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激光技术在F15、F22等先进飞机中的应用

2013-08-01 10:28
华静一
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  ——航空发动机风扇和压气机整体叶盘结构是将叶片和轮盘设计成一个整体的结构。它省去了传统连接需要的榫头、榫槽和锁紧装置,减少了结构自重和支撑重量,大大减轻了转子质量;减少级间凹处的风阻损失,从而提高性能;省去安装边以及螺栓、螺母、锁片等连接件,从而大大减少零件数量;无榫槽泄漏,使压气机转子温度较低,从而提高转子寿命。没有榫槽,避免出现榫槽损伤及断裂等潜在故障,从而大大提高可靠性。据报道,采用整体叶盘结构可使发动机重量减轻20%~30%,效率提高5%~10%,零件数量减少50% 以上。

  整体叶盘结构复杂、通道开敞性差、加工精度要求高,叶片型面为空间自由曲面,因而其本身制造难度极高,并且与常规的榫头与榫槽连接结构不同,整体叶盘结构在出现损伤时不能简单地单独更换叶片,因而有可能因一片叶片损坏而报废整个整体叶盘结构转子。在整体叶盘的加工初期难免会出现一些修补,而在发动机使用过程航空发动机上的风扇/压气机叶片经常被打坏,在以往的常规设计中,遇到这种情况时通常是更换受损的叶片就可以了,但是叶盘结构不能因为一个叶盘上有几个叶片打伤而报废一个叶盘,所以发展整体叶盘中个别损坏叶片的修理技术至关重要。GE公司在发展了特殊的修理技术之后,才在F414中使用了5个整体叶盘。在IHPTET计划实施中,利用激光曲线焊接方法对整体叶盘进行修复,叶片修复后强度与原叶片差不多,至此,整体叶盘结构才具有了生命力,因此就能够在航空发动机上得到更广泛的应用。

  整体叶盘的修理一般包括:(1)机加掉剩余部分;(2)修理前化学清洁;(3) 对叶片进行焊接或沉积;(4)初步无损探伤(FPI/X射线检验);(5)热处理前化学清洁;(6)热处理;(7)切削叶型包线,切到最终形状;(8)拉拨/磨光叶型,按流路弯曲叶根半径;(9)最终的无损探伤(NDF);(10)碱法清洁,去掉拉拨/磨光的残留物;(11)按需要对叶型进行修整(粗边,尖角等);(12)蓝刻阳极检验;(13)喷丸硬化。针对一些关键步骤,世界知名航空发动机产品研制商和工艺开发商研发了激光金属沉积、激光低热输入精密金属沉积工艺和激光冲击强化表面处理工艺等先进且可行的激光工艺,并将其应用到整体叶盘等先进产品中,取得了很好的效果。因而,综述其特点、发展和应用可为中国新一代航空发动机风扇/压气机整体叶盘结构的发展提供参考与借鉴。

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