先進航空エンジン製造のキーテクノロジー、ホットテクノロジーおよび基本技術

推力重量比とパワー重量比は、航空エンジンの先進性を測定および評価する最も重要な技術的指標です。エンジンの推力重量比を10を超えるために、航空エンジンは新しい材料の使用と新しい構造の導入により、部品の重量を減らしながらエンジンタービン前の温度を大幅に向上させています。これにより、エンジン製造に対してより高い技術的要求が提示され、航空エンジン製造における新技術の継続的な出現と発展が促進されます。高性能航空エンジンの開発のために開発された一連の主要な製造技術は、先進的な製造技術の発展方向となるか、すでにその方向となっています。本論文では、主要技術、ホット技術、基本技術という3つの側面から航空エンジンの主要製造技術について紹介します。主要製造技術は、先進的な航空エンジンを開発するために必要な技術です。製造のホットスポット技術は、エンジンの製造効率と品質を向上させるために研究すべき技術です。基本製造技術は、エンジンの開発と量産の中で徐々に蓄積し発展させるべき技術であり、エンジン製造技術レベルと生産能力のソフトパワーを表しています。

航空エンジン製造のキーテクノロジー

単結晶タービンブレードの製造技術

現代の航空エンジンのタービン入口温度は大幅に上昇しており、F119エンジンのタービン入口温度は1900〜2050Kに達します。伝統的なプロセスで鋳造されたタービンブレードではこのような高温に耐えられず、溶けてしまい効果的に動作しません。単結晶タービンブレードは、推力重量比10段のエンジンのタービンブレードの耐高温性の問題を成功裏に解決しました。単結晶タービンブレードの優れた耐高温性は、ブレード全体にただ一つの結晶しか存在しないため、等軸結晶および指向結晶ブレードの多結晶構造による粒界での高温性能の欠陥が排除されるという事実に依存しています。

単結晶タービンブレードは、製造工程が最も多く、サイクルが最も長く、合格率が最も低く、外国の厳しい封鎖と独占があるエンジン部品です。単結晶タービンブレードの製造プロセスには、コア押出、コア修理、コア焼結、コア検査、コアと型の組み合わせ、ワックス型注入、ワックス型X線検査、ワックス型壁厚検出、ワックス型仕上げ、ワックス型結合、単結晶引き出しシステムと注ぎ口の組み合わせ、塗料除去、殻乾燥、殻脱蜡、殻焼成、葉片注ぎ込み、単結晶固化、殻吹き飛ばし、初期検査、蛍光検査、コア除去、研磨、弦幅測定、ブレードX線検査、X線フィルム検査、プロファイル検査、精製ブレード、ブレード壁厚検出、最終チェックの製造プロセスが含まれます。さらに、タービンブレードのロストワックス鋳造モールドの設計と製造も完了する必要があります。

現在、アメリカ、ロシア、イギリス、フランス、中国などのわずかな国々のみが単結晶タービンブレードを製造できる能力を持っています。近年、中国では単結晶タービンブレードの製造において大きな進展が見られました。推力重量比10段エンジン用の単結晶タービンブレードが開発され、高出力重量比のターボシャフトエンジン用の単結晶タービンブレードが量産されています。

高効率、高精度、低コストのインテグレーテッドブレードディスク加工技術

積層ブレードディスク技術の応用は、航空エンジン構造設計の革新と製造プロセスの飛躍を促進し、エンジンの軽量化と効率向上を実現し、エンジン運転の信頼性を向上させます。同時に、ブレードの薄さ、大きな曲げ、および高効率な空力設計により、ブレード剛性が低く、変形しやすく、制御が難しい問題が生じます。ブレード間の狭く深い流れ路は、ブレードディスク加工技術の実現が困難です。チタン合金やスーパーアロイなどの高強度材料は切削が難しく、効率が低いです。アメリカとイギリスは1980年代に新しいエンジンの一体型ディスク技術を適用し始め、中国は1996年頃から一体型ディスク技術を開始しました。

積分型ブレードディスク技術の応用は、エンジン部品構造の統合技術の発展を促進しました。ドラム付き連続積分ブレードディスク、シャフト付きブレードディスク、ディスク・ドラム・シャフト組み合わせ、ループ付き閉鎖型ブレードディスク、整流ステータリングブレードディスク、そして2段または多段のブレードディスク組み合わせが、新しい航空エンジンの開発に順次適用されています。軸流ディスクと遠心インペラを基盤に、大小のブレード構造ディスクや斜流コトレーフディスクが開発されました。

単一構造のブレードディスクが高性能ジェットエンジンに適用されて以来、その製造技術は発展と改善を続けています。現在、単一構造のブレードディスクの加工プロセスには主に次の5つの方法があります：ロストワックス精密鋳造法による単一構造ブレードディスク、電子ビーム溶接法による単一構造ブレードディスク、電気化学加工法による単一構造ブレードディスク、直線摩擦溶接法による単一構造ブレードディスク、そして5軸CNC工作機械加工による単一構造ブレードディスクです。

5軸CNC機械工具による一体型ブレードディスクの製造プロセスは、国内の航空エンジン用一体型ブレードディスク製造プロセスの中で最も早く開発され、最も広範な工学的応用を持ち、高い技術的成熟度を誇っています。この技術の開発と応用における鍵は、スロット加工技術、対称的な螺旋ミリングによるブレード形状仕上げ技術、ブレード前縁および後縁の加工誤差補正技術、そして全体的なブレードディスク形状の適応的加工技術です[1]。海外ではT700エンジン、BR715エンジンの増圧段、EJ200エンジンの一体型ブレードディスクがこの加工方法で製造されており、中国でもCJ1000AやWS500などの航空エンジン用一体型ブレードディスクが5軸CNC加工技術によって製造されています。図1は中国で製造された商用航空エンジン用高圧コンプレッサーの第1段一体型ブレードディスクを示しています。

中空ブレード製造技術

ターボファンエンジンのファンは燃焼室から遠く離れており、熱負荷は低いが、先進的な航空エンジンではその空力効率や異物損傷を防止する能力に対する要求が常に向上している。高性能航空エンジン用ファンは、広いコード長、肩無し、そして中空のファンブレードを採用している。

ローロー社が開発した三角トラス構造の空洞ファンブレードは、元のハニカムサンドイッチブレードの改良版です。ローロー社はこれを第2世代の空洞ファンブレードと呼んでいます。そのプロセスは、超塑性成形／拡散接合（SPF／DB）組み合わせプロセス法を使用して、3層のチタン合金板を広い弦の空洞ファンブレードに加工することです。ブレードの空洞部分は三角トラス構造であり、すでにボーイング777やA330機材のトレントエンジンで使用されています。中国でも三角トラス構造の空洞ファンブレード製造技術において突破が達成されました（図2は空洞ファンブレードと内部の三角構造を示しています）、しかし、工学応用を満たすためには、多くの強度、振動、疲労試験およびプロセス最適化に関する研究が必要です。

中空ブレードの製造プロセスは次のとおりです。まず、3枚のチタン合金板を準備し、上層、中層、下層に配置します。中層がコアプレートで、上層と下層はそれぞれ葉身盆地（リーフベーシン）と葉背板（リーフバックプレート）です。その後、油除去とピクルス処理を行った後、中間層にフラックスを塗布して検査し、チタン板を溶接して金型加熱、アルゴン浄化、拡散接合、超塑性成形、冷却（炉内）、表面洗浄、ブレード根元部および吸排気エッジ加工、ブレード検査などの工程を経て、ファン用の中空ブレードが形成されます[2] 超塑性成形／拡散接合 (SPF／DB)。

高級ベアリング製造技術

ベアリングは航空エンジンの主要部品の一つであり、ベアリングは数万回転の高回転で長時間動作するだけでなく、エンジンロータの高速回転による巨大な遠心力や各种の圧縮応力、摩擦、超高温に耐える必要があります。ベアリングの品質と性能は、エンジンの性能、寿命、信頼性および飛行安全性に直接影響します。高性能ベアリングの開発と生産は、接触力学、潤滑理論、摩擦学、疲労と損傷、熱処理、材料組織などの複数分野の研究と密接に関連しており、さらに設計、材料、製造、製造設備、試験・検査、グリースおよび潤滑に関する多くの技術的課題を解決する必要があります。

現在、高級ベアリングの研究開発、製造および販売は基本的にティムケン、NSK、SKF、FAGなどの西欧諸国のベアリング製造企業によって独占されています。中国の航空機エンジン製造技術は遅れており、国内のベアリング製造企業の生産能力と開発レベルでは、短期間に先進的な航空機エンジンに適した高級ベアリングを提供することはできません。ベアリングは、中国の航空機エンジン研究開発における「エベレスト」のような越えがたい難関となり、中国の高性能航空機エンジンの発展を大幅に制限しています。

粉末タービンディスクの製造技術

タービンディスクは高温と高ストレスの重ね合わせ、厳しい作業条件、複雑な製造プロセス、技術的な難しさにさらされており、これが中国におけるエンジン開発の困難の一つとなっています。粉末スーパーアロイは、優れた機械的特性と良好な熱処理および冷間加工性能を持つため、外国では高性能航空エンジンで広く使用されています。粉末タービンディスクの製造には、材料開発、マスターアロイ溶解、粉末製造および処理、ホットイソスタティックプレス、等温鍛造、熱処理、高精度検出および評価などの一連の重要な製造技術が含まれます。これは、高度な航空エンジン製造に欠かせない主要な製造技術です。外国での粉末タービンディスクに関する研究の動向は、使用性能に関しては高強度タービンディスクから損傷耐性タービンディスクへの発展、粉砕プロセスに関しては超純粋微細粉末への進化です。ホットイソスタティックプレスに加え、押出成形や等温鍛造による成形プロセスも開発されています。中国では、北京航空材料研究院がさまざまな航空エンジン用粉末タービンディスクを開発しており、先進的な航空エンジン用粉末タービンディスクの主要な製造技術問題を解決しましたが、粉末タービンディスクのエンジニアリング製造問題はまだ完全には解決されていません。

複合材料製造技術

複合材料技術は高性能航空エンジンで広く使用されています。LEAPエンジンの開発ニーズに対応するため、Sniemaは3D織り樹脂転移成形（RTM）技術を採用し、複合材製ファンケースと複合材製ファンブレードを製造しています。RTM技術で製造されたLEAPエンジン部品は高い強度を持ち、同じ構造のチタン合金部品の質量の半分に過ぎません。F119エンジンの開発プロセスにおいて、プルーディント＆ホイトニー社は連続SiC繊維強化チタンマトリックス複合材を使用したワイドコードファンブレードを開発しました。この種の複合ブレードは高剛性、軽量、衝撃抵抗性の特性を持ち、第3世代ワイドコードファンブレードと呼ばれています。F119ターボファンエンジンの3段ファンロータはすべてこの素材で作られています。中国でも、航空機エンジン部品の製造に複合材料製造技術が適用されており、融点自己生成TiB2粒子強化アルミニウムマトリックス複合材ファンブレードにおいて大きな進展が見られます。しかし、TiB2粒子強化アルミニウムマトリックス複合材ファンブレードの効率的な加工、加工面の強化、疲労耐性および異物損傷防止技術は、この素材のファンブレードの実用化における研究の鍵であり、難題です。