整體葉盤是為了滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，其將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和輪盤形成一體，省去了傳統(tǒng)連接中的榫頭、榫槽及鎖緊裝置等，減少結(jié)構(gòu)重量及零件數(shù)量，避免榫頭氣流損失，提高氣動(dòng)效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，現(xiàn)已在各國(guó)軍用和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，如EJ200、F119、F414等軍用發(fā)動(dòng)機(jī)，法國(guó)SNECMA公司生產(chǎn)的P.A.T驗(yàn)證核心機(jī)以及美國(guó)P&W 公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)等民用大流量比發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖1 整體葉盤結(jié)構(gòu)件
與整體葉盤諸多優(yōu)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，其制造工藝技術(shù)面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道開敞性差，加工精度要求高，葉片型面為空間自由曲面，導(dǎo)致對(duì)其制造技術(shù)要求極高，而且其工作條件多為高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、氣流交變等惡劣環(huán)境中，故整體葉盤廣泛采用鈦合金、高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物等先進(jìn)復(fù)合材料，材料的可加工性差，也使整體葉盤的綜合制造工藝技術(shù)成為世界性難題。
目前國(guó)外整體葉盤制造技術(shù)主要有：焊接工藝技術(shù)、銑削加工技術(shù)、精鍛制造技術(shù)、電解加工技術(shù)等，采用的工藝流程為：精密鍛造+數(shù)控加工；精密焊接+數(shù)控加工；高溫合金精鑄毛坯+熱等靜壓處理。其制造工藝技術(shù)的主要應(yīng)用如表1所示。美、英、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家在整體葉盤制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，且其具有先進(jìn)的銑削裝備、焊接工藝裝備等。
近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造技術(shù)的研究達(dá)到一定高度，已實(shí)現(xiàn)整體葉盤的完整制造，通過對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)及制造工藝需求分析，國(guó)內(nèi)采用復(fù)合制造工藝，主要?jiǎng)澐譃椋航尚蚊髦圃臁⒕_成形加工、表面拋光、表面處理等過程，每個(gè)工藝階段又劃出多種工藝技術(shù)，諸多工藝技術(shù)經(jīng)過復(fù)合形成各種不同的整體葉盤制造工藝流程，同時(shí)，其中一些技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于研究發(fā)展階段，其工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。
近成形制坯技術(shù)
整體葉盤精密制坯技術(shù)正在向近成形方向發(fā)展，近成形技術(shù)已成為材料加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，具有成本低、操作靈活及進(jìn)入市場(chǎng)周期短等特點(diǎn)，解決整體葉盤制造中的關(guān)鍵制造技術(shù)，從而提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)材、節(jié)能目標(biāo)。在整體葉盤制造中的近成形制坯技術(shù)主要包括：精密鍛造技術(shù)、精密鑄造技術(shù)、電子束焊接技術(shù)、線性摩擦焊接技術(shù)等。
目前，整體葉盤多采用精密鍛造工藝作為制坯手段，該技術(shù)不僅可以節(jié)省貴重金屬材料，減少難加工材料的機(jī)械加工量，而且提高整體葉盤的疲勞強(qiáng)度和使用壽命?，F(xiàn)代精密鍛造技術(shù)在整體葉盤近成形過程中，對(duì)整體葉盤鍛件進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，葉片和輪盤部分留有較小的余量，既要保證足夠的變形量，又要保證葉片的成形。等溫鍛造技術(shù)與超塑等溫模鍛技術(shù)的應(yīng)用為高溫合金和鈦合金壓氣機(jī)盤的制坯過程提供了保證，獲得優(yōu)異的組織和力學(xué)性能。
美國(guó)GE公司應(yīng)用等溫鍛造技術(shù)制造出帶葉片的壓氣機(jī)整體葉盤轉(zhuǎn)子，材料利用率提高4倍。精密鍛造零件的尺寸精度可以達(dá)到0.1~0.25mm，表面粗糙度達(dá)到0.4~1.6μm。國(guó)內(nèi)寶山鋼鐵股份有限公司對(duì)鈦合金整體葉盤等溫鍛造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并對(duì)鍛件圖的簡(jiǎn)化、精化、模具、成形等進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)鈦合金整體葉盤進(jìn)行成形試驗(yàn)，鍛壓結(jié)果顯示，鍛件各部位未發(fā)生折疊及其他缺陷，成形良好。
由于精密鑄造工藝及鑄造數(shù)值模擬軟件技術(shù)的新發(fā)展，特別是金屬材料定向凝固和熱等靜壓理論的深入研究，在改善鑄造合金組織和性能、預(yù)測(cè)鑄造尺寸變形、鑄造缺陷、優(yōu)化鑄造工藝方面發(fā)揮越來越大的作用，不僅使得鑄造合金組織和性能得到大大改善，也解決了葉片表面疲勞裂紋沿垂直于葉片主應(yīng)力方向的晶粒邊界發(fā)生的問題，提高了葉片抗疲勞特性、減少表面裂紋。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)廣泛開展具有定向葉片和等軸細(xì)晶輪轂的整體葉盤鑄造工藝研究，成功實(shí)現(xiàn)基于Mar2M247、CM681定向合金材料的雙性能整體葉盤鑄造技術(shù)，即整體葉盤的葉片為定向柱晶，輪盤為等軸晶。
我國(guó)航空材料研究院對(duì)整體葉盤的精密鑄造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，分析雙性能合金材料的選擇、整體葉盤組織的形成方法、控制措施和澆注工藝參數(shù)以及熱處理對(duì)整體葉盤力學(xué)性能的影響，為鑄造工藝設(shè)計(jì)特殊裝置，使葉片凝固過程中獲得徑向溫度梯度，并且通過不同的試驗(yàn)方案，成功鑄造出直徑120mm，帶有34個(gè)葉片的渦輪整體葉盤，如圖3所示。
圖3 整體葉盤鑄造樣件
電子束焊是通過加速和聚焦的電子束，轟擊置于真空或非真空中的焊件，利用所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法。電子束焊接容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接，具有焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且其具有自動(dòng)焊縫跟蹤、速流偏轉(zhuǎn)、多熔池焊接等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使其廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)。
由于電子束焊發(fā)展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，最先用于整體葉盤的制造過程中，據(jù)相關(guān)資料顯EJ200第三級(jí)風(fēng)扇葉盤是最早通過電子束焊技術(shù)成形的整體葉盤，先將單個(gè)葉片用電子束焊接成葉片環(huán)，然后用電子束焊接技術(shù)將鍛造和電解加工成形的輪盤腹板與葉片環(huán)焊接成整體葉盤結(jié)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤電子束焊接工藝主要應(yīng)用于鈦合金材料整體葉盤，諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)整體葉盤電子束焊接進(jìn)行大量研究試驗(yàn)。中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)中心對(duì)TC4整體葉盤電子束焊接工藝中的變形控制方法進(jìn)行大量研究，提出了綜合應(yīng)用焊接工藝優(yōu)化、剛性固定、真空熱處理和電子束局部加熱相結(jié)合的變形控制方法，并通過相關(guān)試驗(yàn)有效地控制了焊接變形，實(shí)現(xiàn)了電子束焊接整體葉盤結(jié)構(gòu)的制造。
電子束焊接整體葉盤技術(shù)由于其較高的穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)整體葉盤制造領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，而其局限性在于只適宜于鈦合金葉盤的焊接工藝，對(duì)高溫合金整體葉盤焊接存在較大的技術(shù)缺陷，尚需要進(jìn)行更為深入的研究。
線性摩擦焊接技術(shù)
線性摩擦焊是一種固相焊接技術(shù)，在焊接壓力Pf作用下，其中一個(gè)焊件相對(duì)另一個(gè)焊件沿直線方向以一定的振幅A和頻率f作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生摩擦粘結(jié)與剪切并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦界面溫度上升，當(dāng)摩擦表面達(dá)到粘塑性狀態(tài)時(shí)，在壓力的作用下焊合區(qū)金屬發(fā)生塑性流動(dòng)形成飛邊，當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度和變形達(dá)到一定程度后，焊件對(duì)齊并施加頂鍛壓力Pu，焊合區(qū)金屬通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶使金屬焊為一體，完成整個(gè)焊接過程，其工藝過程如圖4所示，主要包括以下5個(gè)工藝過程：初始摩擦階段、不穩(wěn)定摩擦階段、穩(wěn)定摩擦階段、停振階段、頂鍛維持階段。
線性摩擦焊原理示意圖
線性摩擦焊技術(shù)在整體葉盤制造中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：
（1）加工效率高，材料損耗小。線性摩擦焊相比于數(shù)控銑削，可以節(jié)省大量的貴重金屬，提高金屬利用率；焊接過程中完全自動(dòng)化，人為參與因素很小，焊接控制參數(shù)如壓力、時(shí)間、頻率和振幅等參數(shù)控制簡(jiǎn)單，故其可靠性高，且使加工時(shí)間大幅降低，效率明顯提高。
（2）焊接質(zhì)量高，焊接過程中不產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象，由于加熱時(shí)間短，熱影響區(qū)窄，組織無明顯粗化。在焊接鋁、鈦合金材料中，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。
（3）線性摩擦焊可以焊接2種不同的材料，因此，可根據(jù)整體葉盤需要，為進(jìn)一步減輕重量，提高推重比，選用合適的材料進(jìn)行焊接加工。同時(shí)，線性摩擦焊對(duì)單個(gè)葉片可以進(jìn)行修復(fù)工作，顯著提高整體葉盤應(yīng)用率，降低其成本。
由于線性摩擦焊獨(dú)特的工藝特點(diǎn)，在整體葉盤制造技術(shù)領(lǐng)域，已逐漸取代電子束焊接，如EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤在1994年開始利用線性摩擦焊取代原電子束焊接技術(shù)。英國(guó)R·R公司已采用線性摩擦焊技術(shù)制造出寬弦風(fēng)扇整體葉盤。
國(guó)內(nèi)中航工業(yè)北京航空制造工程研究所與西北工業(yè)大學(xué)對(duì)整體葉盤線性摩擦焊技術(shù)進(jìn)行大量研究，北京航空制造工程研究所對(duì)其工藝過程各個(gè)階段進(jìn)行分析，包括工藝過程中的飛邊形貌、接頭組織、拉伸性能及力學(xué)性能等，從而獲得影響焊接件質(zhì)量的工藝參數(shù)，為整體葉盤線性摩擦焊接技術(shù)提供大量理論依據(jù)。西北工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)整體葉盤線性摩擦焊裝備，對(duì)線性摩擦焊機(jī)施力系統(tǒng)模糊PID控制方法進(jìn)行研究，制定模糊控制算法規(guī)則，確定各規(guī)則參數(shù)，從而建立線性摩擦焊機(jī)施力閉環(huán)控制系統(tǒng)，此外，還對(duì)夾具系統(tǒng)彈性變形對(duì)焊接過程的影響進(jìn)行分析，通過建立線性摩擦焊接過程的動(dòng)力學(xué)理論模型，研究了固定夾具的彈性振動(dòng)對(duì)線性摩擦焊機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力、機(jī)械功率及產(chǎn)熱功率的影響，從而為線性摩擦焊裝備設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。
總之，我國(guó)對(duì)線性摩擦焊技術(shù)的研究尚淺，對(duì)其機(jī)理研究，產(chǎn)熱變熱、變形流動(dòng)、組織轉(zhuǎn)變等技術(shù)仍需投入大量研究，在21世紀(jì)，線性摩擦焊技術(shù)將繼續(xù)飛速發(fā)展，應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、空心葉片葉盤等的制造。
國(guó)內(nèi)在整體葉盤制造領(lǐng)域的精確成形加工技術(shù)主要包括：數(shù)控銑削加工技術(shù)、數(shù)控電解加工技術(shù)以及電火花加工技術(shù)等。由于其存在不同的技術(shù)局限性，各工藝技術(shù)向著高效、低耗、低成本方向發(fā)展。
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削加工由于其具有快速反應(yīng)性、可靠性高、加工柔性好及生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等優(yōu)點(diǎn)，在整體葉盤制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)GE和P·W公司、英國(guó)R·R公司等，多采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工整體葉盤。
國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)于1991年起對(duì)整體葉盤制造技術(shù)進(jìn)行研究，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了“葉輪類零件多坐標(biāo)NC 編程專用軟件系統(tǒng)”，該系統(tǒng)集測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面建模、曲面消隱、刀位計(jì)算、刀位驗(yàn)證及后置處理于一體，經(jīng)過多年的分析研究，完成了整體葉盤數(shù)字化精密制造技術(shù)關(guān)鍵工藝，采用側(cè)銑與插銑復(fù)合高效銑加工，完成葉盤的粗精加工，進(jìn)行刀位點(diǎn)計(jì)算及加工軌跡優(yōu)化，直紋面擬合等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，此外，其自主研發(fā)高效盤銑- 插銑復(fù)合銑削中心，對(duì)提高整體葉盤銑削效率有著重大意義，其主要銑削加工方法及加工樣件如圖5所示。
整體葉盤數(shù)控銑削方法及樣件
電解加工是基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理來去除金屬材料的加工方法，其技術(shù)的先進(jìn)性（計(jì)算機(jī)控制加工過程），能很好地保證加工精度與質(zhì)量，提高加工穩(wěn)定性，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，是優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應(yīng)地解決整體葉盤加工難題的技術(shù)途徑之一。
數(shù)控電解加工技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)數(shù)控和電解加工兩者技術(shù)特點(diǎn)，工具陰極無損耗，無宏觀切削力，適宜加工薄葉片、狹窄通道的整體葉盤，且其以數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)型面的創(chuàng)成運(yùn)動(dòng)，加工范圍廣。因此，該工藝技術(shù)適合于加工小直徑、多葉片、小葉間通道（1.5~3mm寬度）及變截面扭曲葉片的整體葉盤。
美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)整體葉盤數(shù)控電解加工技術(shù)進(jìn)行深入研究并得到應(yīng)用，美國(guó)GE 公司以五軸數(shù)控電解加工方法，對(duì)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤加工，其粗加工、半精加工、精加工工藝都采用電解加工方法，加工出的葉型厚度公差為0.10mm，型面公差為0.10mm[21]。在帶冠整體葉盤的加工中，俄羅斯采用機(jī)械仿形電火花與電解加工組合工藝，電解加工技術(shù)既提高了加工效率，又去除了電火花加工后的表面變質(zhì)層，提高表面質(zhì)量。
國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤數(shù)控電解加工技術(shù)的研究尚淺，南京航空航天大學(xué)從80年代中期開始對(duì)其進(jìn)行研究，提出了“直線刃”陰極數(shù)控展成電解加工和成形或近成形陰極柔性電解加工方法，以簡(jiǎn)單的直線刃陰極進(jìn)行數(shù)控展成運(yùn)動(dòng)，基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理而實(shí)現(xiàn)整體葉盤葉間槽與葉片型面的成形加工，如圖6所示。由于數(shù)控電解加工需采用多軸數(shù)控電解機(jī)床，對(duì)數(shù)控技術(shù)水平要求高，電解成形規(guī)律掌握較困難，目前正處于研究階段，其有望解決數(shù)控銑削無法實(shí)現(xiàn)的整體葉盤加工。
直線刃陰極數(shù)控電解加工過程
電火花加工技術(shù)
電火花加工是通過浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用，來達(dá)到蝕除導(dǎo)電材料目的的一種特種加工方法。在整體葉盤加工過程中，與數(shù)控電解加工以及數(shù)控銑削加工技術(shù)相比，電火花加工技術(shù)存在以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
（1）加工范圍廣泛，可以對(duì)傳統(tǒng)難切削材料，如高溫合金、硬質(zhì)合金、鈦合金等進(jìn)行加工。
（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道狹窄的整體葉盤件加工存在明顯優(yōu)勢(shì)，可以完成復(fù)雜的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，有效避免電極與工件之間的干涉問題。
（3）加工中不存在宏觀切削力，電極與工件均不會(huì)產(chǎn)生宏觀變形，同時(shí)，不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷。
由于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，電火花加工在帶冠整體葉盤加工中得到廣泛應(yīng)用。上海交通大學(xué)對(duì)渦輪整體葉盤電火花加工技術(shù)深入研究，開發(fā)出專用CAD/CAM軟件，可以完成渦輪整體葉盤造型、電極CAD/CAM、工具點(diǎn)擊軌跡搜索等功能，且對(duì)渦輪葉盤進(jìn)行電火花加工獲得較高型面精度的整體葉盤。
整體葉盤經(jīng)過近成形及精確成形加工后，其表面質(zhì)量尚無法滿足其技術(shù)要求，還需要經(jīng)過表面拋光及處理工藝，來降低其表面粗糙度，提高型面精度，從而提高葉盤疲勞強(qiáng)度及使用壽命?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)于整體葉盤的表面拋光工藝仍處于手工打磨階段，人工拋光不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，而且拋光表面易燒傷，型面精度和表面完整性難以保證，導(dǎo)致葉盤可靠性降低，同時(shí)受到工人技術(shù)等級(jí)和熟練程度的影響，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能、安全可靠性以及生產(chǎn)周期。因此，迫切需要對(duì)整體葉盤表面自動(dòng)化拋光技術(shù)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化拋光工藝。對(duì)整體葉盤表面拋光及處理技術(shù)主要包括：磨粒流拋光技術(shù)、數(shù)控拋光技術(shù)、激光沖擊處理技術(shù)、表面噴丸及光飾技術(shù)等。
磨粒流光整技術(shù)是美國(guó)在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)光整新工藝，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、模具制造業(yè)中的關(guān)鍵零件拋光工藝。磨粒流加工時(shí)通過軟性磨料介質(zhì)，一種載有磨料的粘彈體，在壓力作用下往復(fù)流過零件被加工面而實(shí)現(xiàn)光整效果，對(duì)于一般工具難以接觸的零件內(nèi)腔，磨粒流光整技術(shù)的優(yōu)越性尤為突出。
我國(guó)引進(jìn)磨粒流光整技術(shù)，經(jīng)過幾年的研究，北京航空工藝研究所在磨粒流拋光技術(shù)方面取得較大進(jìn)展，并將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪和鈦合金整體葉盤葉輪的型面拋光，在某型發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，采用磨粒流工藝進(jìn)行了前置擴(kuò)壓器葉片型面拋光，均勻去除葉片腐蝕層，改善了零件抗疲勞性能。但是，由于技術(shù)起步較晚，工藝缺乏更深入的研究，對(duì)于磨粒流光整中的關(guān)鍵技術(shù)，還需要在實(shí)踐中進(jìn)行不斷的摸索和完善。
國(guó)外在整體葉盤拋光技術(shù)方面已經(jīng)取得了大量的成果，日本較早地將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于整體葉盤拋光中，成功地研制出了拋光加工機(jī)器人并投入應(yīng)用，并且提出了通過GC（grinding center）進(jìn)行自由曲面拋光的新型工藝，經(jīng)過技術(shù)研究和應(yīng)用，最終在拋光試驗(yàn)中達(dá)到了較高的表面質(zhì)量，在拋光過程解決了磨削中由于NC誤差導(dǎo)致的拋光軌跡誤差。
西北工業(yè)大學(xué)對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)及其材料特性進(jìn)行大量分析，借鑒五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削技術(shù)，為擬合整體葉盤葉片自由曲面，提出整體葉盤五軸聯(lián)動(dòng)柔性拋光系統(tǒng)，并建立試驗(yàn)平臺(tái)，通過磨頭機(jī)構(gòu)的柔性作用，使其在拋光過程中能夠適應(yīng)葉片型面，對(duì)葉片表面波紋及微變形量進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，達(dá)到葉盤表面精密拋光[29]，其建立拋光工藝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，并且對(duì)整體葉盤進(jìn)行了初步拋光試驗(yàn)，如圖8所示，目前還需對(duì)整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)進(jìn)行不斷的完善和提高。
整體葉盤拋光裝備
激光沖擊處理技術(shù)是利用高峰值功率密度的激光產(chǎn)生高壓等離子體，等離子體受約束產(chǎn)生沖擊波使金屬材料表層產(chǎn)生塑性變形，獲得表面殘余壓應(yīng)力層。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)于20世紀(jì)70年代已開始研究，由于其設(shè)備昂貴、效率較低，應(yīng)用較少，直到20世紀(jì)90年代，激光沖擊強(qiáng)化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，21世紀(jì)后，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大幅度提高了部件疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能、抗沖擊性能。
整體葉盤拋光設(shè)備
中航工業(yè)北京航空制造工程研究所研究分析了整體葉盤葉片邊緣激光沖擊強(qiáng)化的關(guān)鍵難題，采用雙光束雙面強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)整體葉盤葉片進(jìn)排氣邊緣、葉尖、葉根等不同部位進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，如圖9所示。
圖9 激光沖擊強(qiáng)化整體葉盤
整體葉盤不同部位的強(qiáng)化會(huì)導(dǎo)致激光入射角度的變化，且兩路激光發(fā)生平衡問題，因此對(duì)激光沖擊處理技術(shù)增加了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前，我國(guó)對(duì)整體葉盤葉片強(qiáng)化還存在諸多難題，例如由于葉盤空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工藝的復(fù)雜性，鈦合金材料激光沖擊強(qiáng)化所需功率密度高，表面型面精度要求高等，仍需要進(jìn)行大量的強(qiáng)化試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，確保葉片固有頻率、型面尺寸、葉尖部位輪廓度、粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤沖擊處理技術(shù)還尚無應(yīng)用實(shí)例，但已具有良好研究基礎(chǔ)，該技術(shù)必將在國(guó)內(nèi)踏上產(chǎn)業(yè)化的道路。
葉片表面光飾與噴丸技術(shù)都是葉片表面強(qiáng)化的工藝方法，其作用在于消除內(nèi)部有害加工應(yīng)力，提高葉片疲勞強(qiáng)度。目前，葉片光飾與噴丸技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤與葉片制造中，振動(dòng)光飾與噴丸技術(shù)從不同方面提高整體葉盤與葉片的抗疲勞強(qiáng)度，由于振動(dòng)光飾后葉片表面質(zhì)量及抗疲勞強(qiáng)度均易遭到破壞，因此，國(guó)內(nèi)普遍采用噴丸工藝對(duì)整體葉盤葉片表面進(jìn)行處理，其穩(wěn)定性高，更有利于提高整體葉盤葉片抗疲勞強(qiáng)度。
在整體葉盤制造工藝過程中，各種近成形技術(shù)與精確成形技術(shù)相互滲透，形成整體葉盤復(fù)合制造工藝，各工藝技術(shù)有其優(yōu)越性和局限性，無法以一種方法替代其他所有工藝方法。而對(duì)于國(guó)內(nèi)目前普遍采用的整體葉盤制造技術(shù)，如精密鑄造及鍛造技術(shù)、精密焊接技術(shù)、數(shù)控銑削技術(shù)、數(shù)控電解加工技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，如表2所示。
隨著整體葉盤在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用，未來高推重比、涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)使整體葉盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，優(yōu)異的SiC或C/C復(fù)合材料等在整體葉盤上的應(yīng)用，對(duì)整體葉盤制造技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)，各國(guó)都投入大量的人力、物力對(duì)整體葉盤制造技術(shù)進(jìn)行研究，尋求低成本、低污染、高效率、高質(zhì)量的復(fù)合制造技術(shù)，以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)整體葉盤的需求。目前，我國(guó)對(duì)整體葉盤的制造多采用精密鍛造、電解加工、數(shù)控銑削的復(fù)合制造工藝技術(shù)，其制造技術(shù)仍需投入大量的研究，提高整體葉盤制造效率，降低其制造成本，提高其表面質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤的高效、高質(zhì)、低耗制造。