整體葉盤
關注創建者：用戶_25294 創建時間：2023-05-29
整體葉盤的實例教程
自2005 年以來，激光增材制造鈦合金飛機機身主承力框、翼身根肋、起落架等大型整體關鍵承力構件，在國產海空軍新一代戰斗機，大型運輸機、運載火箭等航空航天重大裝備研制和生產中獲得了廣泛應用。最新消息稱，已研制成功具有原創核心技術、世界最大的激光增材制造設備（成形能力達7米×4米×3.5米），以及世界最大的16平方米3D打印（某大型轟炸機）某發動機鈦合金加強框。2016年1月18日，王華明院士主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”項目獲得國家技術發明一等獎。
軍事觀察者根據國內外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰斗機用發動機關鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝， 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進航空發動機鈦合金整體葉盤，具有極為優異的綜合力學性能。新一代高性能軍用飛機的優異作戰性能強烈依賴于先進高推重比航空發動機的應用，而整體葉盤技術將發動機葉片、輪 盤等零件集成設計為一個整體構件，可大幅減少零件數量，減輕結構質量，從而提高發動機的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統的榫齒連接結構相比，每個整體葉盤可減重約30％。
國外第三代航空發動機的最新改型，如F414，Ｆ110-GE-129G，Ｆ100-PW-229A發動機均部分改用了整體葉盤，大幅提高了發動機推重比；第四代發動機如EJ200，Ｆ119，Ｆ135的風扇和高壓壓氣機則全部使用了整體葉盤制造技術。隨著整體葉盤結構設計和加工能力的提升及工程應用經驗的積累，其在發動機中的應用技術不斷發展成熟。
展開 圖5?激光堆焊修復葉片葉冠損傷部位
圖6?激光焊接補片修理整體盤葉片
美國霍尼韋爾公司已經成功將激光焊接技術應用于Avro RJ支線噴氣系列飛機發動機LF507的葉片修理。加拿大Liburdi集團公司采用自動送絲激光焊接設備進行葉片修理，已實現了RB211發動機高、中、低壓渦輪葉片修理（見圖7），并于2001年獲得R&R公司授權專門從事RB211發動機葉片和其他部件的激光焊接修復。德國MTU公司開發了可用于風扇整體葉盤的葉片損傷修復的激光焊接技術，形成了焊接、機械加工、精密拋光和無損檢測修理規范。
圖7?自動送絲激光焊修理渦輪葉片
激光低熱輸入精密金屬沉積工藝是H&R公司的專利技術，與激光填絲焊接類似，主要是利用激光熔化金屬扁絲進行一層一層地堆積，不同的是，這種技術無需待修理件上建立熔池。美國海軍和空軍已將該技術成功地應用于受損整體葉盤修理，使修理時間縮短、精度提高、費用減少、壽命延長，并在T700發動機壓氣機第1級整體葉盤上得到驗證。在此基礎上，H&R公司針對普惠公司F135發動機修理，完成了相關的高循環疲勞試驗和評估，達到與T700發動機壓氣機整體葉盤相同的修理水平。
國內在激光增材修復技術方面開展了較多的研究，已完成了多種結構、材料發動機構件的修理驗證，但在激光焊接修理應用研究相對較少。中科院金屬所采用激光顯微焊進行原位無損修復，該技術具有可獲得內應力最小、空間界面結合最好、缺陷立體修復區最小的優點，已成功應用于我國研制的某機空心導向葉片的鑄造工藝孔修復，以及低壓渦輪1、2級三聯體無余量精鑄導向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷的修理，通過了裝機臺架試車考核。
展開 SIA-LSP-11型激光沖擊強化設備是沈陽自動化所自主開發的整體葉盤二代激光沖擊強化設備，在前期開發經驗基礎上，對設備整體功能進行了優化設計，不僅強化了航空發動機整體葉盤，還強化了焊縫、榫頭、榫槽等多種復雜曲面零件。正式投產運行后將進一步提升航空結構件的使役性能，助力航空裝備快速發展。
SIA-LSP-21型激光沖擊波科研平臺具有雙波長、多光束、多形光斑并行加工能力，擁有人機友好共融的開放式操作系統、協同控制軟件、工藝數據庫、歷史查詢軟件、操作人員管理軟件，并可二次開發與拓展，適于多種激光沖擊強化工藝方法研究，可為我國激光沖擊強化科學研究提供支持。
2018年，沈陽自動化所裝備制造技術研究室激光沖擊團隊在基礎研究與工藝開發方面也取得了多項成果，建立了激光沖擊強化數學模型，可以精確預測激光沖擊強化后的殘余應力場；開展渦輪 盤鎳基高溫合金溫控激光沖擊強化工藝與機理的研究，突破高溫端激光沖擊延壽技術瓶頸；在AID Advances，Opto-Electronic Advances，《稀有金屬學報》，《中國激光》等期刊中發表相關研究成果10余篇。
沈陽自動化所裝備制造技術研究室經過多年的技術積累與創新，在激光沖擊強化技術實現持續引領行業的基礎上，開展了強化機制、工藝與裝備集成研究，具備產學研一體化技術攻關及工程實施的全套解決方案，助力高端裝備發展。
展開 正因為極端條件下的苛刻要求，美帝有些發動機，為了減少不必要的連接和縫隙，核心部件就從整個大鐵疙瘩里一點一點削出來，俗稱整體葉盤。
葉片和圓盤連在一起，不但更牢固，重量還能下降30%。我們心領神會，據說已經引進了最先進的整體葉盤制造技術。
這圖就開個玩笑，自家展會上的，只是試刀用的樣品。整體葉盤逐漸成為發動機主流，美帝計劃2020年戰斗機渦輪全采用整體葉盤，不過加工這玩意兒手藝不是一般的高明，通常需要五軸聯動機床。說到機床，哎……
順便說一說美俄思路的差異。毛子的數學功底是融到骨子里的，所以毛子經常靠線性計算搞定一切。蘇27的發動機就是用銷釘固定，毛子就是任性的把受力分布計算到極致，發動機硬是不散架!這功夫也是沒誰了!
雖然航空發動機極高溫極高壓，但工作時間畢竟短，還有一種場景是溫度壓力稍微低點，但工作時間非常長，由于溫度和時間具有一定的當量關系，這其實是一回事。對鋼的穩定性評價通常采用“高溫長時效試驗”，舉例來說：蒸汽輪機葉片鋼試驗時間通常要超過10000h，若把溫度提高到670度，試驗時間可以縮短到400h。
所以除了航空發動機，我們的大功率蒸汽輪機、燃氣輪機也是苦的一逼!鍵盤俠們可集中火力往這兒噴。
很多同學就不信邪了，為啥材料這么難?
展開 圖10 Ar氣霧化高溫合金粉末形貌
Fig.10 Morphology of Ar gas atomized superalloy powders
3 粉末高溫合金渦輪盤制備研究進展
3.1 雙性能渦輪盤研制
高性能發動機用渦輪盤，盤心部位承受低溫高應力，需要細晶組織以保證足夠的強度和疲勞抗力，而邊緣部位則承受高溫低應力，需要粗晶以保證足夠的蠕變和持久性能[35]。通過熱處理工藝控制，在渦輪盤件的輪轂部位獲得細晶組織，輪緣部位獲得粗晶組織，這種組織結構的盤件被稱之為雙組織/雙性能盤件，雙性能盤件更好地符合渦輪盤不同位置的服役環境特點，可充分發揮材料的潛能，在結構設計上起到減輕盤件重量的作用。
我國從“十一五”開始，開展了雙性能渦輪盤的研究[8,36]，經過多年的攻關，自主開發出雙組織熱處理工藝裝備，掌握了盤件熱處理過程中的溫度梯度控制技術，并在多種合金和規格的盤件上進行了實驗驗證。
3.2 雙合金渦輪盤研制
粉末高溫合金不僅大量用于先進渦扇航空發動機的主動力裝置，在飛機輔助動力裝置(auxiliary power unit，APU)也獲得了廣泛應用。與采用單一高溫合金鑄造的整體渦輪相比，采用熱等靜壓(HIP)工藝將粉末高溫合金(盤件部位)和鑄造合金(葉片部位)連接起來制備的雙合金整體葉盤可實現盤件材料與葉片材料的最佳組合。雙合金整體渦輪可顯著降低盤件重量，提高渦輪使用溫度，提升渦輪整體性能，延長渦輪使用壽命[37]。
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其具有優異的高溫強度、疲勞穩定性和斷裂韌性以及良好的耐蠕變穩定性等綜合力學性能，可以在高溫環境下長期安全運行，廣泛地應用于航空航天、汽車行業、燃氣輪機領域發動機渦輪葉片、整體葉盤、機匣等高溫部件。隨著航空發動機技術的發展，對合金材料性能的要求也大幅提高。針對原材料性能提升以及初步處理工作的改善，已經成為我國工業生產中的主要趨勢。
針對渦輪盤件制備技術，總結了雙性能渦輪盤、雙合金整體葉盤技術和等溫鍛造模具用材料的研究進展。此外，還介紹了在粉末高溫合金高通量實驗和表征以及蠕變行為等方面的研究進展。
該技術在盤、軸、整體葉盤等典型零件上廣泛應用，促進檢測效率和設備利用率大幅提升，盤類自動化檢測比例由30%提高到80%以上，長軸類零件由全手工檢測提高到100%。
美國的聯邦航空規則FAR33.94要求：在最高工作轉速下，葉片從葉根(對于整體葉盤則至少是葉片的80%處)斷裂，發動機必需具有包容斷葉的能力，并要求發動機在不起火、安裝架不脫落的情況能繼續工作15s，除非發動機損傷誘導自動停機。
專題1：葉片檢查和狀態評估，主要包括渦輪葉片無損檢測、多尺度形貌測量、排氣溫度場分析、燃燒室故障分析和故障件可靠拆卸等內容；專題2：修復工藝與修復后葉片性能關聯研究，主要包括靈巧修復單元、復雜表面結構損傷特性、近凈成形渦輪葉片修復工藝、隨機結構分析、單晶葉片激光焊接、鈦合金整體葉盤弧焊等內容；專題3：材料特性和修復后自適應加工研究，主要包括修復后自適應加工流程設計、復雜曲面結構的快速測量、修復引起的失調
△LATEC LAM-150v艙內圖
LATEC LAM-150V在整體葉盤、機匣、葉片復雜的零件修復有巨大的優勢，可以使損傷的零部件恢復外形尺寸，還可以使其性能得到提升甚至超過新品的水平，可大幅提高生產效率，減少生產成本。
美空軍事故調查委員會（AIB）事后調查表明，該事故由F135發動機整體葉盤第三級風扇葉片碰磨所致。
事后調查表明，F135第二級和第三級整體葉片轉子之間的聚酰亞胺板密封過度，導致摩擦過熱，致使發動機三級風扇葉片失效。
2018年9月28日，一架F-35B戰斗機在美國南卡羅來納州進行訓練飛行時墜毀，飛行員成功逃生。這次事故使美國不得不停飛所有F-35，進行檢查。
有效避免刀具干涉
如上圖，針對航空航天領域內應用的葉輪、葉片和整體葉盤等零件，三軸設備由于干涉原因無法滿足工藝要求。而五軸機床就可以滿足。同時五軸機床還可以使用更短的刀具進行加工，提升系統剛性，減少刀具的數量，避免了專用刀具的產生。
F-35B的升力風扇是其垂直升力系統的重要組成部分，由兩級反向旋轉的風扇組成，一級疊加在另一級上方，每級都是整體葉盤結構。上級風扇有24片空心鈦葉片，下級則是28片實心葉片。
智造設備包括激光增材過程監控系統、可移動智能增材制造車間、葉片修復裝備、增材與強化復合制造裝備、陶瓷金屬復合制造裝備等；部附件制造即“兩片兩嘴一板”，包括：壓氣機葉片（含整體葉輪/整體葉盤）和渦輪葉片增材制造與再制造、點火器（電嘴）和燃油噴嘴增材復合制造、等離子體放電板等；轉子發動機即系列化重油轉子發動機設計與制造。
