高能束加工技术在航空工业上的应用

高能束加工技术在航空工业上的应用 高能束流加工技术在航空工业上的应用 张 恒 ，200902070126) (浙江工业大学机械工程学院，机械工程及自动化0901班 摘要:介绍了国内外高能束流加工技术在航空工业上的应用研究与发展趋势 关键词 :高能束流加工技术 发动机 飞机 0 前言 82高能束流(High Energy Density Beam)加工技术是利用5×10W/m的热源(电子束、激光和等离子弧)对材料或结构进行特种加工的技术，包括:焊接、切割、打孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等。这里所指的“加工技术”不仅仅是把材料加工制成具有先进技术指标的构件，还包括利用高能束流制备新型材料。高能束流加工技术被誉为“21世纪的加工技术”，并被认为“将为材料机构和制造技术带来革命性变化”。由于高能束流在材料加工方面具有的深穿透、精密控制、微焦点、高能密度、高速扫描、高速加热、冷却及全方位加工的技术特点，所以高能束流加工技术在航空工业上发挥了巨大的作用。 1 高能束流加工技术在发动机上的应用 发动机是飞机的心脏，发动机的加工技术代表了制造技术的先进水平。高能束加工技术在发动机上的应用主要是连接技术、制孔和切割、涂层技术、表面处理、快速成型技术及特种材料制备等技术。其中连接技术(主要是焊接技术)占很大的应用比例。 1.1焊接技术 在高能束流焊接过程中，由于热源能量密度高，因而在极短作用时间内，被焊材料蒸发汽化，产生贯穿被焊材料厚度方向的孔洞，称之为“匙孔”(keyhole)或是“小孔”，随着热源与被焊材料的相对运动，液态金属不断流向熔池后部填充小孔，从而形成连续的而且完全融透的焊缝。“小孔效应”是高能束流焊接过程的显著特征，改变了能量传递方式，与一般弧焊相比有明显的优点:焊接时基本不需要开坡口和焊丝、焊缝熔深通常大于焊宽(在电子束焊接时，深宽比能够大于20)、焊接速度快、热影响区小、焊缝组织细化及焊接变形小等。 由于有上述的优点，高能束流焊接技术可以焊接难熔金属和难焊材料，焊接深度大，焊缝性能好，焊接变形小，焊接精度高，并具有较高的生产率。 电子束焊接技术的研究及推广应用最为迅速。电子束加速电压由20,40kV发展为60Kv、150kV甚至300,500kV，其功率也有几百瓦发展为几千瓦，几十千瓦甚至数百千瓦。一次焊接的深度也可达到数百毫米。 电子束焊接可以获得高质量、低变形、大深宽比的焊缝，因此在飞机发动机的制造中应用最为广泛。图1所示的发动机核心机中的零件大部分采用电子束焊 接技术作为连接手段。 图1 某发动机核心机电子束焊接情况 进入20世纪90年代，电子束焊接技术的应用得到更加有力的推广。为减轻发动机重量，提高推重比，使发动机性能有显著的提高，就目前的技术水平而言，采用钛合金整体叶盘结构是最实际、最有效的减重 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 之一。 欧洲四国合作研制的EJ200发动机第三级风扇就采用了钛合金整体叶盘结构，其叶片底座采用了电子束焊成叶环，加工之后再将叶环与盘的轮缘焊成一体。 GE公司生产的F414-404发动机的第二、三级风扇，以及前三级压气机也采用了焊接的整体叶盘结构。 此外，在先进的刷式封严机构中，电子束焊接是重要的连接手段。 激光焊接在焊接深度和质量上比电子束焊接稍逊一筹，但其柔性加工能力以及大气状态下焊接的优势使得越来越多的发动机零件采用了激光焊接技术。铝合金、钛合金、高温合金和不锈钢等常用材料的激光焊接研究取得了良好的进展，特别是10kW以上的大功率激光器出现之后，激光焊接更具有了与电子束焊接竞争的能力。在15mm以下厚度的焊接应用中，由于激光焊接兼有电子束的穿透力而又无须真空室，使其在航空航天关键零件的焊接中得到应用。在蜂窝结构中，激光点焊技术同样是不可或缺的。 等离子弧焊接同时具有高能束流焊接同时具有高能束流焊接的深穿透和氩弧焊接低成本的优点，配合机械手可以进行全位置自动焊接，适合机匣零件空间的焊接。 1.2 制孔和切割技术 激光制孔、激光切割和电子束制孔是发动机制造中十分重要的特种加工方法。 激光制孔的优点是不论材料的种类和硬度都可以进行加工，其应用范围较广。尤其对于叶片气膜加工等一些特殊零件，采用激光打孔，取得了很大效益。 激光制孔是激光加工技术在工业中的首次应用，早在70年代初即开始应用于航空发动机叶片的零件气膜小孔加工.目前，各航空发动机制造厂，在发动机 零件上每年采用激光加工几十亿个气膜冷却孔。 激光切割的机理是首先激光照射材料以汽化或熔化方式先形成空洞，然后相对材料运动即成切缝，熔融材料被辅助气流带走。激光切割主要应用于薄壁金属零件等上较大圆孔、异型孔、叶型孔、窄槽切割和轮廓切边等。 电子束制孔要求的电子书能量密度比焊接更高、束斑更圆、控制更准确。因 20000孔/s，适宜制深孔，制孔质量高。 此制孔速度高，加工网孔最高可达4000, 1.3涂层技术 涂层技术主要是包括等离子弧喷涂、离子注入和电子束物理气相沉淀技术。 等离子弧喷涂技术应用范围较广，包括大气等离子弧喷涂技术、层流等离子弧喷涂技术、真空等离子弧喷涂技术和轴向送粉等离子喷涂技术。涂层与基体的粘结仍以机械结合为主，不宜承受振动、冲击等重负荷。 电子束物理气相沉积技术利用电子束轰击沉积材料(金属、陶瓷等)使之熔化蒸发并在基体上凝结沉积形成涂层。涂层与基体之间具有较高的结合力。 电子束物理气相沉积技术在涂层方面的应用主要是热障涂层的制备。热障涂层(TBCs)，又称为隔热涂层，有绝热性能良好的陶瓷材料构成。TBCs的研究始于20世纪40年代末，于60年代初应用于JT8D发动机燃烧室内壁。热障涂层在燃气涡轮发动机的应用，可以显著提高发动机的功率、降低发动机的油耗、延长部件的使用寿命。80年代末随着发动机推重比的提高，发动机热端部件承受的温度大幅度提高，由于材料本身的承温能力受到限制，因此在应用先进冷却技术的同时，TBCs作为延长部件寿命的一种重要手段而受到重视。进入90年代发动机推重比达到了10，此时涡轮进口温度大大超过了材料的承受能力，涡轮叶片的正常工作除得益于先进的冷却技术外，TBCs技术发挥了重要作用。其寿命与等离子喷涂的热障涂层相比要提高8倍。 离子注入技术与前两者相比，在涂层厚度上有较大差异，其厚度只有几个微米，属于薄膜技术。但其对于整体叶轮、压气机叶片的表面强化具有优势，对处理后气体流道截面几乎没有改变。该技术所占的应用比例不大，但是仍然非常重要。 激光冲击强化技术使材料表层产生应变硬化，残留很大的应压力。能够提高材料疲劳性能。相比喷丸等常规强化技术而言，激光冲击处理技术更适合于薄壁结构、复杂型面的叶片结构。 此外，激光快速成型技术、电子束物理气相沉积制备新材料、新结构的技术都具有良好的应用前景。 2 高能束流加工技术在飞机结构上的应用 飞机结构在减重、增性、延寿的要求下，越来越多地应用高能束流加工技术，尤其是焊接技术。机械连接一直是飞机制造的主要技术，用焊接代替机械连接是 降低结构重量的主要手段。 F22钛合金前梁、后机身的连钛合金梁采用了电子束焊接技术，其中后机身钛合金梁电子束焊缝长度达87.6m，厚度在6.4,25mm之间，所产生的效果是大幅度地降低了结构重量，提高了结构性能。A380也采用激光焊接技术制造带筋壁板(如图3所示)，提高结构的疲劳性能。由此可以看出，无论是军用还是民用机型，大飞机还是小飞机，大厚度框梁结构以及薄壳壁板结构，采用电子束、激光焊接技术已经成为发展趋势。 图3 飞机壁板结构的激光焊接 此外，激光制孔、激光冲击强化技术在飞机机翼制造中也开始得到应用。 3 结束语 随着飞机、发动机性能的提高和采用新型材料、新型结构，促使新兴加工技术的不断涌现;同时，也促使原有的加工技术不断地发展，以适应飞机和发动机的需要。相信，随着全球高能束流加工技术的不断推广与发展，航空工业将步入更辉煌的时代。 参 考 文 献 1 郭恩明，航空先进制造技术发展趋势，2007年增刊?航空制造技术，2007:1,5 2 王亚军，电子束焊接技术在航空工业中的应用，2004年增刊?航空制造技术》，2004:20,25 3 李亚江，夏春智，U.A.Puchkow，陈谦，高能束流焊接技术在航空发动机耐热材料中的应用，航空制造技术，2009，9:40,44 4 毛智勇，电子束焊接技术在大飞机中的应用 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，航空制造技术，2009，2:92,94 5 刘方军，高能束流加工技术在航空构件上的应用，2004航空航天焊接国际论坛，北京，2004