La tecnología clave, tecnología caliente y tecnología básica en la fabricación de motores aeroespaciales avanzados

La relación empuje-peso y la relación potencia-peso son los índices técnicos más importantes para medir y evaluar la avanzada naturaleza de los motores aeroespaciales. Con el objetivo de lograr una relación empuje-peso del motor superior a 10, el motor aeroespacial utiliza continuamente nuevos materiales e introduce nuevas estructuras para reducir el peso de los componentes del motor aeroespacial mientras se incrementa considerablemente la temperatura frontal de la turbina del motor. Esto plantea requisitos técnicos más altos para la fabricación del motor y promueve la aparición continua y el desarrollo de nuevas tecnologías en la fabricación de motores aeroespaciales. Una serie de tecnologías de fabricación clave desarrolladas para el avance de motores aeroespaciales de alto rendimiento se convertirán o ya se han convertido en la dirección del desarrollo de tecnologías avanzadas de fabricación. Este artículo introduce la tecnología de fabricación clave del motor aeroespacial desde tres aspectos: tecnología clave, tecnología caliente y tecnología básica. La tecnología de fabricación clave es la tecnología necesaria para desarrollar un motor aeroespacial avanzado. La tecnología de fabricación en tendencia es una tecnología que debe estudiarse para mejorar la eficiencia y calidad de fabricación del motor. La tecnología de fabricación básica es la tecnología que debe irse acumulando y desarrollando gradualmente en el desarrollo del motor y su producción en masa, y representa el poder blando del nivel de tecnología de fabricación del motor y su capacidad productiva.

Tecnología clave en la fabricación de motores aeroespaciales

Tecnología de fabricación de la turbina de hoja de cristal único

La temperatura frontal de la turbina de los motores aeroespaciales modernos ha aumentado considerablemente, y la temperatura frontal de la turbina del motor F119 alcanza hasta 1900~2050K, y las turbinas fundidas por el proceso tradicional simplemente no pueden soportar una temperatura tan alta, e incluso se derriten y no pueden funcionar eficazmente. Las palas de turbina de cristal único resuelven con éxito el problema de resistencia a altas temperaturas de las palas de turbina de los motores con una relación empuje-peso de 10 etapas. La excelente resistencia a altas temperaturas de las palas de turbina de cristal único se debe principalmente al hecho de que solo hay un cristal en toda la pala, eliminando así los defectos en el rendimiento a altas temperaturas entre los límites de grano causados por la estructura policristalina de las palas de cristal direccional y equiaxial.

La paleta de turbina de cristal único es la pieza del motor con el proceso de fabricación más complejo, el ciclo más largo, la tasa de calificación más baja y las restricciones y monopolios extranjeros más estrictos. El proceso de fabricación de palas de turbina de cristal único incluye prensado de núcleo, reparación de núcleo, sinterización de núcleo, inspección de núcleo, emparejamiento de núcleo y molde, inyección de molde de cera, inspección de rayos X del molde de cera, detección de grosor de pared del molde de cera, acabado del molde de cera, combinación de moldes de cera, combinación del sistema de extracción de cristales y puerta de vertido, eliminación de pintura y arena, secado de la carcasa, desencerado de la carcasa, horneado de la carcasa, vertido de hojas, solidificación de un solo cristal, soplado de la carcasa, inspección inicial, inspección de fluorescencia, eliminación del núcleo, pulido, medición del ancho de cuerda, inspección por rayos X de la hoja, inspección de radiografías, inspección de perfil, refinado de la hoja, detección del grosor de la pared de la hoja y verificación final del proceso de fabricación. Además, es necesario completar el diseño y fabricación del molde de fundición por inversión de la pala de turbina.

Actualmente, solo unos pocos países en el mundo, como Estados Unidos, Rusia, Reino Unido, Francia y China, pueden fabricar turbinas de un solo cristal. En los últimos años, se han logrado grandes avances en la fabricación de turbinas de un solo cristal en China. Se han desarrollado turbinas de un solo cristal para motores de relación empuje-peso de la etapa 10 y se han producido en masa turbinas de un solo cristal para motores turboshaft de alta relación potencia-peso.

Tecnología de mecanizado de alta eficiencia, alta precisión y bajo costo para discos de hojas integrales

La aplicación de la tecnología de disco de pala integral promueve la innovación en el diseño estructural del motor aero y el salto en el proceso de fabricación, logrando el objetivo de reducir el peso del motor y aumentar su eficiencia, además de mejorar la fiabilidad de la operación del motor. Al mismo tiempo, el grosor reducido de la pala, el gran doblado y el diseño aerodinámico de alta eficiencia provocan una rigidez deficiente en las palas, lo que facilita la deformación y dificulta el control; El estrecho y profundo canal de flujo de aire entre las palas hace que sea difícil realizar la tecnología de procesamiento del disco de paletas. Los materiales de alta resistencia, como el titanio y las superaleaciones, son difíciles de cortar y tienen baja eficiencia. Estados Unidos y Gran Bretaña comenzaron a aplicar la nueva tecnología de disco monolítico para motores en la década de 1980, mientras que la tecnología de disco monolítico de China comenzó aproximadamente en 1996.

La aplicación de la tecnología de hoja-discos integral ha promovido el desarrollo de la tecnología de integración estructural de componentes de motor. Los discos integrales en tandem con tambor, disco de hojas con eje, combinación de disco-tambor-eje, disco de hojas cerrado con aro, disco de hojas de anillo estator rectificador y combinaciones de discos de hojas de dos etapas o múltiples etapas se han aplicado sucesivamente en el desarrollo de nuevos motores aeroespaciales. Sobre la base del disco de flujo axial y la rueda centrífuga, se desarrollan el disco de estructura de hojas grande y pequeña y el disco de cotiledón de flujo oblicuo.

Desde que el disco de hojas monolítico se aplicó en motores aero de alto rendimiento, la tecnología de fabricación de discos de hojas monolíticos ha estado desarrollándose e mejorando. Actualmente, el proceso de procesamiento del disco de hojas monolítico incluye principalmente los siguientes 5 métodos de proceso: el disco de hojas monolítico de fundición por cera perdida, el disco de hojas monolítico de soldadura por haz de electrones, el disco de hojas monolítico de mecanizado electroquímico, el disco de hojas monolítico de soldadura por fricción lineal y el disco de hojas monolítico de mecanizado por máquina herramienta CNC de cinco coordenadas.

El proceso de fabricación de discos integrales de hojas utilizando herramientas de máquina CNC de cinco coordenadas es el más antiguo, tiene la aplicación ingenieril más amplia y una madurez técnica alta en el proceso de fabricación de discos integrales de hojas para motores aeroespaciales nacionales. Entre ellos, la clave para el desarrollo y la aplicación de esta tecnología radica en la tecnología de ranurado, la tecnología de acabado en espiral simétrico para el perfilado de las hojas, la tecnología de compensación de errores de procesamiento de los bordes frontal y posterior de las hojas y la tecnología de procesamiento adaptativo del perfil del disco integral de hojas [1]. Motores extranjeros como el T700, la etapa de compresor del motor BR715 y el disco integral de hojas del motor EJ200 utilizan este método de procesamiento para su fabricación. Los motores aeronáuticos chinos CJ1000A, WS500 y otros también utilizan la tecnología de mecanizado CNC de cinco coordenadas para la fabricación. La Figura 1 muestra el primer disco integral de hojas del compresor de alta presión de un motor aeroespacial comercial fabricado en China.

Tecnología de fabricación de hojas huecas

El ventilador del motor de turbofán está lejos de la cámara de combustión, y la carga térmica es baja, pero los requisitos del motor aeroespacial avanzado para su eficiencia aerodinámica y la capacidad de prevenir el daño por objetos extraños están mejorando constantemente. El ventilador del motor aeroespacial de alto rendimiento utiliza palas de ventilador huecas, de cuerda ancha y sin hombro.

La hoja de ventilador hueca de la estructura de truss triangular desarrollada por la empresa Luo Luo es una mejora de la hoja sandwich de panal original. La empresa Luo Luo la llama la segunda generación de hojas de ventilador huecas. El proceso consiste en utilizar el método combinado de formación superplástica/conexión por difusión (SPF/DB) para convertir la placa de aleación de titanio de 3 capas en una hoja de ventilador hueca de cuerda ancha. La parte hueca de la hoja tiene una estructura de truss triangular, que ya se utiliza en los motores Trent de los aviones Boeing 777 y A330. La tecnología de fabricación de hojas de ventilador huecas de estructura de truss triangular en China también ha logrado un avance (la figura 2 muestra la hoja de ventilador hueca y su estructura interna triangular), pero para cumplir con las aplicaciones de ingeniería, se necesita realizar mucho trabajo de investigación sobre resistencia, vibración, fatiga y optimización de procesos.

El proceso de fabricación de la hoja hueca es el siguiente: En primer lugar, se necesitan preparar 3 placas de aleación de titanio y colocarlas en las capas superior, media e inferior, la capa media es la placa nuclear, la capa superior e inferior son la cavidad de la hoja y la placa del dorso de la hoja, respectivamente. Luego, las hojas huecas del ventilador se forman mediante tres placas de aleación de titanio después de la eliminación de aceite y el desescamado, verificación del recubrimiento de la capa intermedia con flujo, soldadura de la placa de titanio, calentamiento del molde, purificación con argón, conexión por difusión, formado superplástico, enfriamiento en el horno, lavado de la superficie, procesamiento de la raíz de la hoja y los bordes de entrada y salida, inspección de la hoja y otros procedimientos [2] formado superplástico/conexión por difusión (SPF/DB).

Tecnología de fabricación de rodamientos de alta gama

El cojinete es uno de los componentes clave del motor aeroespacial. El cojinete funciona a altas velocidades, de decenas de miles de RPM durante largos períodos, además de soportar la enorme fuerza centrífuga y varios tipos de estrés por compresión, fricción y temperaturas ultra-altas generadas por la rotación a alta velocidad del rotor del motor. La calidad y el rendimiento de los cojinetes afectan directamente al desempeño del motor, su vida útil, fiabilidad y seguridad en el vuelo. El desarrollo y producción de cojinetes de alta gama está estrechamente relacionado con investigaciones interdisciplinarias en mecánica del contacto, teoría de lubricación, tribología, fatiga y daño, tratamiento térmico y organización de materiales, entre otros, y también debe resolver una gran cantidad de problemas técnicos en diseño, materiales, fabricación, equipos de fabricación, pruebas y ensayos, grasas y lubricación.

Actualmente, la investigación y desarrollo, fabricación y ventas de rodamientos de alta gama están básicamente monopolizados por empresas fabricantes de rodamientos en países occidentales como Timken, NSK, SKF y FAG. La tecnología de fabricación de motores aeronáuticos de China es atrasada, y la capacidad productiva y nivel de desarrollo de las empresas nacionales fabricantes de rodamientos no pueden proporcionar rodamientos de alta gama adecuados para motores aeroespaciales avanzados a corto plazo. El rodamiento se ha convertido en la "Montaña Everest" difícil de cruzar en el desarrollo de motores aeroespaciales de China, lo que limita enormemente el desarrollo de motores aeroespaciales de alto rendimiento en China.

Tecnología de fabricación de discos de turbina en polvo

El disco de turbina del motor aeroespacial está sometido a la superposición de altas temperaturas y altos esfuerzos, condiciones de trabajo severas, proceso de preparación complejo y dificultad técnica, lo que lo ha convertido en una de las dificultades en el desarrollo de motores en China. Los superaleaciones en polvo son ampliamente utilizadas en motores aeroespaciales de alto rendimiento en el extranjero debido a sus excelentes propiedades mecánicas y buen desempeño en procesos térmicos y fríos. La fabricación del disco de turbina en polvo incluye una serie de tecnologías clave de fabricación, como el desarrollo de materiales, el fundido de aleaciones base, la preparación y tratamiento del polvo, la prensa isotérmica en caliente, la forja isoterma, el tratamiento térmico y la detección y evaluación de alta precisión, entre otras. Lleva consigo la tecnología de fabricación clave indispensable para la fabricación de motores aeroespaciales avanzados. La tendencia de la investigación extranjera sobre el disco de turbina en polvo es desarrollar desde un disco de turbina de alta resistencia a un disco de turbina resistente a daños en términos de rendimiento en servicio, y el proceso de pulverización hacia un polvo ultra-puro y fino. Además de la prensa isotérmica en caliente, también se desarrollan los procesos de conformado por extrusión y forja isoterma. En China, el Instituto de Materiales Aeroespaciales de Beijing ha desarrollado varios discos de turbina en polvo para motores aeroespaciales, lo que ha resuelto los problemas técnicos clave de fabricación de discos de turbina en polvo para motores aeroespaciales avanzados, pero el problema de fabricación en ingeniería de los discos de turbina en polvo no ha sido completamente resuelto.

Tecnología de fabricación de materiales compuestos

La tecnología de materiales compuestos ha sido ampliamente utilizada en motores aeroespaciales de alto rendimiento. Para satisfacer las necesidades del desarrollo del motor LEAP, Sniema adopta la tecnología de moldeo por transferencia de resina (RTM) 3D tejida para fabricar carcasas de compuesto para ventiladores y palas de ventilador compuestas. Las piezas del motor LEAP fabricadas con tecnología RTM tienen alta resistencia, y su masa es solo la mitad de la masa de las piezas de aleación de titanio de la misma estructura. Durante el desarrollo del motor F119, Pratt & Whitney desarrolló palas de ventilador de cuerda ancha reforzadas con fibras continuas de SiC y matriz de titanio. Este tipo de pala compuesta tiene las propiedades de alta rigidez, ligereza y resistencia al impacto, y se llama la tercera generación de palas de ventilador de cuerda ancha. Los rotores de ventilador de 3 etapas del motor turbofán F119 están todos hechos de este material. En China, la tecnología de fabricación de materiales compuestos también se ha aplicado en la fabricación de piezas de motores aeroespaciales, y se ha logrado un gran avance en las palas de ventilador reforzadas con partículas de TiB2 en una matriz de aluminio autógeno. Pero el procesamiento eficiente de las palas de ventilador reforzadas con partículas de TiB2, el refuerzo de la superficie de procesamiento, el rendimiento anti-fatiga y la tecnología anti-dañados por objetos extraños son los puntos clave y difíciles para realizar la investigación ingenieril de aplicación de esta pala de material.