航空发动机数字化制造技术与应用研究

    近50 年来，我国航空发动机行业经过引进专利生产、改进改型、测绘仿制、原型机参考设计及制造的发展过程，逐步走上自主产品设计研制的发展道路。随着“秦岭”、“太行”和第4 代航空发动机等型号的批产和立项，我国航空发动机事业获得了一个难得的发展机遇。数字化制造技术作为新一代发动机研制生产的支撑手段，是提高设计、制造和管理水平，保障重点型号的研制，促进发动机行业跨越式发展的必然选择。

1 数字化制造技术及其技术特征

    尽管就其行业覆盖面和学科上而言，数字化制造技术已经成为推动21 世纪制造业向前发展的主流技术，但对于其技术内涵和体系结构尚没有权威、统一的界定。从我国军工行业的应用背景出发，对于数字化制造技术定义如下：

数字化制造技术指以产品研制的多厂所、多部门用户为对象，以并行工程为指导思想，以各类数字化技术手段应用为主要特征，以信息离散化的表述、传递、存贮、处理作为设计制造协调的主要手段，支持产品全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作的数字化技术应用技术体系的集合。

数字化制造技术的特征如下：

（1）数字化制造技术是先进技术的集合。数字化制造涵盖了企业管理、产品设计、工艺设计、零部件制造、装配、客户服务与保障等技术领域，以提供这些领域的先进信息技术的应用为主要特征，包括CAx/MES/PDM/ERP/ 各类仿真软件/各种共享资源库等支撑系统、平台和数据库，与单一产品数据源、工作流、系统集成、仿真等技术紧密相关。

（2）数字化制造是一种先进制造模式。数字化制造以并行工程为基本特征，强调并支持产品全生命周期的并行与协同，并为这种并行与协同提供技术手段；数字化制造同时吸收了敏捷制造的基本思想，对变化的市场和客户化的产品做出快速和准确响应，强调并支持生产过程组建灵活多变的动态组织机构；数字化制造把先进的生产技术、先进的管理技术和高素质的人员有效集成。

（3）数字化制造是一种现代企业特征。数字化制造不仅为企业目标实现提供一系列的技术手段和解决方案，而且提供一种先进的运行组织体系，给传统航空发动机行业的研制模式、企业运作方式、组织结构、经营理念等带来新的变化，从而推动企业向着数字化生产方式的方向发展。

2.等离子喷涂技术在航空发动机上的应用
 
    等离子喷涂技术属于表面工程中热喷涂技术之一，其主要特征是以等离子焰流为喷涂热源。由于等离子焰流具有温度高、能量集中和喷涂气氛可控等特点，是各种难熔材料的良好热源，而且粉末材料在焰流中的飞行速度很高，所以为获得结合良好、结构致密的喷涂涂层提供了条件。

    等离子喷涂是气体在电场的作用下被加速，与中性粒子产生碰撞，使中性粒子发生电离，产生离子电弧。又由于受到热收缩、磁收缩及机械收缩三种效应的作用，使等离子电哥疋成为具有高温高速的焰流，从而使喷涂材料被加热到熔化或软化状态，高速地喷射到准备好的工件表面。经变形、淬冷而粘结在工件表面上，形成等离子喷涂涂层。

等离子喷涂的工艺特点

(1)基体受热小、零件不变形，不改变热处理状态。

(2)能够喷涂的材料广泛，涂层种类多。

(3)工艺稳定，涂层质量高。

等离子喷涂技术的应用

    随着航空发动机向高性能、高翻修寿命、高可靠性、低耗油率和低成本的方向发展，热喷涂技术也得到了迅速发展。一台新型发动机有上千个零部件的3000多处表面需要采用热喷涂技术涂层，由此可见，热喷涂技术已被广泛地应用于航空工_业。其中，由于等离子喷涂具有成本低、效率高、操作简单、涂层质量好以及适合规模化大批量生产等诸多优点，已经占到航空发动机所有喷涂零件的80％以上。

    航空发动机的热喷涂涂层主要包括耐磨涂层、热障涂层、封严涂层和高温防护涂层等，如下图所示。这些涂层几乎全部都可以采用等离子喷涂的方法来制备。

耐磨涂层

    由于航空发动机零件的工作条件很恶劣(高温、高转速、振动及高负荷)，又受到粘附、磨粒、腐蚀和疲劳等几种类型的磨损，使发动机的性能和使用寿命受到影响。

    罗.罗公司的统计表明，1976年以前，航空发动机零件中有60%，因磨损而报废。采用耐磨涂层后报废率降至33%，效果很显著。例如，钛合金压气机叶片的阻尼凸台表面(约0.4cm2)受到高负荷的撞击和微振磨损。由干钛合金不耐磨，寿命仅100h，而在凸台上喷涂一层0.25mm厚的碳化钨涂层后，叶片寿命延长到上万小时。

封严涂层

    航空燃气涡轮发动机都有比较完整的气路封严系统。系统由介于轴、鼓简、转动叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40～60处封严装置组成，封严装置的好坏直接影响发动机的功率、推力和效率。如涡轮外环(即叶尖径向间隙)的封业，按设计要求，叶尖间隙与叶片长度的比值每增加1%，涡轮效率损失就增加1%～3%。可见，气路封严是提高效率和性能的重要途径之一。为此，在设计上常采用可磨耗封严涂层来达到气路封严的目的。

    热喷涂封严涂层分为两大类，即主动磨削涂层和可磨耗涂层(被动)。

(1)主动磨削涂层(磨料)一般是坚硬的抗磨损灰色氧化铝涂层，喷涂在封严篦齿上。随着转子的高速旋转，像砂轮一样磨削与其对应的金属蜂窝密封团，并尽量使本身不受磨损。这就要求涂层结合强度高，硬度高，隔热性能好。

(2)可磨耗涂层要求涂层软而易磨，并具有润渭“性能、抗冲击性能、抗热振性能，以及与基体有良好的结合性能。

热障涂层

    现在，航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。只有提高涡轮进口的燃气温度，才可能提供高压气机的增压比和流量比，从而提高发动机的推力，降低油耗。为了满足不断提高的涡轮进口温度的要求，在进一步发展新型合金和冷却技术的同时，应大力发展高温防护涂层技术。许多先进国家都争先发展热障涂层技术。

    热障涂层的基本设想是利用陶瓷材料良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热性能，使其以涂层的形式与合金基体结合，从而提高金属结构件抗高温腐蚀环境的能力。为改善涂层和基体的物理相容性，在基体与陶瓷涂层间加一金属粘层，并且为提高陶瓷涂层的抗热振性，有时将其做成金属陶瓷混合层或金属陶瓷多层复合层。粘结层通常为0.1～0.2mm厚的镍铬、镍铝、镍铬铝和MCrAIY合金等，其中M代表Co、Ni或CoNi，Al是生成氧化铝保护层所必需的，Cr可促进生成AI2O3并提高抗热腐蚀能力，Y可提高AI2O3与MCrAIY间的结合强度及涂层与基体的结合强度。

    涡轮叶片使用陶瓷热障涂层是提高发动机性能的一条重要途径，因为0.4mm厚的氧化铝涂层可使高温合金表面温度降低100～300℃。发动机全负荷时，实测涡轮进口燃气温度为1370℃，涂层表面温度为1080℃，叶片金属温度为930℃，同时大大节省了冷却空气量的消耗，提高了涡轮效率。

    有资料表明，一级涡轮叶片表面喷涂0.25mm厚的陶瓷热障涂层，可使冷却空气流量减少50%，比油耗改善1.3%，叶片寿命提高4倍。到1995年为止，全世界陶瓷涂层的总销售额达30亿美元以上，其中航空发动机应用年平均增长28%。

等离子喷涂技术的展望

（1）应用范围的扩大

    目前用于制备TBCs的众多工艺中，只有等离子喷涂和EB-PVD技术最具有实用价值。在国内航空发动机技术领域中，等离子喷涂制备热障涂层的工艺已经在某新型航空发动机的涡轮导向叶片和隔热屏等零件上成功应用，并获得了国防科学技术一等奖。但由于等离子喷涂涂层具有典型的板条状结构，容易导致热机疲劳，使涂层易剥离失效，因此这种工艺制备的涂层只能用于静止的工件。而涡轮工作叶片不仅承受高温和冷热交变，还要承受高速运转带来的负载，只有EB-PVD技术制备的具有柱状晶结构TBCs涂层，可以满足涡轮工作叶片的使用要求。随着近年来陆续快速发展起来的超声速等离子喷涂、低压等离子喷涂及水稳等离子等喷涂技术，进一步提高了等离子喷涂的质量，扩大了等离子喷涂的应用领域。相信，总有一天等离子喷涂技术会以优异的性能来填补在发动机应用上的空白。

（2）制备过程的质量保证

    目前，等离子喷涂技术已趋于非常稳定和成熟阶段，但日益快速发展的先进航空技术，也对产品质量提出了更高的要求。那么如何以精确可靠的方式来保证航空发动机涂层产品的质量?伴随着等离子喷涂技术的发展，应运而生了一种“在线检测设备”，它是安装在喷枪上的一种高速摄像装置，在等离子喷涂过程中对各项参数起到实时、实值的监控作用，如电流、电压、火焰各区的温度分布、粉末粒子的速度、流量和熔化状态等，这就能全方位地保障生产过程中涂层参数的质量。另外，利用在线检测设备记录下来的实际喷涂参数与涂层性能结合起来分析，就能大大节约优选喷涂参数的时间，在科研攻关中起到事半功倍的效果。

（3）过程精细化

    在等离子喷涂设备方面，向采用气体质量流量计控制、净能量控制、机械手数控操作和自动称量数控送粉等方向改进；在过程检测方面，采用涂层厚度和应力在线无损检测等措施来实现过程的有效控制。

    通过开展焰流时值检测监控、涂层厚度和应力在线无损检测，以及实行热喷涂操作的自动化和数字化控制，以保证涂层质量的可靠性和再现性。

    总之，伴随着等离子喷涂技术及相关配套系统的进一步发展，等离子喷涂技术将在航空发动机涂层产品中得到更广泛的应用。 

3.数字化制造技术的发展趋势

    要提高发动机的研制和制造水平，必须在更广的范围和更深的层次上应用数字化技术，从整体上增强发动机企业的发展能力和核心竞争力。同时，我们也总结出数字化制造一些技术发展及其应用趋势：

（1）建立支持数字化制造的流程体系与组织模式。

    在制造生产全球一体化的形势下，制造系统面对的是异地分布的制造资源，所以未来的制造系统将采用并行化的先进制造理念和集成化的网络制造环境组织业务流程，并更加强调资源的合理重组和企业间及其企业内部的优化协作，以快速响应市场需求。

（2）实现各种资源的整合与协同。

    实现人力资源、知识与技术资源、制造资源、客户资源等企业资源的有效组织与协调，基于虚拟企业的组织体系使得企业各层次人员能够利用现有条件、方法与工具有效的协同工作，进一步提升各种资源的利用效率。

（3）建立贯穿产品全生命周期快速响应制造工程的模型和建模方法。

    建立快速产品设计、快速工艺设计与工装设计、快速加工与装配等模型，使它们的数据能够实现共享和继承、并可重用，基于单一数据源实现各阶段模型数据关联和无缝连接，为产品的优化设计、性能分析、生产制造、质量检验及企业生产系统规划、调度、各级过程管理与控制提供一体化模型支持。

（4）建立支持产品全生命周期的虚拟企业协同工作平台。

    结合具体行业应用，基于供应链的虚拟企业运行模式，建立从产品概念设计，详细设计，生产准备，零部件制造、装配到客户服务与维修保障的快速响应协同工作平台及其支撑系统，并实现这些应用系统之间的集成，建立支持各个应用系统及集成系统的知识库体系，建立基于协同工作平台的标准规范体系。

（5）由专业仿真和局部仿真向快速响应制造过程仿真发展。

    仿真技术在快速响应制造中的范围进一步扩展，仿真的精度进一步提高，在“产品、过程、资源及制造”的一体化集成平台和产品知识库支持下，由面向具体专业应用的局部仿真向基于产品数字样机的研制过程仿真的方向发展，实现虚拟环境下的产品创新设计、精益制造与基于人机工程的产品应用验证。

    数字化制造技术的应用是新一代航空发动机研制的必需手段和必由之路，需要各单位在投资方向、政策措施、人才引进等方面予以保障，重视理念的转变。并且要认清差距，抓住第4 代航空发动机立项研制的机遇，努力实现数字化制造技术应用水平的跨越式发展。

（赵照）

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