科创中国

行业领域

新材料产业,前沿新材料

需求背景

航空发动机是飞机的心脏，实现航空发动机自主可控一直以来始终是我国国防领域巫待解决的重大课题。大推力航空涡扇发动机则是发展远程战略轰炸机、战略运输机的关键之一。本项目聚焦可用于大推力航空涡扇发动机的核心零部件之一一一宽弦空心风扇叶片，通过对扩散焊接工艺的创新，探索实现宽弦空心风扇叶片的国产化生产，从而助推大推力航空涡扇发动机实现自主可控。

早期的涡扇发动机使用窄弦风扇，由实心铁合金锻造而成，当初为了提高风扇叶片的强度和抗振动性能，在叶片上设计了凸肩，一圈叶片的凸肩组成一个加强环。但实心叶片加凸肩的设计使得叶片质量过大、风扇气动效率低，无法满足大推力发动机对风扇叶片的要求。英国 RR 公司率先推出了无凸肩宽弦空心风扇叶片。宽弦叶片是展弦比较小的叶片第一代宽弦叶片采用两层镇合金中间加上了一种蜂窝状结构，相对于原先结构，风扇转子叶片数量减少了 1/3;转子重量减轻了 10%-30%; 去掉凸肩，使风扇和压气机空气动力学特性得到改善，流量有所增大，效率明显提高; 蜂窝芯结构有助于改善叶片的减振特性; 与带阻尼凸肩的窄弦叶片相比，增宽弦长，使风扇和压气机的长度缩短、叶栅通道面积加大，喘振裕度变宽，效率提高;同时，抗外物损伤能力、抗疲劳特性得以提高，使得叶片寿命增加。随后，RR 公司又在第一代宽弦叶片的基础上，成功开发出第二代宽弦空心风扇叶片，风扇叶片芯部采用三角形析架结构取代内部蜂窝芯板，这种桥架结构不仅轻质，而且能承力，每片叶片重量比第一代的蜂窝芯叶片轻 15%。此外，为了进一步提高叶片的性能并加大风扇与压气机的喘振裕度，业界还对风扇的形状进行了改进设计了形状较为复杂的掠形叶片，从而降低气流相对速度、提高风扇的效率和流量。掠形叶片可使风扇叶片效率进一步提高 3%-5%，空气流量增加 3%-10%。该发动机风扇直径为 *** 米，叶尖速度为457m/s，每片宽弦叶片重量仅为9公斤，但每片叶片产生的推力则接近2吨。目前，国外大多数先进涡扇发动机均采用第 2 代宽弦空心风扇叶片。

需解决的主要技术难题

(1) 内部结构复杂。第二代宽弦叶片设计在两层铁合金之间加入析架结构，这种空心析架结构既能实现减重，又能满足强度要求，但内部腔体结构的复杂度也因此大幅增加。

(2) 外部形状不规则且尺寸大。一片风扇叶片的长度将近 *** 米,掠形更是大幅提高了工程难度。

(3) 材料塑性差。合金作为强度高、韧性好、耐腐蚀性好、质量较轻的材料，是军用发动机进气端叶片制造最稳定可靠的材料。但铁合金在常温下强度高、塑性差，也是难以回避的问题

综上三点，一个内部腔体复杂、外部形状不规则的大尺寸铁合金零件的成形工艺非常复杂，对我国成熟的制造工艺是一项非常大的挑战可以说，风扇叶片的成形工艺始终是涡扇发动机的关键制造技术，是推重比(10-20)军用发动机的标志性技术之一

期望实现的主要技术目标

叶片毛还扩散焊试验研究

通过设计工艺参数(温度、压力、保温时间、表面粗糙度) ，完成小尺寸 (45*50*30mm) 叶片毛坯 (组织、拉伸、高温持久、疲劳) ，叶片 1:1 样件 (400*650*25mm) 的扩散焊试验研究。试验流程如下:

叶片毛坏扩散焊前处理

(1) 采用线切割+机械磨抛的方法对焊前表面进行处理，使得表面粗糙

(2) 待焊试样表面经过严格的酸洗+超声清洗以去除表面杂质及氧化物等;叶片毛坏扩散焊试验

(1) 将待焊试样经严格定位，装配完成后放入扩散焊炉，按照设计的工艺参数进行扩散焊接，真空度 3X10Pa。

(2) 焊后对叶片毛还接头进行金相观察测量，满足接头焊合率≥95%

(3) 选取焊接接头的三个位置分别进行拉伸和冲击试验，满足扩散焊接头强度不低于母材的 90%，最终提供扩散焊样片及性能测试报告。

叶片毛坏扩散焊焊后处理

对全尺寸的叶片毛坯扩散焊后进行相应的机械加工以满足后续叶片热成形前的要求。

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2023-11-23

杨亮

中国航空学会

高工

综合评价

在大尺寸零件的制造过程中，消除成本和节省时间是WAAM所能代表的基本好处，这使得WAAM在许多行业得到了广泛的应用。与从固体中切割相比，原料重量与产品本身的比例要低得多，尽管不像其他AM技术那样低。另外，产品尺寸是强度的一个基本点，也受到机械手可达到的工作体积的限制。用这种工艺制造的铝合金零件无尺寸限制，且取决于焊接设备。 利用AM工艺制造并改善铝件的性能进行了多项研究。选择性激光熔化(SLM)和选择性激光熔化(WAAM)是这些工艺中最常用的技术。主要步骤和构建过程开始创建一个CAD模型，转换和切片后，逐层构建。SLM使用粉末床和激光束作为热源来制造产品。SLM已被用于制造铝蜂窝晶格结构，具有多种产品，如振动阻尼器、电池电极收集器和隔热。用SLM制备的结构质量通常由粉末性能、熔化参数和结构几何形状决定。

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