A tecnologia chave, tecnologia quente e tecnologia básica na fabricação de motores aeroespaciais avançados

A relação empuxo-peso e a relação potência-peso são os índices técnicos mais importantes para medir e avaliar a avançada natureza dos motores a jato. Com o objetivo de alcançar uma razão empuxo-peso do motor superior a 10, o motor a jato continua utilizando novos materiais e introduzindo novas estruturas para reduzir o peso dos componentes do motor a jato, enquanto aumenta significativamente a temperatura na frente da turbina do motor. Isso impõe requisitos técnicos mais elevados para a fabricação do motor e promove o surgimento contínuo e o desenvolvimento de novas tecnologias na fabricação de motores a jato. Uma série de tecnologias de fabricação-chave desenvolvidas para o avanço de motores a jato de alto desempenho se tornarão ou já se tornaram a direção do desenvolvimento de tecnologias de fabricação avançadas. Este artigo apresenta a tecnologia de fabricação chave do motor a jato sob três aspectos: tecnologia chave, tecnologia em alta e tecnologia básica. A tecnologia de fabricação chave é a tecnologia necessária para desenvolver motores a jato avançados. A tecnologia de fabricação em destaque é uma tecnologia que deve ser estudada para melhorar a eficiência e a qualidade da fabricação do motor. A tecnologia de fabricação básica é a tecnologia que deve ser gradualmente acumulada e desenvolvida no desenvolvimento e produção em massa do motor, representando o poderio suave do nível tecnológico e da capacidade produtiva da fabricação do motor.

Tecnologia-chave do fabrico de motores a jato

Tecnologia de fabricação de pás de turbinas monocristalinas

A temperatura frontal da turbina dos motores a jato modernos aumentou muito, e a temperatura frontal da turbina do motor F119 chega a 1900~2050K, e as pás de turbinas fundidas pelo processo tradicional simplesmente não conseguem suportar tal alta temperatura, chegando até a derreter e não funcionar adequadamente. As pás de turbinas monocristalinas resolveram com sucesso o problema de resistência à alta temperatura das pás de turbinas dos motores com razão empuxo-peso de 10 estágios. A excelente resistência à alta temperatura das pás de turbinas monocristalinas deve-se principalmente ao fato de haver apenas um cristal em toda a lâmina, eliminando assim os defeitos no desempenho em alta temperatura entre os limites de grão causados pela estrutura policristalina das pás equiaxiais e de cristal direcional.

A pás de turbina de cristal único é a peça do motor com o maior número de processos de fabricação, o ciclo mais longo, a menor taxa de qualificação e o bloqueio e monopólio estrangeiros mais rigorosos. O processo de fabricação de pás de turbina de cristal único inclui prensagem do núcleo, reparo do núcleo, sinterização do núcleo, inspeção do núcleo, emparelhamento do núcleo e molde, injeção de molde de cera, inspeção de raio X do molde de cera, detecção da espessura da parede do molde de cera, acabamento do molde de cera, combinação de moldes de cera, sistema de extração de cristal e combinação de porta-de-corrimento, remoção de pintura e areia, secagem da casca, desengraxamento da casca, torrefação da casca, fundição da lâmina, solidificação de cristal único, soprador de casca, inspeção inicial, inspeção por fluorescência, remoção do núcleo, lixamento, medição da largura da corda, inspeção por raios X da pás, inspeção de filmes de raios X, inspeção de perfil, refino da pás, detecção da espessura da parede da pás e verificação final do processo de fabricação. Além disso, é necessário concluir o design e a fabricação do molde de investida para a pás da turbina.

Atualmente, apenas alguns países no mundo, como os Estados Unidos, Rússia, Reino Unido, França e China, podem fabricar pás de turbinas monocristalinas. Nos últimos anos, grandes avanços foram feitos na fabricação de pás de turbinas monocristalinas na China. Foram desenvolvidas pás de turbinas monocristalinas para motores com razão empuxo-peso de estágio 10, e as pás de turbinas monocristalinas para motores turboshaft de alta potência em relação ao peso já estão sendo produzidas em massa.

Tecnologia de usinagem de alta eficiência, alta precisão e baixo custo para disco de lâminas integradas

A aplicação da tecnologia de disco de lâmina integral promove a inovação no design estrutural do motor a jato e o salto no processo de fabricação, realizando o objetivo de redução de peso do motor e aumento de eficiência, além de melhorar a confiabilidade da operação do motor. Ao mesmo tempo, a pequena espessura da lâmina, grande flexão e design aerodinâmico de alta eficiência resultam em baixa rigidez da lâmina, facilidade de deformação e problemas difíceis de controle; O canal de fluxo estreito e profundo entre as lâminas dificulta a realização da tecnologia de processamento do disco de lâminas. Materiais de alta resistência, como liga de titânio e superliga, são difíceis de cortar e têm baixa eficiência. Nos Estados Unidos e na Grã-Bretanha, começou-se a aplicar a nova tecnologia de disco monolítico para motores nos anos 80, enquanto a tecnologia de disco monolítico da China começou por volta de 1996.

A aplicação da tecnologia de disco-lâmina integral promoveu o desenvolvimento da tecnologia de integração estrutural de componentes de motor. O disco-lâmina integral em tandem com tambor, disco de lâminas com eixo, combinação de disco-tambor-eixo, disco de lâminas fechado com anel, disco de lâminas do retificador estatorring e combinações de discos de lâminas de duas etapas ou múltiplas etapas têm sido aplicadas sucessivamente no desenvolvimento de novos motores a jato. Com base no disco de fluxo axial e na pás centrífuga, são desenvolvidos o disco de estrutura de lâmina grande e pequena e o disco oblíquo de cotovelo.

Desde que o disco de lâminas monolítico foi aplicado em motores aeroespaciais de alta performance, a tecnologia de fabricação de discos de lâminas monolíticos tem se desenvolvido e aperfeiçoado. Atualmente, o processo de processamento do disco de lâminas monolítico inclui principalmente os seguintes 5 métodos de processo: o disco de lâminas monolítico de fundição por cera perdida, o disco de lâminas monolítico de solda a feixe de elétrons, o disco de lâminas monolítico de usinagem eletroquímica, o disco de lâminas monolítico de solda por atrito linear e o disco de lâminas monolítico de usinagem por ferramenta CNC de cinco coordenadas.

O processo de fabricação de disco integral de lâminas utilizando ferramenta de máquina-ferramenta CNC de cinco coordenadas é o mais antigo, com a aplicação engenhosa mais ampla e maior maturidade técnica no processo de fabricação de discos integrais de lâminas de motores aeronáuticos domésticos. Entre eles, a chave para o desenvolvimento e aplicação desta tecnologia está na tecnologia de fresamento e entalhe, na tecnologia de acabamento espiral simétrico de perfil de lâmina, na tecnologia de compensação de erro de usinagem da borda dianteira e traseira da lâmina e na tecnologia de usinagem adaptativa do perfil do disco integral de lâminas [1]. Motores estrangeiros T700, etapas de aumento de pressão dos motores BR715 e EJ200 utilizam este método de processamento para fabricação, assim como os discos integrais de lâminas dos motores aeronáuticos chineses CJ1000A, WS500 e outros, que também são fabricados utilizando a tecnologia de usinagem CNC de cinco coordenadas. A Figura 1 mostra o primeiro estágio do disco integral de lâminas do compressor de alta pressão de motores aeroespaciais comerciais fabricado na China.

Tecnologia de fabricação de lâmina oca

A hélice do motor a jato turbofã está distante da câmara de combustão, e a carga térmica é baixa, mas as exigências do avançado motor aeroespacial em relação à sua eficiência aerodinâmica e à capacidade de prevenir danos por objetos estranhos estão constantemente melhorando. O ventilador de alto desempenho do motor aeroespacial adota lâminas de perfil largo, sem ombro e oco.

A pás de ventilador oca da estrutura de trilho triangular desenvolvida pela Luo Luo Company é uma melhoria da pás sandwich de favo de mel original. A Luo Luo Company a chama de segunda geração de pás de ventilador ocas. O processo consiste em usar o método combinado de formação superplástica/difusão (SPF/DB) para transformar a placa de liga de titânio de 3 camadas em uma pá de ventilador ocas de corda larga. A parte oca da pá tem uma estrutura de trilho triangular, que já está sendo usada nos motores Trent dos aviões Boeing 777 e A330. A tecnologia de fabricação de pás de ventilador ocas com estrutura de trilho triangular na China também obteve um avanço (Figura 2 mostra a pá de ventilador oca e sua estrutura interna triangular), mas para atender às aplicações de engenharia, é necessário realizar muito trabalho de pesquisa sobre resistência, vibração, fadiga e otimização de processos.

O processo de fabricação da lâmina oca é o seguinte: Primeiro, é necessário preparar 3 placas de liga de titânio e posicioná-las nas camadas superior, média e inferior, sendo que a camada do meio é a placa central, e as camadas superior e inferior são respectivamente a bacia da folha e a placa traseira da folha. Em seguida, as pás de ventoinha ocas são formadas por três placas de liga de titânio após a remoção de óleo e a desescamação, revestimento da camada intermediária com fluxo de verificação, soldagem das placas de titânio, aquecimento do molde, purificação com argônio, conexão por difusão, formação superplástica, resfriamento no forno, lavagem da superfície, processamento da raiz da lâmina e das bordas de entrada e saída, inspeção da lâmina e outros procedimentos [2] formação superplástica/conexão por difusão (SPF/DB).

Tecnologia de fabricação de rolamentos de alta qualidade

O rolamento é um dos componentes principais de um motor aeroespacial. O rolamento opera a altíssimas velocidades, chegando a dezenas de milhares de RPM por longos períodos, além de suportar a enorme força centrífuga e os diversos tipos de estresse de compressão, fricção e temperaturas ultra-altas geradas pela rotação de alta velocidade do rotor do motor. A qualidade e o desempenho dos rolamentos afetam diretamente o desempenho do motor, sua vida útil, confiabilidade e segurança do voo. O desenvolvimento e produção de rolamentos de alta tecnologia estão intimamente ligados à pesquisa interdisciplinar em mecânica de contato, teoria de lubrificação, tribologia, fadiga e dano, tratamento térmico e organização de materiais, entre outros, e também devem resolver uma grande quantidade de problemas técnicos no design, materiais, fabricação, equipamentos de fabricação, testes e ensaios, graxas e lubrificação.

Atualmente, a pesquisa e desenvolvimento, fabricação e vendas de rolamentos de alta tecnologia são basicamente monopolizados por empresas fabricantes de rolamentos em países ocidentais, como Timken, NSK, SKF e FAG. A tecnologia de fabricação de motores aeronáuticos da China é atrasada, e a capacidade produtiva e o nível de desenvolvimento das empresas fabricantes de rolamentos nacionais não podem fornecer rolamentos avançados adequados para motores aeronáuticos modernos em um curto prazo. O rolamento tornou-se a "Montanha Everest" difícil de ser superada no desenvolvimento de motores aeroespaciais da China, o que limita significativamente o progresso dos motores aeroespaciais de alta performance na China.

Tecnologia de fabricação de disco turbina em pó

O disco da turbina do motor a jato está sujeito à superposição de alta temperatura e alto estresse, condições de trabalho severas, processo de preparação complexo e dificuldade técnica, o que se tornou um dos desafios no desenvolvimento de motores na China. As superligas em pó são amplamente utilizadas em motores a jato de alta performance em países estrangeiros devido às suas excelentes propriedades mecânicas e boa performance em processos térmicos e frios. A fabricação do disco de turbina em pó inclui uma série de tecnologias de fabricação-chave, como desenvolvimento de materiais, fusão de ligas principais, preparação e tratamento de pó, prensagem isotérmica a quente, forjamento isotérmico, tratamento térmico e detecção e avaliação de alta precisão, entre outras. Ela carrega a tecnologia de fabricação chave indispensável para a fabricação de motores a jato avançados. A tendência da pesquisa estrangeira sobre discos de turbina em pó é evoluir de discos de turbina de alta resistência para discos de turbina resistentes a danos em termos de desempenho operacional, e o processo de pulverização para pó ultra-puro e fino. Além da prensagem isotérmica a quente, também foram desenvolvidos processos de formação por extrusão e forjamento isotérmico. Na China, o Instituto de Materiais Aeroespaciais de Pequim desenvolveu vários discos de turbina em pó para motores a jato, o que resolveu os problemas técnicos fundamentais de fabricação dos discos de turbina em pó para motores a jato avançados, mas o problema de fabricação em engenharia dos discos de turbina em pó ainda não foi completamente resolvido.

Tecnologia de fabricação de materiais compostos

A tecnologia de materiais compostos tem sido amplamente utilizada em motores aeroespaciais de alto desempenho. Para atender às necessidades do desenvolvimento do motor LEAP, a Sniema adota a tecnologia 3D de moldagem por transferência de resina (RTM) para fabricar carcaças de ventiladores compostos e pás de ventilador compostas. As peças do motor LEAP fabricadas com tecnologia RTM têm alta resistência, e a massa é apenas metade da massa das peças de liga de titânio da mesma estrutura. Durante o desenvolvimento do motor F119, a Pratt & Whitney desenvolveu pás de ventilador de corda larga reforçadas com fibras contínuas de SiC e matriz de titânio. Este tipo de pá composta possui as propriedades de alta rigidez, leveza e resistência a impactos, e é chamada de terceira geração de pás de ventilador de corda larga. Os rotores de três estágios do motor turbofan F119 são todos feitos deste material. Na China, a tecnologia de fabricação de materiais compostos também foi aplicada na fabricação de peças de motores aeronáuticos, e as pás de ventilador reforçadas com partículas autógenas de TiB2 e matriz de alumínio fizeram grandes progressos. No entanto, o processamento eficiente das pás de ventilador reforçadas com partículas de TiB2, o fortalecimento da superfície de processamento, o desempenho anti-fadiga e a tecnologia anti-dano por objetos estranhos são os principais desafios para a realização da pesquisa de engenharia da aplicação desta matéria-prima.