Công nghệ chính, công nghệ nóng và công nghệ cơ bản trong sản xuất động cơ hàng không tiên tiến

Tỷ số đẩy-trọng lượng và tỷ số công suất-trọng lượng là những chỉ số kỹ thuật quan trọng nhất để đo lường và đánh giá tính tiên tiến của động cơ hàng không. Để theo đuổi tỷ số đẩy-trọng lượng của động cơ vượt quá 10, động cơ hàng không liên tục sử dụng vật liệu mới và giới thiệu cấu trúc mới nhằm giảm trọng lượng các bộ phận của động cơ hàng không trong khi tăng đáng kể nhiệt độ trước tua-bin của động cơ. Điều này đặt ra yêu cầu kỹ thuật cao hơn đối với việc sản xuất động cơ, và thúc đẩy sự xuất hiện và phát triển liên tục của các công nghệ mới trong sản xuất động cơ hàng không. Một loạt các công nghệ sản xuất then chốt được phát triển cho sự phát triển của động cơ hàng không hiệu suất cao sẽ trở thành hoặc đã trở thành hướng đi của sự phát triển công nghệ sản xuất tiên tiến. Bài viết này giới thiệu công nghệ sản xuất then chốt của động cơ hàng không từ ba khía cạnh: công nghệ then chốt, công nghệ nóng và công nghệ cơ bản. Công nghệ sản xuất then chốt là công nghệ cần thiết để phát triển động cơ hàng không tiên tiến. Công nghệ sản xuất nóng là công nghệ phải nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản xuất của động cơ. Công nghệ sản xuất cơ bản là công nghệ cần phải tích lũy và phát triển dần dần trong quá trình phát triển động cơ và sản xuất hàng loạt, đại diện cho năng lực mềm của mức độ công nghệ sản xuất động cơ và khả năng sản xuất.

Công nghệ chính của việc sản xuất động cơ phản lực

Công nghệ sản xuất lưỡi cánh tuabin tinh thể đơn

Nhiệt độ đầu turbin của động cơ phản lực hiện đại đã tăng đáng kể, nhiệt độ đầu turbin của động cơ F119 có thể đạt tới 1900~2050K, và các lưỡi cánh turbin được đúc bằng quy trình truyền thống đơn giản không thể chịu được nhiệt độ cao như vậy, thậm chí sẽ bị tan chảy và không thể hoạt động hiệu quả. Các lưỡi cánh turbin tinh thể đơn đã thành công trong việc giải quyết vấn đề khả năng chịu nhiệt cao của lưỡi cánh turbin cho động cơ có tỷ số đẩy-trọng lượng là 10 cấp. Khả năng chịu nhiệt tuyệt vời của lưỡi cánh turbin tinh thể đơn chủ yếu dựa vào thực tế là chỉ có một tinh thể duy nhất trong toàn bộ lưỡi cánh, từ đó loại bỏ các khuyết tật về hiệu suất ở nhiệt độ cao giữa các ranh giới hạt gây ra bởi cấu trúc đa tinh thể của lưỡi cánh turbin tinh thể đồng trục và tinh thể định hướng.

Lưỡi turbine tinh thể đơn là bộ phận động cơ có quy trình sản xuất phức tạp nhất, chu kỳ dài nhất, tỷ lệ đạt chuẩn thấp nhất và sự cấm vận nghiêm ngặt nhất từ nước ngoài. Quy trình sản xuất lưỡi turbine tinh thể đơn bao gồm ép lõi, sửa lõi, nén lõi, kiểm tra lõi, ghép lõi và khuôn, tiêm nến, kiểm tra X-quang nến, đo độ dày tường nến, hoàn thiện nến, kết hợp nến, hệ thống trích tinh thể và kết hợp cổ đổ, sơn loại bỏ cát, sấy vỏ, làm tan nến trong vỏ, nung vỏ, đổ lá, rắn hóa tinh thể đơn, thổi vỏ, kiểm tra sơ bộ, kiểm tra huỳnh quang, lấy lõi, mài giũa, đo chiều rộng dây, kiểm tra X-quang lưỡi, kiểm tra phim X-quang, kiểm tra hình dạng, hoàn thiện lưỡi, đo độ dày tường lưỡi và kiểm tra cuối cùng quy trình sản xuất. Ngoài ra, cần phải hoàn thành thiết kế và chế tạo khuôn đúc đầu tư cho lưỡi turbine.

Hiện nay, chỉ có một số ít quốc gia trên thế giới như Hoa Kỳ, Nga, Anh, Pháp và Trung Quốc có thể sản xuất cánh tuabin tinh thể đơn. Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã đạt được những tiến bộ lớn trong việc sản xuất cánh tuabin tinh thể đơn. Cánh tuabin tinh thể đơn của động cơ tỷ lệ đẩy-trọng lượng giai đoạn 10 đã được phát triển và cánh tuabin tinh thể đơn của động cơ turbon trục tỷ lệ công suất-trọng lượng cao đã được sản xuất hàng loạt.

Công nghệ gia công hiệu quả cao, độ chính xác cao và chi phí thấp cho đĩa cánh nguyên khối

Việc áp dụng công nghệ đĩa lưỡi tích hợp thúc đẩy sự đổi mới trong thiết kế cấu trúc động cơ phản lực và bước nhảy vọt trong quy trình sản xuất, thực hiện mục đích giảm trọng lượng động cơ và tăng hiệu suất, đồng thời cải thiện độ tin cậy của hoạt động động cơ. Đồng thời, độ dày mỏng của lưỡi, uốn cong lớn và thiết kế khí động học hiệu quả cao dẫn đến độ cứng của lưỡi kém, dễ biến dạng và khó kiểm soát; Kênh dòng khí hẹp và sâu giữa các lưỡi làm cho việc thực hiện công nghệ gia công đĩa lưỡi trở nên khó khăn. Các vật liệu cường độ cao như hợp kim titan và siêu hợp kim khó cắt và hiệu suất thấp. Hoa Kỳ và Anh vào những năm 1980 đã bắt đầu áp dụng công nghệ đĩa khối mới cho động cơ mới, còn công nghệ đĩa khối của Trung Quốc bắt đầu từ khoảng năm 1996.

Việc áp dụng công nghệ lưỡi cánh-tấm tích hợp đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ tích hợp cấu trúc các bộ phận động cơ. Các loại lưỡi cánh-tấm tích hợp nối tiếp với trống, tấm lưỡi cánh với trục, kết hợp đĩa-trống-trục, đĩa lưỡi cánh kín với vành, đĩa lưỡi cánh rotor stator hình vành khăn và kết hợp hai cấp或多 cấp lưỡi cánh đã được ứng dụng liên tục trong quá trình phát triển các động cơ hàng không mới. Trên cơ sở đĩa dòng trục và bánh công suất ly tâm, đĩa cấu trúc lưỡi lớn-nhỏ và đĩa cotyledon dòng xiên đã được phát triển.

Kể từ khi đĩa lưỡi câu khối được áp dụng trong động cơ hàng không hiệu suất cao, công nghệ sản xuất đĩa lưỡi câu khối đã không ngừng phát triển và cải tiến. Hiện nay, quy trình gia công đĩa lưỡi câu khối chủ yếu bao gồm năm phương pháp quy trình sau: đúc chính xác bằng sáp mất cho đĩa lưỡi câu khối, hàn tia điện tử cho đĩa lưỡi câu khối, gia công điện hóa cho đĩa lưỡi câu khối, hàn ma sát tuyến tính cho đĩa lưỡi câu khối và gia công bằng máy CNC năm trục cho đĩa lưỡi câu khối.

Quy trình gia công phôi đĩa lá tổng thể bằng máy công cụ CNC năm tọa độ là quy trình sớm nhất, có phạm vi ứng dụng kỹ thuật rộng nhất và độ chín về mặt kỹ thuật cao nhất trong quy trình sản xuất đĩa lá tổng thể của động cơ hàng không trong nước. Trong đó, chìa khóa cho sự phát triển và ứng dụng công nghệ này là công nghệ cắt khe và cắt khe, công nghệ hoàn thiện hình dạng lưỡi cắt xoắn ốc đối xứng, công nghệ bù lỗi gia công mép trước và sau của lưỡi cắt và công nghệ gia công thích ứng toàn diện cho đĩa lá [1]. Động cơ T700, BR715 và động cơ tăng áp EJ200 của nước ngoài sử dụng phương pháp gia công này để chế tạo và sản xuất đĩa lá tổng thể, còn các động cơ hàng không của Trung Quốc như CJ1000A, WS500 cũng sử dụng công nghệ gia công CNC năm tọa độ để sản xuất. Hình 1 cho thấy đĩa lá tổng thể giai đoạn đầu tiên của tuabin nén áp suất cao động cơ hàng không thương mại được sản xuất tại Trung Quốc.

Công nghệ sản xuất lưỡi cắt rỗng

Quạt của động cơ tuabin quạt nằm xa buồng đốt, và tải nhiệt thấp, nhưng yêu cầu của động cơ phản lực tiên tiến về hiệu suất khí động học và khả năng ngăn ngừa thiệt hại do vật thể lạ không ngừng được cải thiện. Quạt của động cơ phản lực hiệu suất cao sử dụng cánh quạt không vai, không dây và rỗng với độ dài hợp lý.

Lưỡi quạt rỗng có cấu trúc khung tam giác do công ty Luo Luo phát triển là sự cải tiến của lưỡi quạt sandwich tổ ong ban đầu. Công ty Luo Luo gọi đây là thế hệ thứ hai của lưỡi quạt rỗng. Quy trình là sử dụng phương pháp kết hợp tạo hình siêu dẻo/kết nối khuếch tán (SPF/DB) để làm cho tấm hợp kim titan 3 lớp thành lưỡi quạt rỗng dây cung rộng. Phần rỗng của lưỡi quạt có cấu trúc khung tam giác, đã được sử dụng trên động cơ Trent của máy bay Boeing 777 và A330. Công nghệ sản xuất lưỡi quạt rỗng có cấu trúc khung tam giác ở Trung Quốc cũng đã đạt được bước đột phá (Hình 2 hiển thị lưỡi quạt rỗng và cấu trúc tam giác bên trong), nhưng để đáp ứng ứng dụng kỹ thuật, cần phải thực hiện nhiều nghiên cứu về độ bền, rung động, mệt mỏi và tối ưu hóa quy trình.

Quy trình sản xuất của lưỡi dao rỗng như sau: Trước tiên, cần chuẩn bị 3 tấm hợp kim titan và đặt chúng ở các lớp trên, giữa và dưới, lớp giữa là tấm lõi, lớp trên và dưới lần lượt là tấm bồn lá và tấm lưng lá. Sau đó, các lưỡi dao rỗng của quạt được tạo thành từ ba tấm hợp kim titan sau khi loại bỏ dầu, tẩy axit, kiểm tra lớp trung gian phủ chất thông flux, hàn tấm titan, làm nóng khuôn, làm sạch argon, kết nối khuếch tán, tạo hình siêu dẻo, làm nguội trong lò, rửa bề mặt, gia công gốc lưỡi và mép vào ra khí, kiểm tra lưỡi và các quy trình khác [2] tạo hình siêu dẻo/kết nối khuếch tán (SPF/DB).

Công nghệ chế tạo bạc đạn cấp cao

Đầu trục là một trong những thành phần chính của động cơ phản lực, đầu trục hoạt động ở tốc độ cao hàng chục nghìn vòng/phút trong thời gian dài, đồng thời cũng phải chịu được lực ly tâm khổng lồ từ việc quay rotor của động cơ và các dạng ứng suất nén khác nhau, ma sát và tác động của nhiệt độ siêu cao. Chất lượng và hiệu suất của đầu trục直接影响 trực tiếp đến hiệu suất động cơ, tuổi thọ, độ tin cậy và an toàn bay. Việc phát triển và sản xuất các đầu trục cao cấp có liên quan chặt chẽ đến nghiên cứu đa ngành như cơ học tiếp xúc, lý thuyết bôi trơn, tribology, mệt mỏi và hư hại, xử lý nhiệt và tổ chức vật liệu, v.v., và cũng phải giải quyết một số lượng lớn các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế, vật liệu, sản xuất, thiết bị sản xuất, thử nghiệm và kiểm tra, mỡ và bôi trơn.

Hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển, sản xuất và bán hàng của các loại bạc đạn cao cấp cơ bản bị độc quyền bởi các doanh nghiệp sản xuất bạc đạn ở các quốc gia phương Tây như Timken, NSK, SKF và FAG. Công nghệ sản xuất động cơ máy bay của Trung Quốc còn lạc hậu, và năng lực sản xuất cũng như mức độ phát triển của các doanh nghiệp sản xuất bạc đạn trong nước không thể cung cấp các loại bạc đạn cao cấp phù hợp với động cơ máy bay tiên tiến trong thời gian ngắn. Bạc đạn đã trở thành "Núi Everest" khó vượt qua trong nghiên cứu và phát triển động cơ hàng không của Trung Quốc, điều này hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của các động cơ hàng không hiệu suất cao ở Trung Quốc.

Công nghệ sản xuất đĩa turbine bột

Đĩa turbin động cơ phản lực phải chịu sự chồng chập của nhiệt độ cao và ứng suất cao, điều kiện làm việc khắc nghiệt, quy trình chuẩn bị phức tạp và khó khăn kỹ thuật, điều này đã trở thành một trong những khó khăn trong việc phát triển động cơ ở Trung Quốc. Hợp kim bột được sử dụng rộng rãi trong các động cơ phản lực hiệu suất cao ở nước ngoài nhờ vào đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng xử lý nhiệt lạnh tốt. Việc sản xuất đĩa turbin bột bao gồm một loạt các công nghệ sản xuất then chốt như phát triển vật liệu, tan hợp kim chính, chuẩn bị và xử lý bột, ép đẳng hướng nóng, rèn đẳng nhiệt, xử lý nhiệt, và kiểm tra đánh giá độ chính xác cao, v.v. Nó mang lại công nghệ sản xuất then chốt không thể thiếu cho việc chế tạo động cơ phản lực tiên tiến. Xu hướng nghiên cứu về đĩa turbin bột ở nước ngoài là phát triển từ đĩa turbin cường độ cao sang đĩa turbin chống hư hại về mặt hiệu suất sử dụng, và quá trình nghiền bột đến bột siêu tinh khiết. Ngoài ép đẳng hướng nóng, các quy trình tạo hình nén và rèn đẳng nhiệt cũng được phát triển. Ở Trung Quốc, Viện Vật liệu Hàng không Bắc Kinh đã phát triển nhiều loại đĩa turbin bột động cơ phản lực, giải quyết được các vấn đề kỹ thuật sản xuất then chốt của đĩa turbin bột động cơ phản lực tiên tiến, nhưng vấn đề sản xuất kỹ thuật của đĩa turbin bột chưa được giải quyết hoàn toàn.

Công nghệ sản xuất vật liệu composite

Công nghệ vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong động cơ hàng không hiệu suất cao. Để đáp ứng nhu cầu phát triển động cơ LEAP, Sniema áp dụng công nghệ đúc truyền chất kết dính 3D (RTM) để sản xuất vỏ quạt composite và cánh quạt composite. Các bộ phận của động cơ LEAP được chế tạo bằng công nghệ RTM có độ bền cao, và khối lượng chỉ bằng một nửa so với các bộ phận hợp kim titan cùng cấu trúc. Trong quá trình phát triển động cơ F119, Pratt & Whitney đã phát triển cánh quạt có dây SiC liên tục gia cố trong ma trận titan. Loại cánh quạt composite này có đặc tính cứng, nhẹ và khả năng chống va đập, được gọi là thế hệ thứ ba của cánh quạt có dây lớn. Ba tầng rotor quạt của động cơ tuabin phản lực F119 đều được làm từ vật liệu này. Tại Trung Quốc, công nghệ chế tạo vật liệu composite cũng đã được áp dụng trong việc sản xuất các bộ phận động cơ hàng không, và cánh quạt gia cố hạt TiB2 trong ma trận nhôm đã đạt được những tiến bộ lớn. Tuy nhiên, gia công hiệu quả cánh quạt gia cố hạt TiB2, tăng cường bề mặt gia công, chống mệt mỏi và chống hư hại do vật thể lạ là những vấn đề then chốt và khó khăn trong nghiên cứu kỹ thuật ứng dụng của loại cánh quạt này.