航空工艺技术
AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY
1999年 第2期 No.2 1999



涡扇发动机风扇叶片及其成形工艺

刘家富
　　[摘要]　综述了涡扇发动机风扇叶片的发展及各种风扇叶片的成形工艺。
　　关键词：涡扇发动机　风扇叶片　成形工艺　超塑成形/扩散连接
Fan Blade of Turbofan and Its Forming Technology
　　[ABSTRACT]　The development of fan blade of turbofan and the forming technology of all kinds of fan blades are summarized in the paper.
　　Keywords: Turbofan　Fan blade　Forming technology　SPF/DB
　　涡扇发动机具有耗油率低、起飞动力大、噪音低和迎风面积大等特点。60年代中期，它只应用于客机和轰炸机，当时人们普遍认为，它很难在高速歼击机上应用。自70年代以来，带加力的高推比涡扇发动机的相继问世，使战斗机的性能提高到了一个新的水平，从而彻底改变了人们对涡扇发动机的偏见。90年代中期，又为第四代战斗机成功研制了推重比10带加力的涡扇发动机。与此同时，为满足发展巨型、远程运输机、宽机身客机的需要，国外先进的发动机厂家又研制成功了大推力、低耗油率、大流量比的涡扇发动机。时至今日，涡扇发动机已是应用数量最多、范围最广和最有发展前景的航空发动机。
　　风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。初期的风扇叶片材料为钛合金，具有实心、窄弦、带阻尼凸台结构。现今，风扇叶片在材料、结构方面已改进许多。为了增强刚性，防止振动或颤振，提高风扇叶片的气动效率，用宽弦结构代表了窄弦、带阻尼凸台结构；为了减轻重量，用夹芯或空心结构取代了实心结构；为了增大流量比，提高大推力涡扇发动机推进效率，风扇转子直径已增大到了3 242 mm，风扇叶尖速度已高达457 m/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，风扇叶片的成形工艺始终是涡扇发动机的关键制造技术之一。
1　早期风扇叶片
　　早期风扇叶片为大尺寸实心结构，为防止共振及颤振，它的叶身中部常带有一个阻尼凸台(又称减振凸台)。所有叶片的凸台连成一环状，既增强了刚性又改变了叶片固有频率，减小了叶根弯曲和扭转应力。阻尼凸台接合面喷涂有耐磨合金，当叶片振动时，接合面相互摩擦可起阻尼作用。阻尼凸台一般位于距叶根约整个叶片长度的50%～70%处。阻尼凸台的存在带来一系列问题，如：由于它的存在及它与叶身连接处的局部加厚，使流道面积减少约2%，使空气流量降低，造成气流压力损失，使压气机效率下降，发动机耗油率增加；增加了叶身重量，使叶片离心力负荷加大；使叶片制造工艺更加复杂。在有些风扇叶片上，为了增强抗外物撞击损伤能力，叶身上除了阻尼凸台以外，还有较厚的加强筋。
　　CFM56-3和CFM56-5发动机风扇转子直径约1 700 mm，风扇叶片长约600 mm，由整体钛合金锻件经机械加工而成。风扇叶片毛坯先镦锻出叶根和阻尼凸台，经预锻成形，再精锻、切边。叶身成形可用数控铣、数控仿形磨、电解加工和抛光等工艺。随着叶片批量生产的增加，应尽量采用精锻法生产出钛合金风扇叶片的锻坯，以提高材料的利用率，减少机械加工工作量和提高风扇叶片的使用寿命。但生产这样大的风扇叶片精锻毛坯，需要使用昂贵的高精度的万吨级机械压力机或螺旋压力机，所需模具的尺寸大、精度也高。因此，精锻工序的成本很高。
2　第一代宽弦无凸台风扇叶片
　　针对早期风扇叶片存在的缺点，英国罗*罗公司80年代首先研制成功了面板夹蜂窝芯组成的宽弦无凸台风扇叶片，即第一代宽弦无凸台风扇叶片，并在RB211-535E和V2500等发动机上应用。叶片弦长比原来增加40%左右，由于刚性增强，因而取消了凸台。第一代宽弦无凸台风扇叶片具有以下优点：采用宽弦叶片后，转子叶片数量减少了1/3，转子重量一般可减轻10%～30%；蜂窝芯结构还可改善叶片的减振特性；与带阻尼凸台的窄弦风扇叶片相比，叶栅通道面积加大，喘振裕度变宽，级效率提高，寿命增加。
　　第一代宽弦无凸台风扇叶片制造的主要工序如图1所示。叶背、叶盆面板用钛合金(Ti-6Al-4V)热轧板材，经精锻或等温锻成形。化铣除去污染层，并将面板腐蚀成设计要求的气动外形和相应的内腔。夹芯蜂窝块用钛合金箔板辊压成波纹板，再用电阻焊焊接而成，然后将两面板和夹芯蜂窝块采用活性扩散焊将其焊成整体结构。叶片的外型面还要在数控铣床上精加工。经破坏性试验证明，活性扩散连接性能很好，连接处从未开裂。风扇叶片投入使用前，还经过了严格的投鸟考核试验。V2500发动机在使用中曾遭受多次巨鸟的撞击事件，发动机仍然安全无恙，这充分证明了这种风扇叶片的结构设计和制造技术是非常成功的。

图1　第一代宽弦无凸台风扇叶片的主要制造工序
Fig.1　Main process for the first generation
wide chord lobe_free fan blade
3　第二代宽弦无凸台风扇叶片
　　用超塑成形/扩散连接组合工艺制成的风扇叶片，即罗.罗公司的第二代宽弦无凸台风扇叶片，它的芯部用建筑物上常用的三角形桁架结构取代了第一代宽弦无凸台风扇叶片的蜂窝芯板。这种三角形桁架结构不仅轻，而且能参与承力，每片叶片重量比蜂窝芯风扇叶片少15%。这种风扇叶片已用于A330和波音777飞机的遄达发动机上。该发动机风扇转子直径为2 794 mm，风扇叶片速度为457 m/s，每个叶片重9 kg，气动设计和制造技术均处于当今世界先进水平。
　　第二代宽弦无凸台风扇叶片采用三层板超塑成形/扩散连接组合成形工艺，其工艺过程见图2。首先在中间芯板上按一定图形喷涂止焊剂。其次将芯板与两层面板用氩弧焊焊接缝边(留有进气口)，将焊好的三层板放入叶片型面的模具内，连同模具一起放入带有加热系统的压气机内。当加热至超塑成形/扩散连接温度(钛合金为920 ℃)时，向模内吹入一定压力的氩气(1.5～2 MPa)，然后保温、保压，使三层板在各预定部位和周边(无止焊剂部位)进行扩散连接。连接完成后，再向三层板内吹入一定压力的氩气进行超塑成形，两层面板在超塑状态下进行拉伸和扭曲变形，中间芯板延展变形，形成格形结构。在向三层板内吹入氩气时，模内氩气应逐渐排出。板材完全贴模成形后，随炉冷却。最后取出叶片进行表面化铣，数控加工叶根、叶型边缘，经终检后得到成品。

图2　第二代宽弦无凸台风扇叶片的制造工艺过程
Fig.2　Process of the second generation
wide chord lobe_free fan blade
4　钛合金宽弦无凸台空心风扇叶片
　　美国普惠公司在制造钛合金宽弦无凸台空心风扇叶片时，采用了超塑成形/扩散连接工艺。其制造过程如图3所示。叶身由机械加工铣削成带肋的两半片对称的扁平叶身，将两半叶身在平板状态下放入模具内，用扩散连接方法将两半扁平叶身面对面焊成一体，再用超塑成形工艺使叶片成形。成形过程分成两步：第1步先将叶片毛坯放在一个形状与叶片成品相似的夹具内，并将它放入真空炉内加热至超塑状态，毛坯在重力作用下附在夹具上，使叶片扭度达到要求值的90%；第2步再将叶片放入最终成形模内，向叶片内吹入一定压力的氩气，在超塑状态下，使叶片100%贴模。最后取出成形的叶片，数控加工叶根。

图3　钛合金宽弦无凸台空心风扇叶片的制造工艺过程
Fig.3　Process of Ti alloy wide chord
lobe-free hollow fan blade
　　普惠公司应用这一方法已制造出F119发动机的一级风扇叶片和波音777飞机的PW4084发动机的大型风扇叶片。其中，PW4084发动机风扇转子直径为2 849 mm，风扇叶尖速度达387 m/s。
5　高韧性环氧复合材料风扇叶片
　　美国通用电气公司在GE90发动机上，用高韧性环氧树脂复合材料代替钛合金制成了当今世界上最大的风扇叶片。该风扇叶高1.1 m，弦长0.61 m，风扇转 子直径3 242 mm，风扇叶尖速度360～390 m/s。设计和制造这种风扇叶片是冒很大技术风险的。为提高叶片抗分层性能和抗剪强度，通用电气公司发展了一种称之为大力神8551－7／IM7的增韧环氧/石墨纤维。在环氧中加入卡芙拉(kevlar)微粒。用模压成形法制造树脂基复合材料风扇叶片的工艺过程如下：首先用模板法或冲模法截取各个铺层，由于每个铺层尺寸大小不一，可用计算机放样技术来确定它的尺寸。再将不同铺层以一定顺序装在模具上，按给定工艺参数进行固化。脱模后对叶片进行加工、去毛刺、修整和钻孔，按顺序在叶片前缘铺上胶膜、丝网和装配完金属保护板后，在一定工艺条件下加热、加压固化。最后脱模修整后，对叶片表面进行喷砂处理，打底漆，并涂上0.2～0.25 mm厚的聚氨酯涂料，待其干燥固化后，即得到带有前缘保护的实心复合材料叶片。
　　用高韧环氧复合材料制造的风扇叶片比钛合金夹芯结构的风扇叶片轻3 184 g。在抗振特别是抗颤振性能方面也优于钛合金，抗鸟击能力和低噪音指标也获得适航当局的合格批准。装高韧环氧复合材料风扇叶片的GE90发动机已装于波音777飞机，并在1995年投入航线运营使用。
6　金属基复合材料风扇叶片
　　美国普惠公司正在研制连续碳化硅纤维增强的钛基复合材料风扇叶片。这种用超塑成形/扩散连接工艺制成的重量轻、刚性好、耐撞击破坏强度高的空心风扇叶片可使发动机风扇级再减重约14%。
　　金属基复合材料风扇叶片的制造过程如下：首先将碳化硅纤维(SCS-6)和钛合金(Ti-6Al-4V)制成钛面板，经X射线、超声波、金相和尺寸检查合格后将它加工成楔形板，再用超塑成形/扩散连接工艺将它制成成形板；然后对成形板进行尺寸和无损检测，以确保金属基复合材料有效连接和成形、内部无缺陷、表面无裂纹、增强纤维无任何变化，并保证蒙皮与芯板的连接缝、扩散连接面的连接质量；最后将检查合格的成形板，按风扇叶片尺寸要求制成叠板组件，用超塑成形/扩散连接工艺成形。叶片蒙皮厚度从根部到叶尖递减。蒙皮的制造方法是将单向排列的SCS-6纤维与钛交织成织物(用钛箔控制纤维间隔)按照厚度要求确定蒙皮层数，最后在热等静压罐内扩散结合。

作者单位：刘家富（北京航空工艺研究所　研究员）
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