De sleuteltechnologie, hot technology en basistechnologie van geavanceerde luchtvaartmotorproductie

Het verhoudingsgetal van duw tot gewicht en het verhoudingsgetal van vermogen tot gewicht zijn de belangrijkste technische indexen om de voortgeschrevenheid van vliegtuigmotoren te meten en te evalueren. Om een duw-gewichtsverhouding van de motor van meer dan 10 na te streven, maakt de vliegtuigmotor continu gebruik van nieuwe materialen en introduceert nieuwe structuren om het gewicht van de onderdelen van de vliegtuigmotor te verminderen, terwijl de voorste turbine-temperatuur van de motor sterk wordt verhoogd. Dit stelt hogere technische eisen aan de motorproductie en bevordert de continue opkomst en ontwikkeling van nieuwe technologieën in de productie van vliegtuigmotoren. Een reeks sleutelproductietechnologieën die zijn ontwikkeld voor de ontwikkeling van hoogprestatiemotoren zal worden of is al uitgegroeid tot de richting van de ontwikkeling van geavanceerde productietechnologieën. In dit artikel wordt de sleutelproductietechnologie van vliegtuigmotoren ingevoerd vanuit drie aspecten: sleuteltechnologie, hotetechnologie en basistechnologie. De sleutelproductietechnologie is de noodzakelijke technologie om een geavanceerde vliegtuigmotor te ontwikkelen. De productie-hotetechnologie is een technologie die moet worden bestudeerd om de productiefiteit en de kwaliteit van de motorproductie te verbeteren. Basistechnologie is de technologie die geleidelijk moet worden opgebouwd en ontwikkeld bij de ontwikkeling en massa-productie van motoren en staat voor de zachte kracht van het technologieniveau en de productiecapaciteit van de motortechnologie.

Sleuteltechnologie van de productie van straalmotoren

Productietechnologie van enkelkristal turbinebladen

De turbine-ingangstemperatuur van moderne straalmotoren is aanzienlijk verhoogd, en de turbine-ingangstemperatuur van de F119-motor ligt bijvoorbeeld tussen 1900~2050K. De door traditionele processen gegoten turbinebladen kunnen zulke hoge temperaturen gewoon niet verdragen en zelfs gesmolten raken, waardoor ze niet effectief kunnen functioneren. Enkelkristal turbinebladen hebben succesvol het probleem van de hoogtemperatuurbestendigheid van turbinebladen van motoren met een stuwkracht-gewichtverhouding van 10 opgelost. De uitstekende hoogtemperatuurbestendigheid van enkelkristal turbinebladen berust voornamelijk op het feit dat er slechts één kristal in het gehele blad aanwezig is, waardoor de tekortkomingen in de hoogtemperatuureigenschappen tussen korrelgrenzen, veroorzaakt door de polykristalliene structuur van equiaxiale en richtingskristalbladen, worden eliminerd.

De enkel kristal turbinevleugel is het motonderdeel met de meeste productieprocessen, het langste cyclus, de laagste kwalificatiegraad en de strengste buitenlandse blokkade en monopolisatie. Het proces van het vervaardigen van enkel kristal turbinevleugels omvat kernpersen, kernreparatie, kernsinteren, kerninspectie, passen van kern en vorm, wasvorminjectie, wasvorm X-lichtinspectie, wasvorm wanddikte detectie, wasvorm afwerken, wasvorm combineren, kristalextractionsysteem en gietopening combineren, verfsanering verwijderen, schelpdrogen, schelldewaxen, schelproosteren, bladerengieten, enkelkristalverharding, schelpblazen, initiële inspectie, fluorescerende inspectie, kernverwijdering, slijpen, snarenbreedtemeting, vleugel X-ray inspectie, röntgenfilminspectie, profielinspectie, fijnvleugel, vleugelwanddiktedetectie, en eindcontrole van het productieproces. Daarnaast moet ook de ontwerp- en productie van de investeringsgietvorm voor turbinevleugels worden voltooid.

Momenteel kunnen slechts een paar landen ter wereld, zoals de Verenigde Staten, Rusland, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk en China, enkelvoudige kristallijne turbinebladen produceren. In de afgelopen jaren is er veel vooruitgang geboekt in de productie van enkelvoudige kristallijne turbinebladen in China. De enkelvoudige kristallijne turbinebladen van motoren met een stuwkracht-gewichtverhouding van 10 zijn ontwikkeld en de enkelvoudige kristallijne turbinebladen van hoge vermogensdichte turbines zijn in serieproductie gegaan.

Technologie voor hoogwaardige, nauwkeurige en kosteneffectieve bewerking van integrale bladschijven

De toepassing van integrale blad-schijftechnologie bevordert de innovatie van de straal motorstructuurontwerp en de sprong in het productieproces, realiseert het doel van gewichtsvermindering en efficiëntieverhoging van de motor, en verbetert de betrouwbaarheid van de motorbewerking. Tegelijkertijd leidt de dunne dikte van het blad, grote buiging en een hoog-efficiënte aerodynamische ontwerpen tot slechte bladstartheid, gemakkelijke deformatie en moeilijk te beheersen problemen; De smalle en diepe luchtstroomkanaal tussen de bladen maakt de realisatie van de bladschijf-bewerkings technologie lastig. Hoogsterkte materialen zoals titaniumlegeringen en superlegers zijn moeilijk te snijden en hebben een lage efficiëntie. De Verenigde Staten en Groot-Brittannië begonnen in de jaren '80 met het toepassen van de nieuwe monolithische schijftechnologie voor motoren, Chinees monolithisch schijftechnologie startte rond 1996.

De toepassing van integrale blad-schijftechnologie heeft de ontwikkeling van integratietechnologie voor motorkomponentenstructuur bevorderd. De tandem-integrale bladschijf met trommel, de bladschijf met as, de combinatie van schijf-trommel-as, de gesloten bladschijf met ring, de rechttrekstatorringbladschijf en de combinatie van twee- of meervoudige bladschijven zijn achtereenvolgens toegepast in de ontwikkeling van nieuwe vliegtuigmotoren. Op basis van de axiale schijf en de centrifugale impeller worden de grote en kleine bladstructuur-schijven en de scheefstroomcotyledonschijven ontwikkeld.

Sinds de monolithische blad-schijf werd toegepast in hoogprestatie luchtvaartmotoren, ontwikkelt en verbetert de technologie voor de productie van monolithische blad-schijven zich voortdurend. Momenteel omvat het verwerkingsproces van de monolithische blad-schijf voornamelijk de volgende 5 soorten procesmethoden: de verlorenwasprecisiegieting monolithische blad-schijf, de elektronenstraalwelding monolithische blad-schijf, de elektrochemische bewerking monolithische blad-schijf, de lineaire wrijvingssouding monolithische blad-schijf en de vijf-coördinaten CNC-sleepmachinaal bewerkte monolithische blad-schijf.

De vijf-coördinaten CNC-machinetoolmachinerij voor de productie van integrale bladschijven is de vroegste, breedst toepasbare en technisch meest volgroeide methode in het binnenlandse luchtvaartmotorproces voor integrale bladschijven. Hierbij is de sleutel tot de ontwikkeling en toepassing van deze technologie de slotmachinerijtechnologie, de symmetrische spiraalbeurttechnologie voor het afwerken van de bladprofielen, de foutcompensatietechnologie voor het machineren van de bladvoren en -achterkanten, en de adaptieve machinerietechnologie voor het gehele blad. [1]. Buitenlandse T700-motoren, BR715-motorversterkers, EJ200-integrale bladschijven worden met deze verwerkingsmethode gemaakt en vervaardigd, evenals de Chinese CJ1000A, WS500 en andere vliegtuigmotoren die vijf-coördinaten CNC-machinerietechnologie gebruiken. Figuur 1 toont de eerste fase integrale bladring van een commerciële hoge druk compressor voor luchtvaartmotoren die in China wordt geproduceerd.

Holle bladmakings technologie

De ventilator van de turbofanmotor is ver verwijderd van de brandstofkamer, en de warmtelading is laag, maar de eisen van de geavanceerde vliegtuigmotor met betrekking tot de aerodynamische efficiëntie en de mogelijkheid om schade door vreemde voorwerpen te voorkomen, nemen constant toe. De hoogprestatie-vliegtuigmotorventilator maakt gebruik van een breed akkoord, geen schouder en holle ventilatorbladen.

De holle waaierblad van de driehoeksconstructie ontwikkeld door het Luo Luo-bedrijf is een verbetering van het oorspronkelijke honingbijensandwichblad. Het Luo Luo-bedrijf noemt het de tweede generatie holle waaierbladen. Het proces bestaat eruit om de superplastische vorming/diffusieverbinding (SPF/DB) combinatiemethode te gebruiken om een 3-lagen titaniumlegerrubbel in een breed snarenholle waaierbladen te verwerken. Het holle deel van het blad heeft een driehoeksconstructie, die al wordt gebruikt op de Trent-motoren van Boeing 777-en A330-vliegtuigen. De technologie voor de productie van holle waaierbladen met een driehoeksconstructie in China heeft ook een doorbraak gemaakt (figuur 2 toont het holle waaierblad en de interne driehoeksstructuur), maar om de eisen van de ingenieurspraktijk te voldoen, moet er veel onderzoek worden uitgevoerd naar de sterkte, vibratie, vermoeidheidstesten en procesoptimalisatie.

Het productieproces van holle bladen verloopt als volgt: Allereerst moeten 3 titaniumlegplaten worden voorbereid en in de bovenste, middelste en onderste lagen worden geplaatst. De middellage is het kernplaatje, de boven- en onderste lagen zijn respectievelijk het bladkom en de bladrugplaat. Vervolgens worden de ventilatorhollen bladen gevormd door drie titaniumlegplaten na olieverwijdering en zuurbehandeling, controle van de middellag met fluxcoating, titaniumplaatlassen, vormverwarming, argonreiniging, diffusieverbinding, superplastisch vormen, afkoeling in de oven, oppervlakte reinigen, bladroote en in- en uitlaatrandbewerking, bladinspectie en andere procedures [2] superplastisch vormen/diffusieverbinding (SPF/DB).

Hoogwaardige aslagproductietechnologie

Een aslag is een van de belangrijkste onderdelen van een vliegtuigmotor. De aslag draait met hoge snelheden van tienduizenden toeren per minuut gedurende lange perioden, terwijl het ook de enorme centrifugale kracht en verschillende vormen van uitkomingsstress, wrijving en ultrahoge temperaturen moet weerstaan die ontstaan door de hoge snelheid van rotatie van de motoras. De kwaliteit en prestaties van de aslagen beïnvloeden rechtstreeks de prestaties van de motor, de levensduur, betrouwbaarheid en vluchtm veiligheid. De ontwikkeling en productie van hoogwaardige aslagen zijn nauw verbonden met interdisciplinair onderzoek in contactmechanica, smertheorie, tribologie, vermoeiing en schade, thermische behandeling en materiaalstructuur, en moeten ook een groot aantal technische problemen oplossen in ontwerp, materialen, fabricage, fabricagereedschap, testen en inspectie, vet en smering.

Momenteel zijn onderzoek, ontwikkeling, productie en verkoop van hoogwaardige lagers bijna volledig gemonopoliseerd door lagerfabrikanten in westerse landen zoals Timken, NSK, SKF en FAG. De technologie voor vliegtuigmotorenfabricage in China is achterhaald, en de productiecapaciteit en ontwikkelingsniveau van binnenlandse lagerfabrikanten kunnen op korte termijn geen hoogwaardige lagers leveren die geschikt zijn voor geavanceerde vliegtuigmotoren. Lager is geworden de "Mount Everest" die moeilijk te overwinnen valt in het onderzoek en ontwikkelingsproces van Chinees luchtvaartmotortechnologie, wat de ontwikkeling van hoogpresterende luchtvaartmotoren in China sterk beperkt.

Productietechnologie van poederturbinedisken

Een straalmotor-turbinedisck wordt onderworpen aan een combinatie van hoge temperaturen en hoge spanningen, strenge werkomstandigheden, een complexe productieproces en technische uitdagingen, wat het tot een van de moeilijkheden in de ontwikkeling van motoren in China maakt. Poedersuperallegaten worden breed gebruikt in hoogprestatie straalmotoren in het buitenland vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen en goede thermische en koude bewerkbaarheid. De productie van poeder-turbinedisch inclusief een reeks belangrijke fabricagetechnologieën zoals materiaalontwikkeling, smelten van masterlegeringen, poederbereiding en -behandeling, warme isostatische persing, isotherm smeden, hittebehandeling, en precisiedetectie en -evaluatie, etc. Het draagt de onmisbare sleutelfabricagetechnologie voor de productie van geavanceerde straalmotoren. De trend in het buitenlandse onderzoek naar poeder-turbinedisch gaat van sterke turbinedisch naar schadebestendige turbinedisch in termen van dienstverlening, en van het pulveriseringsproces naar ultra-pure fijnpoeder. Naast warme isostatische persing worden ook extrusievorming en isotherm smedenprocessen ontwikkeld. In China heeft het Instituut voor Luchtvaartmaterialen in Peking verschillende soorten straalmotor-poeder-turbinedisch ontwikkeld, wat de belangrijkste fabricagetechnische problemen van geavanceerde straalmotor-poeder-turbinedisch heeft opgelost, maar het ingenieursfabricageprobleem van poeder-turbinedisch is nog niet volledig opgelost.

Technologie voor de productie van samengestelde materialen

Compositiemateriaaltechnologie wordt breed toegepast in hoge prestatie vliegtuigmotoren. Om de eisen van de LEAP-motorontwikkeling te voldoen, gebruikt Sniema 3D geweven resin transfer molding (RTM)-technologie om compositieve ventilatorhuizen en compositieve ventilatorbladen te fabriceren. LEAP-motoronderdelen die met RTM-technologie worden gefabriceerd, hebben een hoge sterkte, en het gewicht is slechts de helft van het gewicht van titaniumlegeringsonderdelen van dezelfde structuur. Tijdens het ontwikkelen van de F119-motor ontwikkelde Pratt & Whitney continue SiC vezel versterkte titaniummatrixcompositewide chord ventilatorbladen. Dit soort compositieblad heeft de eigenschappen van hoge starheid, lichtgewicht en impactweerstand, en wordt het derde generatie wide chord ventilatorblad genoemd. De F119 turbofan motor heeft drie stadia ventilatorrotors die allemaal gemaakt zijn van dit materiaal. In China wordt de technologie voor het vervaardigen van compositematerialen ook toegepast in de productie van luchtvaartmotoronderdelen, en er is veel vooruitgang geboekt met gesmolten autogene TiB2-deeltjes versterkte aluminiummatrixcompositie ventilatorbladen. Maar de efficiënte verwerking van TiB2-deeltjes versterkte aluminiummatrixcompositie ventilatorbladen, oppervlakteversterking, vermoeidingsweerstand en anti-buitenlandse objectbeschadigingstechnologie zijn de sleutel en moeilijkheden om de toepassing van dit materiaal ventilatorblad ingenieursonderzoek te realiseren.