高性能航空发动机制造技术 及其发展趋势

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航空制造技术 ２００７年第１期

人类在航空领域取得的每一次重 大的革命性进展，无不与航空动力技 术的突破和进步相关，航空发动机已 成为一个国家科技水平、军事实力和 综合国力的重要标志之一。随着航空 科技的迅速发展，面临不断提高的国 防建设要求，航空发动机必须满足超 高速、高空、长航时、超远航程的新

一代飞机的需求，航空发动机的结构 越来越复杂，精度要求越来越高。

航空工业发达国家在研制高性能 航空发动机上投入了大量的资金和人 力，实施了一系列技术开发和验证计 划，如“先进战术战斗机发动机计划

（ＡＴＦＥ）”、“综合高性能涡轮发动机 技术”计划（ＩＨＰＴＥＴ计划）及后续的 ＶＡＡＴＥ 计划、英法合作军用发动机 技术计划（ＡＭＥＴ）等。在这些计划的 支持下，美国的Ｆ１１９、Ｆ４１４，欧洲 的ＥＪ２００，法国的Ｍ８８ 和俄罗斯的 ＡＬ４１Ｆ等推重比１０ 一级发动机陆续 问世。此类发动机通常具有以下特 点：

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高性能航空发动机制造技术 及其发展趋势

高性能航空发动机关键制造技术目前正向轻量化、 整体化 结构件制造、新型结构件精密制坯、发动机制造技术新工 艺、 面向零件的专业化生产线以及信息技术与制造技术相 结合的方向发展

西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室　　王增强

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维护工具和维护人时。

为了提高发动机的可靠性和推 力，国外高性能发动机研制采用大量 新材料、新结构，对制造工艺的要求 也进一步提高。为此，相继研发了一 系列高性能航空发动机关键制造技 术，并呈现以下发展趋势：（１）轻量 化、整体化结构件制造技术；（２）新型 结构件精密制坯技术；（３）航空发动机 制造技术新工艺；（４）面向零件的专业 化生产线；（５）信息技术与制造技术相 结合。

１　轻量化、整体化结构件制造技术

（１）　整体叶盘制造技术。

王增强：

西北工业大学高级工程师，航空发 动机ＣＡＤ／ＣＡＭ研究所副所长。长期 从事航空发动机整体叶盘五坐标ＮＣ 加工技术、叶片无余量数控加工技 术、涡轮叶片精铸模具ＣＡＤ／ＣＡＭ技 术研究。获国家科技进步二等奖１ 项，部级科技进步一等奖２项，二等 奖２项，发表论文３０余篇

国外高性能发动机 制造技术发展趋势

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航空发动机先进制造技术

Advanced Manufa cturin g Technolog y of Aeroeng ine

航空制造技术 ２００７年第１期

整体叶盘结构是将传统结构的叶 片和轮盘设计成整体结构，省去传统 连接方式采用的榫头、榫槽和锁紧装 置，结构重量减轻、零件数减少，避 免了榫头的气流损失，使发动机整体 结构大为简化，推重比和可靠性明显 提高。据报道，采用整体叶盘可使发 动机重量减轻２０％～３０％，效率提高 ５％～１０％，零件数量减少５０％以上。

目前整体叶盘的制造主要采用五 坐标数控加工、电解加工、电子束焊 接、锻接法和线性摩擦焊接等方法。

ａ．　五坐标数控加工。

整体叶盘五坐标数控加工是制造 航空发动机风扇及压气机整体转子的 主要方法之一。采用五坐标ＮＣ加工 技术将锻造饼坯铣削成整体叶盘的特 点是制造精度高、工艺装备简单，其 关键技术为叶盘通道及型面的五坐标 ＮＣ加工程序的编制、加工刀位验证、

薄壁叶片加工的变形控制及误差补偿 方法、表面光整处理；缺点是加工过 程中要切削大量金属，对加工高温合 金等难切削材料效率低、成本高。

ｂ．电子束焊接法。

ＥＪ２００采用此方法，即先将单个 叶片用电子束焊接成叶片环，然后用 电子束焊接技术将锻造和电解加工成 形的轮盘腹板与叶片环焊接成整体叶 盘结构。采用的制造技术有叶片加工 技术、锻造技术、电解加工技术、电 子束焊接技术、焊缝检测与评估技 术。

ｃ．锻接法。

普惠公司采用锻接法制造整体涡 轮转子。首先将涡轮盘轮缘部位加热 至变形温度，再将单晶叶片压入涡轮 盘轮缘加热部位，同时进行扩散连 接，叶片固定在涡轮盘上制造成整体 叶盘。锻接法的关键技术是正确地控 制有效部位的加热变形参数（温度、

压力、变形量），以保证叶片与轮盘 高强度结合成一体。普惠公司已研究 出叶片／盘的锻接工具，可准确地保 证叶片正确定位。

ｄ．线性摩擦焊接法。

属固态连接技术。在线性摩擦焊 接过程中，由于工件的高温是通过两 个配合面间的相互高频振荡产生的，

焊接处的材料并未熔化，因而不会出 现一般焊接中易发生的脱焊现象，连 接处也看不出“焊缝”，其强度与弹 性均优于本体材料。可用线性摩擦焊 技术将２种不同材料的叶片与轮盘焊 接在一起，以获得最佳的减重及性能。

ｅ．电解加工技术。

整体叶盘结构的制造还可采用电 解加工技术将模锻高温合金毛坯加工 成整体叶盘。

ｆ．复合材料整体叶盘制造技术。

在未来推重比１５～２０的高性能 发动机上，如欧洲未来推重比１５～２０ 的发动机和美国的ＩＨＰＴＥＴ 计划中 的推重比２０的发动机，将采用效果更 好的ＳｉＣ陶瓷基复合材料或抗氧化的 Ｃ ／Ｃ 复合材料制造整体涡轮叶盘。

（２）　大小叶片转子制造技术。

大小叶片转子技术是整体叶盘的 特例，即在整体叶盘全弦长叶片通道 后部中间增加一组分流小叶片，此分 流小叶片具有大大提高轴流压气机叶 片级增压比和减少气流引起的振动等 特点，是使轴流压气机级增压比达到 ３或３以上的有发展潜力的技术。

（３）　整体叶环制造技术。

如果将整体叶盘中的轮盘部分去 掉，就成为整体叶环，零件的重量将 进一步降低。整体叶环一般采用密度 较小的复合材料来制造，这种整体叶 环的重量约为常规结构重量的３０％。

整体叶环用连续单根碳化硅（ＳｉＣ）长 纤维增强的钛基复合材料（ＴｉＭＭＣ）、

ＳＣＳ－６ＳＩＣ ／ＩＭ１８３４ 和Ａｌ－Ｔｉ 化合 物（Ｔｉ_３Ａｌ和ＴｉＡｌ）作基体的复合材料 制造（Ａｌ－Ｔｉ 化合物基复合材料可耐 温９２７℃）。英、法、德研制了ＴｉＭＭＣ 叶环，用于改进ＥＪ２００的３级风扇、高 压压气机和涡轮。

（４）　宽弦风扇叶片制造技术。

宽弦、无凸台、空心叶片是高性

能发动机风扇和第一级压气机叶片的 发展方向。推重比１０一级的发动机 Ｆ１１９，ＥＪ２００和Ｖ２５００均采用宽弦风 扇叶片。其制造方法是在２块钛合金 薄板之间放入相同材料的蜂窝状结 构，然后通过活性扩散焊接的方法将 其连接成一体。这种叶片重量轻，强 度高，可以抗击外来物的碰撞。

（５）　树脂基复合材料构件制造技 术。

高性能发动机的进气道机匣、外 涵道筒体、中介机匣等整体结构件广 泛采用树脂基复合材料。树脂基复合 材料构件的制造技术是集自动铺带技 术、自动纤维铺放技术、激光定位、

自动剪裁技术、模压成形、树脂传递 模塑成形、树脂膜浸渍成形、热压罐 固化成形等技术于一体的综合技术。

（６）　复合冷却层板结构制造技术。

多孔复合层板冷却结构是高推重

比发动机采用的先进冷却结构，多用 于燃烧室和涡轮叶片。它是一种将带 有复杂冷却回路的Ｌａｍｉｌｌｏｙ多孔层 板用扩散连接方法成形的冷却结构。

多孔复合层板冷却结构的关键制造技 术是复杂冷却回路的计算机辅助设计 和绘制、“照相－ 腐蚀”或“照相－

电解”工艺，也可用激光和电子束等 特种工艺加工制造成冷却回路，扩散

蜂窝夹芯

盆面蒙皮

背面蒙皮

宽弦空心叶片示意图

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航空制造技术 ２００７年第１期

连接成多层多孔层板。

２　精密制坯技术

高性能航空发动机采用了大量的 新型结构件，由于毛坯结构的变化，

其制坯方法也发生了重大变化。精铸 件、精锻件、单晶和定向凝固精铸件 毛坯将取代传统的大余量毛坯。传统 意义的锻件将由７７％降至３３％，精铸 件由１８％增至４４％以上，粉末冶金件 由３％ 增至８％，复合材料构件由４％

增至１５％。

（１）　定向凝固和单晶精铸制坯。

定向凝固和单晶精铸技术已成为 推重比１０以上高性能发动机关键制 造技术之一。目前使用的单晶叶片是 第二代空心无余量单晶叶片，即采用 定向凝固经时效处理加防护涂层的对 开式空心超单晶叶片。国外主要发动 机公司均已建立定向凝固和单晶涡轮 叶片精铸生产线，其叶片单面余量已 稳定在０．０５～０．１ｍｍ，涡轮叶片合格 率可达７０％以上，导向叶片达９０％以 上。

（２）　精密锻造制坯。

高推重比发动机的锻件占结构重 量的５５％以上。精密锻造技术已成为 高性能发动机广泛采用的制坯方法。

国外采用等温锻造技术制造带叶片的 压气机整体叶盘转子；用粉末冶金超 塑热等静压和等温锻造精化技术制造 具有无偏析超细晶粒和难以成形的锻 件毛坯，并批量生产各种尺寸的叶身 无余量精锻叶片。

（３）　快速凝固粉末冶金制坯。

快速凝固技术已广泛应用于叶片 制造，这种叶片使涡轮前温度可提高 ２００℃，达到１７３０℃。快速凝固层板 涡轮叶片采用快速凝固粉末方法先制 造出叶片层板，然后用扩散连接技术 将多层叶片层板固结成叶片。用此法 可制成具有冲击、对流和气膜组合式 冷却结构的复合层板冷却的涡轮叶 片。

３　航空发动机制造新工艺

（１）　热障涂层。

高推重比发动机结构中将大量采 用以热障涂层技术为代表的先进涂层 技术。热端部件采用热障涂层以降低 金属表面的温度，提高结构强度，其 中有陶瓷涂层和多层隔热层。发动机 冷端部件均采用封严涂层、耐磨和防 腐蚀涂层。

（２）　激光冲击强化。

激光冲击强化是一项创新工艺，

可大幅度增强金属风扇叶片的耐久 性，从而降低维修成本。该工艺已用 于Ｆ１１０、Ｆ１０１发动机，也将在Ｆ１１９、

Ｆ１３５、Ｆ１３６发动机上应用。

（３）　特种加工。

以高能束流加工为代表的特种加 工技术在难切削材料加工和复杂构件 的型腔、型面、型孔、微小孔、细微 槽及缝的加工中具有显著特点，解决 了常规加工中很难克服的困难。特种 加工技术主要包括激光加工、电子束 加工、离子束加工、等离子加工、电 火花加工、电解加工、超声波加工、

磨粒流加工和高压水射流切割等。

（４）　结构件特种焊接。

特种焊接技术主要包括钨极惰性 气体保护弧焊、活性焊剂焊接技术、

自蔓延高温合成焊接法、等离子弧 焊、电子束焊、激光束焊、真空钎焊、

扩散焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊等。

（５）　快速原型技术。

用快速原型技术可为航空发动机 复杂零件的设计快速提供实体化零 件，也可实现精铸复杂模具的制造，

目前已发展到直接快速成形金属零 件，是一种很有发展前景的工艺方 法。主要方法有分层实体制造、选择 性激光烧结、熔化沉积制造、三维打 印和三维焊接法等。

（６）　新型封严结构制造技术。

丝刷封严结构取代了蜂窝封严结 构，成为航空发动机制造的新的工艺 技术。Ｆ１１９和ＥＪ２００就采用了刷式封 严结构。

（７）　浮壁式火焰筒制造技术。

推重比１０一级发动机的火焰筒

采用浮壁式火焰筒制造工艺。典型的 Ｆ１１９ 发动机浮壁式火焰筒用玻璃陶 瓷基复合材料制造，其结构用多环段 连接而成。环段背向火焰的一面是对 流散热的凸环，并有缝隙形成冷却隔 热气膜，隔热环由浮动片构成，并用 螺栓连接在外环段上。浮动片采用精 密铸造，冷却隔热环部分喷涂有热障 涂层，用于降低部件表面温度。

（８）　电化学加工。

电化学加工工艺采用了电和化学 的共同作用来去除金属。化学成形、

电－ 化学钻削和电解磨削均属于电 化学加工。燃气涡轮发动机部件生产 中广泛采用了电－ 化学加工技术。

４　面向零件制造过程的专业化成套制 造技术

ＧＥ、罗・罗和普惠公司均建成了 一系列航空发动机典型零件自动化生 产线，用于高性能发动机制造。

（１）　压气机叶片精密锻造生产线。

目前航空发动机有３３％ 的工作 量来自于叶片的制造，叶片精锻生产 线是解决叶片制造瓶颈的有效方法之 一。生产线由叶片制坯、叶片精锻成 形、叶片型面化铣、叶片热处理、叶 片检测５条子生产线组成，适合于高 温合金、钛合金、铝合金和不锈钢等 材料精锻叶片的批量生产。

（２）　涡轮叶片精密铸造生产线。

涡轮叶片制造质量对航空发动机 的性能有很大影响。由于其结构复 杂、制造技术含量高，其精铸质量和 尺寸精度与叶片研制过程中的设计、

制造、冶金、化学、制模、炉工等人 员密切相关。国外航空发动机制造公 司花费大量资金建立了发动机涡轮叶 片精铸生产线。

（３）　压气机转子叶片电－化学自 动化加工生产线。

该技术集拉削加工技术、高精度 测量技术、电化学技术、电火花加工 技术、机器人技术以及无损检测技术 等众多技术于一体，其关键技术为 ３６０°电－化学加工技术。首先采用组

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航空发动机先进制造技术

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航空制造技术 ２００７年第１期

合的垂直拉床将预切长度的棒材拉削 加工出叶片的榫齿，然后利用根部来 定位，从叶盆和叶背两面进行电－化 学加工，一次完成叶身型面加工。

５　信息技术与制造技术相结合 航空发动机先进制造技术必须将 专业的制造技术与信息技术、管理技 术有机地结合在一起，将计算机技术 综合应用于发动机的设计、制造、检 测、管理、销售、使用、服务等发动 机研制全过程。国外航空发动机研制 经历了和正在进行着从传统的大批量 生产向精益生产模式的转变。ＧＥ 公 司发动机部ＧＥＡＥ 在１９９８ 年制订实 施了航空发动机异地协同设计和制造 的增量式发展规划，取得了显著的效 益。普惠公司采用集成产品开发团队 的形式来管理发动机全生命周期内的 计划、流程、技术、信息等经济技术 活动。罗・罗公司建立了发动机典型 零件的自动化生产线和协同的计算机 工作环境，实施了并行工程，从整体 上增强航空发动机的研制能力。

为了满足高性能发动机研制的需 求，解决航空动力落后的问题，结合 航空发动机研制，我国在先进航空发 动机某些关键制造技术上取得了进 展，主要表现在以下几方面：

（１）　异地协同设计制造平台建设 已经起步，并行工程的思想被行业普 遍接受，先进制造技术被设计部门采 用，加快了新机研制的进度。右上图 为采用新技术设计、制造的ＷＳ５００发 动机。

（２）　按照零件特点建立了航空发 动机盘环零件生产线、叶片精锻生产 线和大型钛合金机匣一体化制造生产 线。

（３）　重要件关键工艺研究取得了 重大突破。

（４）　整体叶盘五坐标ＮＣ加工工 艺技术在新机研制中得到了广泛应

用，成功地应用于两级 风扇整体叶盘。这是目 前国内整体叶盘制造最 有效的技术。

（５）　整体叶盘电解 加工技术成功地应用于 以高温合金为代表的难 切削材料的整体结构件 制造。

（６）　整体叶盘线性 摩擦焊接技术进入了实 质性的研究阶段。

（７）　空心叶片制造 的关键工艺技术已经突 破，并进入应用阶段。

（８）　涡轮叶片定向凝固和单晶精 铸的关键工艺已经突破，并在新机研 制中得到应用和验证。

（９）　涡轮盘、涡轮导向器、大型 机匣整体精铸关键技术已经在新机研 制中得到应用。

（１０）　快速成形技术、热障涂层技 术、电子束焊接、激光束焊接、混合 搅拌焊接等新工艺方法已在新机研制 中应用。

（１）　加强航空发动机制造规范研 究。

标准的制造工艺规范是制造航空 发动机合格零件的保证。制造规范的 制定和修改必须针对具体企业环境，

经过大量的试验和试用来完成。制造 规范是在特定企业的环境下执行，其 综合运行成本最低、加工质量最好、

有最稳定的制造指令文件。

（２）　加强专业化零件生产线建设。

专业化零件生产线包括系统制造 规范的设备刚性和柔性的组合，主要 适合于结构相对复杂、制造周期长、

生产批量大、制造质量要求高的零 件，如机匣、叶盘、叶片、轴、喷嘴、

涡轮叶片等，以解决航空发动机制造 瓶颈问题。

（３）　加强发动机工艺数据库建设。

建立航空发动机常用和特用材料 切削、焊接、铸造、锻造工艺数据库，

在切削加工中，推动刀具制造技术研 究与材料切削技术研究相结合、通用 刀具研制与特种刀具研制相结合。

（４）　加强工艺仿真技术研究。

在建立工艺数据库和制造规范的 基础上，加强工艺仿真技术研究，提 高航空发动机的快速响应生产能力。

（５）　加快航空发动机信息化平台 建设。

加快航空发动机行业信息化平台 建设，实现航空发动机异地协同设 计、制造和管理。

先进制造技术是高性能航空发动 机技术发展的基础，发动机技术的发 展越来越依赖于材料和工艺的进步。

同时，高性能航空发动机的需求和发 展又促使制造技术迈向更高的水平。

我们必须下大力气开展高性能航空发 动机制造技术研究，在消化吸收国际 先进制造技术的基础上，结合航空发 动机行业的实际需要，开展自主工艺 创新，以科学的工艺管理理念为指 导，以先进的工艺装备为支撑，不断 提高我国航空发动机制造工艺技术水 平，逐步形成独具特色，既满足行业 需求，又能带动国民经济发展的工艺 体系。　　　　　　（责编　咏智）

我国航空发动机 先进制造技术发展状况

几点建议

ＷＳ５００ 发动机

结束语

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