPa, 而且具有極（jí）為優異的熱穩定性, 在700℃溫度暴露2 000h後, 力（lì）學性能不降低。TiMMC葉環代替壓氣機盤, 可使（shǐ）壓氣機（jī）的結構重量減輕70%。
美國製造的TiMMC整（zhěng）體葉（yè）環已成功用在P&W的XTC- 65IHPTET驗證（zhèng）機的第3～ 4級壓氣機上, 由於材（cái）料和（hé）結構的先進性使轉子重量大大減輕, 如第3級整體葉環轉子重量隻有4.5kg左右, 而常規鎳基合金製造的同樣轉（zhuǎn）子的實（shí）際重（chóng）量為25kg。由於TiMMC複合材（cái）料隻能承受477℃的溫（wēn）度, 壓氣機不能在高溫環境下工作, 下一步將考慮用（yòng）Al- Ti化合物(Ti3Al和TiAl) 作基體, 可耐溫927℃。英、法、德也研製了TiMMC葉環, 並成功地進行了台架（jià）試驗, 用於改進EJ200的3級風扇、高壓壓氣機和渦輪, 以便為EJ200在21世紀推重比（bǐ）達15～ 20提供技術基礎（chǔ）。在我國與印度開（kāi）展的國（guó）際合作項（xiàng）目中, 有一帶環箍的單級風扇試（shì）驗研究, 該（gāi）風扇的設計（jì）參數為: 增（zēng）壓比3.0, 葉尖切向速度470m/s, 有17片葉片, 外徑0.4m, 采用了帶外箍環的整體葉環結構 ( 隻能用複合材（cái）料來（lái）製作), 目前印度已成功製造出該試驗件, 在國際（jì）上處於領先地位。
3 整體葉盤的製造技術
發動機整體葉盤的製造工藝和維修的複雜性是目前影響其應用（yòng）和推廣的兩大因素。整體葉盤的機械製造加工（gōng）麵臨越來越強的挑戰。由於整體葉盤結構複雜,加工精度要求（qiú）高, 尤其（qí）是葉片工作表麵為空間自由曲麵, 形狀極其（qí）複雜; 特別是為適應其高溫、高壓（yā）、高轉速的工（gōng）作條件, 廣泛采用鈦合金、粉末高溫合金等高性能金屬材料和（hé）鈦基複合材料、鈦鋁化合（hé）物基（jī）複合材料等先進複合材料（liào）, 因（yīn）此（cǐ）影響了材料的可加（jiā）工性, 傳統的（de）機械加工方法已（yǐ）難以勝任, 必須應用現代特種製（zhì）造加工技（jì）術, 探索研究出更加高效、可靠的加工工藝方法。整體葉盤從結（jié）構設計（jì）上分為整體式和焊接式兩類。整體式整體葉盤製（zhì）造依賴於精密製坯技術、特種（zhǒng）加工技術（shù）和數控機床的發展; 焊接式把複（fù）雜、困難的葉型加工改變成單個葉片的葉型（xíng）加工, 但增加焊接工序, 焊接的精度和焊縫質量與整（zhěng）體葉盤的性能和工作（zuò）可靠（kào）性密切相關。因（yīn）此, 焊（hàn）接工序隻能采用先進、精密的焊接工藝, 如電子束（shù）焊（hàn）、線性（xìng）摩擦焊、真空固態擴散連接等（děng）。
目前, 製造整體葉盤有（yǒu）以下5種技術（shù）途徑。
3.1 精（jīng）密製坯（pī）技術
現代精密製坯技術( 精密鑄造和（hé）鍛造) 的發展日臻完善。精密鑄造和精密鍛造采用CATIA軟件、預測模型和計算機模擬技術實現了“實體（tǐ）造型” 以及鑄、鍛過程用計算機模擬仿真, 這些技術提高了金屬填充和凝固質量, 消除（chú）了疏鬆, 避免了（le）熱裂, 可取代（dài）常規的試（shì）鑄（zhù）法,從而提高了精密鑄造和精密（mì）鍛造的質量與效率, 降低了成本。
(1) 精（jīng）密鍛造技術的（de）發展使鍛壓工藝徹底突破了毛坯生產的範疇, 可以加工出接近成品的零件。現在,整體（tǐ）葉盤大多采用（yòng）精密鍛造作為製坯手段, 能節省貴重金（jīn）屬材（cái）料, 減少難加工材（cái）料的（de）機械加（jiā）工量, 提高整體（tǐ）葉盤的疲（pí）勞強度（dù）和使用壽命。美國GE公司已用等溫鍛造技術製造出了帶（dài）葉片的壓氣機整體葉盤轉子, 材料（liào）利用率提高4倍。精密鍛造零件的尺寸精度可以達（dá）到 (0.1～ 0.25)mm, 表麵粗糙度可以達到Ra0.4～ 1.6μ m。整體葉盤精密鍛造（zào）的（de）精度和（hé）質量主要依靠計（jì）算機對鍛造過程進行控製。GE公司已用熱等靜壓法將鈦合金粉末高溫（wēn）合金盤與精鍛葉片複合成形為鈦合金整（zhěng）體葉（yè）盤;在精密鍛造時還采（cǎi）用了超（chāo）塑等溫模擬技術, 獲得了優異的組織（zhī）和力學性（xìng）能。
(2) 精密（mì）鑄造技術（shù）。由於精密鑄造工藝的新發展,特別是金屬材料定向凝固和熱等靜壓理論的深入研究（jiū）, 使得鑄造合金組織（zhī）和性能大大（dà）改善, 解決了葉片疲勞斷裂的裂紋沿垂直於葉片主應力方向的（de）晶粒邊界發生（shēng）; 熔模（mó）鑄造內部存在縮鬆缺陷等問題, 使葉片的抗疲勞性、應力斷裂壽命大為（wéi）提高, 並且可以減少焊後裂（liè）紋, 降（jiàng）低（dī）鑄件的性能變化和分散程度。目前, 較為成熟的精（jīng）密鑄造技術有實型鑄（zhù）造和熔模鑄造（zào）。
我國航空材料研究院整體葉盤的（de）精密（mì）鑄造技術已取得重要成果。采用 K4184 鎳基高溫合金, 成（chéng）功鑄造出了直徑（jìng）為 120mm, 帶有 34 個葉片的動力渦輪整體葉盤（pán）。采用的方法是將輪盤鑄造成細晶, 將整體葉片鑄造成（chéng）定向柱晶或單晶, 不同晶粒形態各有優勢, 細晶具有較好的低周（zhōu）疲勞和拉（lā）伸性能, 適合於中低溫下使用;而方向性柱晶則具有較好（hǎo）的冷熱疲勞、低周（zhōu）疲勞和抗振動疲勞性能, 適合於高溫下工作。
為了進一步提高采用精密鑄（zhù）造製造（zào）的整體葉盤坯件的密度, 改善力學性（xìng）能, 應將坯件進行等靜壓（yā）處理和真空熱處理
3.2 鍛接法
美國 P&W 公司在製（zhì）造粉末高溫合金整體葉盤（pán）時, 應用了鍛接（jiē）擴散連接技術( 即擴散（sàn）連接技術), 它用局部加熱法將單晶精鑄葉片直接連接到鍛造渦輪盤的輪緣上。 渦輪盤（pán）輪緣局部加熱至變形溫度後, 用待連接（jiē）的單晶葉（yè）片在（zài）局部加熱的輪緣連接部位施壓, 使局部（bù）加熱區域產生變形, 即在將葉片植入輪緣（yuán）內的同（tóng）時進（jìn）行擴散（sàn）連接, 將葉片牢固地連接在渦輪盤的輪緣內。鍛接法的關鍵是正確有效地控製局部加（jiā）熱和變形參數( 溫度、壓（yā）力、變形量), 這（zhè）對葉（yè）片與輪盤之間消除鬆動,產生完全致密的（de）高強度結合（hé）麵是很重（chóng）要的。用此法製造（zào）的整體葉盤結構必須確保鍛接過程中葉片始終準確定位, 並始終保持定位的位置。P&W 公司已研究出葉片/盤的鍛接專利工具, 可準確地（dì）保持葉片的正確位置。
鍛（duàn）接工藝可有（yǒu）效用於超（chāo）級耐熱合金和鈦合金之間（jiān）的連接和修補, 可用於風扇、壓氣機（jī）和渦（wō）輪整（zhěng）體葉（yè）盤結構的製造、修補和更換葉片（piàn）。
3.3 電子（zǐ）束焊接法
在各種先進精密的焊接工藝中, 電子束焊發展較早, 也較成熟, 並（bìng）最先用於整體葉盤的製造過程（chéng）中（zhōng）。整體葉盤因其主要（yào）用於風（fēng）扇的第 2、3 級和（hé）高壓壓氣機（jī）的第 1、2 級, 故材料多為鈦合金。由於鈦合金電子束（shù）焊具有大穿透、小變形、無氧化、高強（qiáng）度、焊接尺寸精度高、質量穩（wěn）定、效（xiào）率高等優點, 因而在我（wǒ）國高（gāo）性能航（háng）空發動機製造中很多鈦合金零（líng）件都采用（yòng）電子束焊接工藝（yì）。
EJ200 也采（cǎi）用此法製（zhì）造, 即先將單（dān）個葉片用電子束焊接成葉片環, 後用（yòng）電子束焊接技（jì）術將鍛（duàn）造和電解加（jiā）工成形（xíng）的輪盤腹（fù）板與葉（yè）片環焊接成整體葉盤結（jié）構（gòu）。這（zhè）種整（zhěng）體葉盤結構比傳統的榫頭連接的葉盤轉子結構重量減輕 30%。
3.4 線性摩擦焊(LFW)
線性摩擦焊是（shì）一種固態連接技術, 是旋（xuán）轉摩擦焊（hàn）的重要發展, 類似於擴散連接。擴散連接從結構（gòu）上講,連接處看不出（chū）“焊縫” 來, 且其強度與彈性均優於本體材料。 線性摩擦焊與擴散連接不同之處在於: 在擴散（sàn）連接中, 連接的工（gōng）件是在爐中加溫使其達到高溫的; 而線性摩擦焊（hàn）中, 工件的高（gāo）溫（wēn）是通過兩配合麵間的相互高頻（pín）振蕩產生的。 用線性（xìng）摩擦焊將葉片焊（hàn）接在輪盤上,可節（jiē）省大（dà）量葉片的連接（jiē）件和結構重量。它先將葉片夾緊（jǐn）在輪緣的葉（yè）根上, 並使輪盤周向以高速（sù）振動, 在葉片和輪盤（pán）葉根界麵產生一個窄的摩擦加熱（rè）區, 當加熱區的溫度達（dá）到要求（qiú）的溫（wēn）度時即停止振動, 葉片與（yǔ）輪盤固定直至（zhì）固結在一起。最（zuì）後再在五（wǔ）坐標數控銑床上用銑刀（dāo）將（jiāng）多餘（yú）材料銑掉。F119 的 2、3 級風（fēng）扇和 6 級高壓壓氣機以及EJ200 發動機的 3 級低壓壓（yā）氣機的整體（tǐ）葉盤是線性摩擦焊接技術成功應用的頂級標誌（zhì）。其中, 用LFW 技術加工的 EJ200 發動機的整（zhěng）體葉盤, 所用設備是英國 Blacks 公司製造的線性摩擦焊機。該焊機由 1個主驅動電機( 功率（lǜ） 89kW)、振動器（qì）及夾具組（zǔ）成, 振動器可產（chǎn）生線性振動, 振幅 0～ 3mm。夾具帶有分（fèn）度機構,可對工件進行分度、定位和固（gù）定, 並傳遞夾緊力、頂鐓力和摩擦力。振動器可以在焊接工序完成時的（de）幾分之一秒內使（shǐ）振幅為（wéi）零, 保證被焊葉片的定（dìng）位精度。瑞士的一家公司（sī）可（kě）以提供與之（zhī）配套（tào）的（de）高速磨床和理想的軟件包。目前 R · R 公司和 MTU 公司已用 LFW 技術成功地製造了（le）寬弦風扇整體葉盤, 並將為 JSF 的發動機提供LFW 整體葉（yè）盤。用 LFW 技術加工整體葉盤與用整體鍛坯在五坐標數控銑床上加工或（huò）電化學加工相比, 可以節約大量貴金屬; 用（yòng） LFW 技術可從發動機（jī）上更換掉被撞擊（jī）損壞的葉片。也可用 LFW 技術將葉片與用不同材料製造的輪盤焊接在（zài）一起, 以獲得最佳的減重效果。
擴散連接和線性（xìng）摩擦焊是在接（jiē）合表麵產生塑性變形和加熱條件下, 達（dá）到表麵原子間結合, 並互相擴（kuò）散形（xíng）成焊接頭, 加熱溫度一般為被焊材料熔點溫度的 70%,因此焊接接頭的質（zhì）量比熔焊( 電子束焊) 的質量高, 可以使葉片和（hé）盤的過渡區的晶粒組織變（biàn）得很細, 其靜態、動態力學性能超（chāo）過非焊接（jiē）的基體材料。
采用線性摩擦焊加（jiā）工整體葉盤有下列好處:
(1) 可以節約（yuē）大量（liàng）貴重的鈦合金。例如 R · R 公司為 JSF( 聯合攻擊機) 用的（de）升力風扇發動機生產整體（tǐ）葉（yè）盤的風扇轉子( 該轉子是目前世界上最大的整體葉盤,其（qí）外徑為 1.27m) 時, 采用整體鍛坯用（yòng）五坐標數控銑床加工, 坯料重 840kg, 加工（gōng）後成品件重 97.6kg, 即材料損耗高達 88%; 而采用（yòng）線性摩擦焊時, 焊接後銑去的材（cái）料不多, 並且還可減少加工時間（jiān）。
(2) 可以（yǐ）對損壞的單個葉片（piàn）進行修理。在采用(特別是在風扇第 1 級采用)整體葉盤時, 能否對（duì）整體葉盤進行修理是（shì）要考慮（lǜ）的一個重要問題, 因為發動機在使用中, 不可避免地會遇到（dào）外來物(特別是鳥類)撞傷葉片的情況, 在（zài）常規（guī）的設計中, 可以輕易地更換損傷的葉片; 而整體葉盤就（jiù）不能更換葉片, 如沒有方便而適用的修理損壞葉片的方法, 整（zhěng）體葉（yè）盤的應用就受到（dào）限製。有了線性摩擦焊的加（jiā）工方法, 可（kě）以將損壞的葉片切去後再焊上新葉片, 由於有此（cǐ）優越性, EJ200、F119 發動機風扇第 1 級轉子也（yě）采了整體葉盤（pán） (EJ200 最初的設計（jì）中, 僅風扇第 3 級、高壓壓氣機第 1 級采（cǎi）用整體葉盤)。
(3) 可以將 2 種不同材料焊在一起, 這樣可根據葉片、輪（lún）盤的工作條件選用不同（tóng）材料, 從而充分挖掘轉子結構材料的（de）性能（néng）潛（qián）力, 使轉（zhuǎn）子（zǐ）結構的重量進一步降低。
3.5 數控（kòng）電解加工技術
整體葉盤由於構型複雜, 特別是由難切削材料製成的、帶薄型葉片、結構複雜的整體葉盤用數控銑削、精密鑄造方（fāng）法加工時就更困難, 甚至不能加工( 如帶冠整體葉輪)。此時特種加工方法便顯示出它突出（chū）的（de）優越性, 其中, 電解加工與數控技術相結（jié）合的數控電解加工技術, 作為一種補充技術, 可以解決數控銑削精密鑄造不能（néng）加工的難題（tí）, 為整（zhěng）體葉盤製造提供了一種優質、高效、低成本、且具有快速響應能力的新加工技術。整（zhěng）體葉盤的數控電解加工技術能綜（zōng）合發揮計算機數控和電解加工的技術優勢, 同時又能取長補（bǔ）短。這種工藝具有電解加工的優點, 即工具陰極無（wú）損耗, 無宏觀切削（xuē）力, 適宜加（jiā）工各種難切削材料（liào）和（hé）長（zhǎng）、薄葉片及狹窄（zhǎi）通道的整體葉盤, 加工效率高, 表麵質量好, 這些優點是數控銑削所不具備的; 它又（yòu）具有數控的優點, 能以計算機數控方式實現型麵三維（wéi）運動, 可用於加工各類複雜結構（gòu）、多（duō）品（pǐn）種、小批量（liàng）零件, 甚至單件試製的生產中（zhōng）,這些優點又是一般拷貝式電解加工所不具備的（de）。 因此,這種工藝技術非常適合於加（jiā）工用數控銑削、精密鑄造難加工或不能加工的零件, 如小直徑、多葉片、小葉間通道(1.5～ 3mm寬度（dù）) 零件, 難切（qiē）削材料（liào）變截麵扭曲葉片整體葉輪, 以及數控銑無法加（jiā）工的（de）帶冠整體葉（yè）輪等。研究及應用情況表明, 整體葉盤電解加工與五坐標（biāo）數控（kòng）銑（xǐ）削方法相比有很多優點:
·工時可減少50%以（yǐ）上 ( 加工帶長葉片的整體葉盤工時減少更（gèng）多);
·可以加（jiā）工任（rèn）何高強、高硬度的（de）難切削金屬材料;
·不會產生殘餘應力（lì）和變形, 這對薄型葉（yè）片（piàn）的整體葉（yè）盤加工尤為重（chóng）要。
美、英、俄和中國都高度重視整體葉盤數控電解加工技術的研究（jiū）並（bìng）已得（dé）到應用, 在新型航空發動機及航天火箭發動機的（de）研製（zhì）中發揮了（le）重要作用。
(1) 美國GE公司的五軸數控電解加工。
美國（guó）GE公司在電解加工先進航空發動機的整體葉盤時, 采用了以（yǐ）成形或近成形陰極進（jìn）行多坐標數控送進運動的加工方式。在製造為裝備 “先進戰鬥機ATF(即F22)” 而（ér）研製的GE37/YE120發動機的鈦製整體葉盤及F414發動機整體（tǐ）葉盤時, 與美國Lehr.precision公司合作發（fā）展了五軸數控電解加工技（jì）術。與原用五（wǔ）坐標數控銑削葉片相比, 加工時間減少約85%, 同時還避免了在葉片加工中產生的殘（cán）餘（yú）應力。電解加工仍分粗加工和（hé）精加工（gōng）兩道工序, 加工出的葉片葉型厚度公差+0.1mm, 型麵公差+0.1mm, 可不需（xū）手工拋光。
(2) 美、俄仿形電（diàn）加工帶冠整體葉輪。
在帶冠整體葉輪的加工中, 美國采用精（jīng）密數控電火花工藝, 俄羅斯則采用（yòng）機械仿形電火花與電（diàn）解加工的組合工藝。電解加（jiā）工既可以提高加工速度, 又可以去除電火（huǒ）花加工後的（de）表（biǎo）麵變質層, 提高表麵質量。電火花—電解加工的組合工藝在（zài）新型發動機, 特別是火箭發動機帶冠整體渦輪（lún）的研（yán）製中發揮了（le）重要作用。
(3) 國內數控電解加工整體葉盤的研究。
在國內, 南（nán）京（jīng）航空航天大學從 20 世紀 80 年代中期（qī）就開始（shǐ）進行數控展成電解（jiě）加工的研（yán）究, 其中重要研究成果有: “直線刃” 陰（yīn）極數（shù）控展成電解加工, 成形或近成（chéng）形（xíng）陰極柔性電解加工。
“直線刃”陰極數控展成電解加（jiā）工與數控銑相（xiàng）似,以簡單的 “直線刃” 陰極進行數（shù）控展成運動, 基於電化學陽極溶解原理而實現整體葉（yè）盤葉間（jiān）槽和葉片型麵的粗、精加工。數控展成電解加工通常需要 5 軸聯動, 即直線位移 x、y、z 軸以及陰極擺動 CT軸和工件旋（xuán）轉 CW軸。該研（yán）究成果已經應（yīng）用於加工改型航空發動機（jī）整體導風輪( 外徑190mm) 並裝機使用。
成形或近成形（xíng）陰極柔性電解加工是南京航空航天（tiān）大學正在研究的加工非可展直紋麵（miàn）的一種新方法, 采用成形或近成形陰極相對零件作數控仿形運動, 可實現帶（dài）冠整體渦（wō）輪、整體葉環和組合（hé）式（shì）整體葉輪的加工。
4 整體葉（yè）盤結構的維修
航空發動機上風（fēng）扇/壓氣機葉片經常被打壞, 在以往的常規設計中, 遇到這種（zhǒng）情況時更換受損的葉片就可以了, 但是葉盤結構就不（bú）能因（yīn）為一個葉盤上有幾個葉片打傷而報廢一個葉盤, 所以必須發展整（zhěng）體（tǐ）葉盤中（zhōng）個別損壞葉片的修（xiū）理技術。GE 公司發展特殊的修理技術後才在 F414 中使用了5 個整體葉盤。在 IHPTET 計劃實施中, 利（lì）用激光曲（qǔ）線焊接(Laser Twist Weld) 方法對整體葉盤進行（háng）修複, 葉片（piàn）修複後強度與原葉片差不多。這樣, 葉盤（pán）結構具有了生（shēng）命力, 就能在航空（kōng）發動機上得到更廣泛的應用。
5 結束語
(1) 航空發動機部（bù）件結構正朝著輕量化、整（zhěng）體化方向發展。美國的先進戰鬥機(ATF) 計劃中把整體葉盤設計製造列為重要核心技術（shù）, 美國（guó）國防部的高性（xìng）能渦（wō）輪發動機技（jì）術(IHPTET) 的第三階段計（jì）劃要求, 到 2020年, 戰鬥機上發動機的渦輪（lún）都將采用整體葉盤（pán）結構。由此可見, 整體葉盤( 環) 已經作為新（xīn）型航（háng）空發動機、火箭發動機的重（chóng）大改進部件, 不僅應用在研製中和（hé）改進的發動機上, 而且還將用在未來 10～ 15 年後推重比為25～ 30 的發動機上（shàng）, 用（yòng）性能更加優異的 SiC 或 C/C 增（zēng）強複合材料製造出整體葉盤或整體（tǐ）葉環。
(2) 隨著新的（de）更難切削材料的采用及結（jié）構（gòu）的更複雜化(扭（niǔ）曲葉片整體葉盤、帶冠整體渦輪), 航（háng）空發動機的加工將更困難。美、英、俄等工業（yè）發達國家都在加緊研究（jiū）優質、高效、經濟的加工方法並正逐（zhú）步取得成果。
(3) 整體式葉盤的製造將依賴（lài）於精密製坯技術、特種（zhǒng）加工和數控（kòng）機床的發展。其（qí）中數控電解加工能綜合發揮電解（jiě）加工和（hé）計算機數控技（jì）術的優勢, 同時又能互（hù）相取長補短, 彌（mí）補各自的不足之處, 是優質、高效、低成本、快速響（xiǎng）應地解決整體葉（yè）盤加工難題的（de）一條重要途徑。這種方法具有顯著的技術經濟效果。
焊接式整體葉盤的焊接工序隻能采（cǎi）用先進的精密的焊接工藝( 電子束焊、真空擴散連接和線性摩擦焊),特別是（shì）線性摩擦焊（hàn）的加工成本低（dī）, 焊接質量（liàng）高, 可用於各種材料的焊接或整體（tǐ）葉盤的製造、修理和更換葉片,在整體葉盤的製造中可以發揮獨特而重要的作（zuò）用。
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