航空发动机空心风扇叶片超塑成形和扩散连接制造技术

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1、 航空发动机空心风扇叶片超塑成形/扩散连 接制造技术 内容源于网络资料整理，仅供参考学习，传播知识，不得它用 摘 要 航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠” ，随着航空技术的不断革新，航空发送机正朝着增加推力，减轻重量，降低油耗的方向发展，风扇叶片作为航空发动机最具代表性的零件之一，其成形制造技术始终是涡扇发动机的关键制造技术之一，传统的制造工艺已难以保证目前大尺寸， 复杂结构钛合金风扇叶片的制造， 超塑成形/扩散连接技术作为一种组合加工技术，特别适用于钛合金多层结构件的加工，目前已成功地用在了航空发动机钛合金空心风扇叶片的制造上。 本文结合航空发动机空心风扇叶片的制造背景， 参考相关资料， 对

2、超塑成形/扩散连接制造技术的概念、技术原理、发展、应用、设备以及空心风扇叶片的超塑成形/扩散连接制造工艺进行了初步的介绍。 关键词：空心风扇叶片；超塑成形；扩散连接； 目 次 摘 要 1 目 次 2 1 前言 . 1 2 超塑成形/扩散连接的技术原理 2 2.1 超塑成形/扩散连接的概念 2 2.1.1 超塑形（SPF） 2 2.1.2 扩散连接（DB） . 3 2.1.3 超塑成形/扩散连接（SPF/DB） 3 2.2 超塑成形/扩散连接的技术原理 . 3 3 超塑成形/扩散连接的发展和应用 4 3.1 超塑成形/扩散连接技术的发展 . 4 3.2 超塑成形/扩散连接技术的应用 . 5 3.

3、2.1 航天领域的应用 . 5 3.2.2 飞机领域的应用 . 6 3.2.3 航空发动机领域的应用 . 7 3.3 国内研究单位简述 9 4 空心风扇叶片的超塑成形/扩散连接工艺 9 4.1 空心风扇叶片的材料 9 4.2 超塑成形/扩散连接的制造设备 . 10 4.2.1 超塑成形/扩散连接设备 10 4.2.2 扩散连接加热设备 . 10 4.2.3 扩散连接-超塑成形抽真空设备 11 4.3 钛合金的超塑成形/扩散连接工艺 . 11 4.4 空心风扇叶片的超塑成形/扩散连接流程 . 12 4.5 成形叶片的模具 13 4.6 风扇空心叶片的超塑成形/扩散连接过程 . 14 4.6.1

4、扩散连接 . 14 4.6.2 热成形 . 16 4.6.3 超塑成形 . 16 5 超塑成形/扩散连接存在的问题 17 6 超塑成形/扩散焊接工艺的展望 17 参考文献 19 1 航空发动机空心风扇叶片的超塑成形/扩散连接制造技术 1 前言 航空发动机技术属于国防重点高科技领域， 航空发动机被誉为 “工业皇冠上的明珠” ，它是飞机的心脏，其发展水平已经成为一个国家国防实力的重要标志之一。 现代航空发动机正朝着增加推力，减轻重量，降低油耗和减少噪音的方向发展，作为航空发动机之一的涡轮风扇发动机正是适应这一要求而发展起来的。 风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件， 如图 1， 它的发展很大程

5、度上影响着涡扇发动机的性能。 图1 航空发动机风扇叶片 初期的风扇叶片受限于制造技术， 为实心、 窄弦、 带阻尼凸台结构， 如图 2.a 所示。现今，随着制造技术的发展，为了提高风扇叶片的气动效率，减轻风扇重量，用宽弦、夹芯或空心结构取代了实心结构，如图 2.b 所示。目前，为了增大涵道比，提高涡扇发动机推进效率，风扇转子直径已增大到了 3242mm，风扇叶尖速度已高达 457m/s。而这些材料新、叶身长、叶弦宽、结构复杂的风扇叶片的成形工艺是非常复杂的。因此，风扇叶片的成形制造技术始终是涡扇发动机的关键制造技术之一。 (a）窄弦带阻尼台实心风扇叶片 (b)宽弦空心风扇叶片 图2 典型风扇叶片

6、 2 发动机的风扇叶片多采用钛合金材料， 而钛合金在常温下屈服强度极高， 塑性很差，而且容易产生回弹，常规的金属工艺成形出的发动机叶片大多尺寸精度难以保证，而且费时费力，不能很好地保证其性能。超塑成形/扩散焊接技术（Superplastic Forming and Diffusion Bonding，简称 SPF/DB）是利用材料在超塑性状态下良好的固态粘合性能而发展起来的一种组合加工技术，采用 SPF/DB 工艺制造钛合金的多层板结构具有极大优越性，该工艺可利用钛合金优良的超塑性和扩散连接性，用于制造钛合金多层结构件，成本和重量约节省 3050，它能节省工时，节约原料，提高效率，加工出重量轻

7、而结构刚度好的各种结构件。 目前该工艺已成功地应用于成形航空航天钛合金的夹层结构件，较为典型的如航空发动机的空心风扇叶片1。 2 超塑成形/扩散连接的技术原理 2.1 超塑成形/扩散连接的概念 2.1.1 超塑形（SPF） 超塑性通常是指材料在特定拉伸条件下， 表现出异常高的延伸率也不产生缩颈与断裂现象。当延伸率大于 100时，即可称为超塑性。按照实现超塑性的条件和变形特点的不同，目前一般将超塑性分为以下几类：组织超塑性、相变超塑性和其他超塑性。实际生产中应用最广泛的是组织超塑性。获取这种超塑性一般要求材料具有均匀、细小的等轴晶粒和较好的热稳定性2。 具有超塑性的材料在特定条件下能伸长若干倍、

8、 几十倍甚至上百倍， 不会出现缩颈，也不会断裂，如图 3 所示： 图3 TA15 钛合金超塑拉伸前后实物照片 (a）原始式样；(b）800，765%；(c）850，815%；(d）880，840%； (e）910，692.5%；(f）930，602.5%；(g）950，577.5%； 3 2.1.2 扩散连接（DB） 扩散连接是把 2 个或 2 个以上的固相材料(包括中间层材料)紧压在一起，置于真空或保护气氛中加热至母材熔点以下温度， 对其施加压力使连接界面微观凸凹不平处产生微观塑性变形达到紧密接触，再经保温、原子相互扩散而形成牢固的冶金结合的一种连接方法。 通常把扩散连接分为 3 个阶段，

9、见图 4， 第一阶段为塑性变形使连接界面接触。在金属紧密接触后， 原子开始相互扩散并交换电子， 形成金属键连接。 第二阶段为扩散、界面迁移和孔洞消失。连接界面的晶粒生长或再结晶以及晶界迁移，使金属键连接变成牢固的冶金连接。最后阶段为界面和孔洞消失。在这一阶段中主要是体积扩散，速度比较慢，通常需要几十分钟到几十小时才能使晶粒穿过界面生长，原始界面完全消失。 图4 扩散连接的 3 个阶段 2.1.3 超塑成形/扩散连接（SPF/DB） SPF/DB 是一种把超塑成形与扩散连接相结合用于制造高精度大形零件的近无余量加工方法。当材料的超塑成形温度与该材料的扩散连接温度相近时，可以在 1 次加热、加压过

10、程中完成超塑成形和扩散连接 2 道工序， 从而制造出局部加强或整体加强的结构件以及构形复杂的整体结构件。 如钛合金的超塑成形温度为 850970， 扩散连接温度为 8701280，由于在超塑成形温度下也可进行扩散连接，因此有可能把这 2 种工艺结合， 在 1 次加热、 加压过程中完成超塑成形和扩散连接 2 道工序。 这种只需 1 次加热、加压过程的 SPF/DB 工艺常见于板料的吹塑成形和扩散连接。 2.2 超塑成形/扩散连接的技术原理 超塑成形工艺按成形介质可分为气压成形、液压成形、无模成形、无模拉拔；按原始坯料形式可以分为体积成形、板材成形、管材成形、杯突成形等等。其中，在航空领域中，应用

11、最为广泛的超塑成形方法是板材气压成形，也称吹塑成形。吹塑成形是一种用低能、低压获得大变形量的板料成形技术。通过设计制造专用模具，在模具与板料中间形成一个封闭的压力空间，板料被加热到超塑性温度后，在气体作用下，坯料产生超塑性变形，逐渐向模具形面靠近，直至同模具完全贴合形成预定形状。具备超塑性的材4 料包括钛合金、铝合金、镁合金、高温合金、锌铝合金、铝锂合金等。 目前超塑成形技术最广泛的应用是与扩散连接技术组合而成的超塑成形/扩散连接组合工艺技术（SPF/DB） ，根据构件的特征涂止焊剂，然后扩散连接上层板、中层板及超塑成形板，再向上层板与超塑成形板之间通入惰性气体，在封闭的模具内通过均匀的气压使

12、其超塑成形为多层构件，如图 5。 (a)单层板加强结构 (b)双层板结构 (c)多层板结构 图5 超塑成形/扩散连接的基本形式3。 3 超塑成形/扩散连接的发展和应用 3.1 超塑成形/扩散连接技术的发展 超塑成形(SPF)和扩散连接(DB)技术，在现代航空航天工业发展的推动下，经过 30多年的开发研究和验证试验，已进入了实用阶段。SPF 和 SPF/DB 技术已经成为一种推动现代航空航天结构设计概念发展和突破传统钣金成形方法的先进制造技术， 该技术的发展应用水平已成为衡量一个国家航空航天生产能力和发展潜力的标志4。 在 1912 年，最早出现了关于超塑性的报道，它是 Bengough 在 +

13、 黄铜中，在温度700时获得了 163%的延伸率。1934 年，英国学者 C. E. Pearson 在 Bi-Sn 合金中获得了接近 2000%的延伸率，试样变成细线状，卷曲后如图 6 所示，通过该实验 Pearson 研究了金属的超塑性行为。但直到 50 年代末期，仍没有建立超塑性技术工程应用的科学基础。 进入 20 世纪 60 年代后， 美国的 Backofen 等对超塑性力学进行了系统的分析研究，欧美等发达国家由于超音速巡航飞机计划的推动， 需要采用结构温度更高的钛合金材料, 而用传统方法制造钛合金结构件的成本过高，这样，飞机制造中钛合金结构用量的增加和开发低成本钛合金构件成为了 SP

14、F/DB 技术开发和研究的最初原动力。 5 图6 Bi-Sn 合金中活得延伸率为 1950%的照片5 80 年代初至今， 是 SPF 和 SPF/DB 技术的生产应用和深入发展阶段。 主要表现出了以下特点：世界主要飞机制造公司已建立起自己的 SPF 和 SPF/DB 生产和研究基地，与此同时还涌现出一批专业化生产厂家；工艺基础研究更加深入，生产技术装备和能力得到更大提升；SPF 和 SPF/DB 技术已从飞机制造应用拓展到航空航天发动机和其它制造领域。 3.2 超塑成形/扩散连接技术的应用 从 20 世纪 60 年代开始，受到先进飞行器的刺激和推动，国外航空工业率先开展超塑成形技术研究。 70

15、 年代早期， 美国洛克威尔公司首先将超塑成形技术应用于飞机结构件制造中，使钛合金制造工艺发生了技术变革。随后，欧美将钛合金 SPF、SPF DB 技术列为重点研究项目，促使超塑成形整体结构在飞机、发动机、导弹、卫星、舰艇等工业领域的应用不断扩大。 3.2.1 航天领域的应用 美国爱德华空军基地的火箭推进研究所早在 20 世纪80年代就进行了超塑性成形制造推进剂储存箱；日本也将超塑成形技术应用于卫星储箱的制造，人造卫星一般都有感应控制系统和轨道控制系统，两系统都需要轻质燃料箱和压缩气储箱，制造储箱时，先将两块薄板焊接上，再通过超塑成形吹胀成形成半球或锥零件，图 7 是用这种工艺制造的燃料储箱；2

16、0 世纪 90 年代欧洲航天局也将工艺应用于储箱的制造，阿里安 5 号火箭姿态控制系统的储箱至今仍采用超塑成形技术制造。 6 图7 卫星推力系统和超塑成形钛合金储箱 3.2.2 飞机领域的应用 据统计，飞机结构重量中 8-10以上的结构可以采用超塑成形整体结构，欧洲空中客车公司的 A310、A320、A330/340 制造中，采用超塑成形/扩散连接的钛合金两层超塑整体结构替代铝合金铆接结构后， 取得了减重 46的效果； 波音 777 发动机气动舱门采用了两层超塑整体结构，用以替代原来的焊接结构，原来结构 23 个零件需要 70h 的装配时间，采用钛合金超塑两层整体结构后减少到 2 个零件，装配时间仅需 6h，同时减重 1.4kg。表 1 展示了部分机种的超塑成形/扩散连接应用情况； 表1 欧洲部分机种 SPF/DB 技术的应用情况 7 图8 A330 和 A340 飞机上 SPF/DB 的应用 (a)、(b)D 形鼻梁；(c)条板；(d)