高温合金整体叶环叶片点接触铣削加工技术研究

航空发动机高温合金整体叶环具有半封闭流道型腔结构,开敞性差,叶片具有复杂自由型面、壁薄等特点,难以切削加工,且易出现干涉和变形。为解决此类零件的高效高精加工,提出了一种点接触式铣削加工的工艺方案,建立了切削力模型,分析出刀具铣削过程的主要影响因素为变化进给比例,应用UltraCAM工艺软件优选了点铣工艺方法的进给比例,得出相应的刀具轨迹与数控加工程序,并对基于第三级整流器的整体叶环零件进行实际加工验证,达到了预期效果,为整体叶环快速研制提供有效的叶片点接触铣削加工工艺规范。

连续纤维增强钛基复合材料整体叶环的超声检测试验研究

本文结合连续纤维增强钛基复合材料(TMCs)整体叶环的制备工艺和结构特点,重点分析了TMCs整体叶环内部质量的超声检测难点,并通过对特定尺寸TMCs整体叶环的超声检测试验及解剖对应分析,确定了纤维碎断、纤维束开裂、纤维屈曲、纤维挤出及焊缝处开裂(未焊合)等可能存在的主要缺陷类型及超声回波信号特征。试验结果表明,基于适当的超声检测工艺参数对TMCs整体叶环的内部质量进行检测,检测灵敏度可达Φ0.8 mm当量平底孔。

纤维增强钛基复合材料整体叶环设计技术

新材料和新结构的开发使用是航空发动机减重的一个主要技术途径,纤维增强钛基复合材料制备的整体叶环结构具有明显的减重优势。以Si C(f)/TA12整体叶环试验件为例,分别从结构、强度、工艺等方面阐述了整体叶环设计技术。利用ANSYS有限元软件进行数值模拟,并采用最大应力准则和平均周向应力准则评估了整体叶环试验件的破裂转速。通过旋转试验初步验证了整体叶环的减重效果和强度计算方法,并对今后的研究方向进行了展望。

纤维增强整体叶环/盘强度问题分析

为了尽可能全面剖析纤维增强整体叶环(简称叶环)的优点和结构强度问题,明确纤维增强叶环转子强度优化问题及加工制造要求,利用ANSYS有限元软件,在分析典型纤维增强叶环和特殊纤维增强整体叶盘(简称叶盘)结构的受力特性基础上,结合前期对纤维增强叶环/盘特性的认识了解,提出了纤维增强叶环/盘结构在设计使用中出现的减质、寿命、刚度和热变形不协调等结构强度问题,并分析了这些问题产生的机理,可供纤维增强转子结构设计、加工、试验和检查时参考。

整体叶环成组电极电火花高效加工技术研究

为提高整体叶环电火花加工总体效率,针对整体叶环结构特点,提出了一种成组电极多流道同时加工方案。以典型整体叶环为例,详细论述了该方案中的关键技术,包括成组电极型面、进给轨迹及展成运动轨迹设计等。基于关键技术的解决,通过工艺试验对方案进行验证,并试制加工出合格的试验件。研究表明,采用成组电极对整体叶环进行电火花加工,能够提高脉冲利用率,有效缩短带冠叶环制造周期。

连续纤维增强整体叶环结构方案优化设计

为设计出更轻质高强度的轮盘,提高航空发动机推重比,基于ANSYS优化平台,提出并建立整体叶环子午面结构参数化模型,筛选子午面主要结构优化设计变量,在金属盘结构设计准则应力标准基础上,提出并建立纤维增强整体叶环轻量化结构优化设计数学模型。扩展并建立复合材料轮环结构优化设计约束条件。借助轮环结构优化数学模型及ANSYS优化方法,通过典型纤维增强整体叶环结构优化设计,得到满足所有强度约束条件下的轻量化轮环结构,钛基SiC纤维在增强整体叶环结构的同时可以减少39.92%的质量,表明纤维增强整体叶环设计技术在叶环结构减重方面具有明显优越性,表明纤维增强整体叶环结构方案设计方法的有效性。

SiC纤维增强整体叶环破裂转速研究

为研究航空发动机SiC纤维增强钛合金整体叶环的强度,采用有限元法计算了整体叶环子午截面的周向应力分布,分析了其承载模式和理论破裂转速,然后通过高速旋转台试验测定了整体叶环的实际破裂转速。研究结果表明,以复合材料的局部最大周向应力计算的整体叶环的破裂转速与实际测试结果最为接近。叶环残骸断口SEM照片显示,超速旋转过程中首先发生了SiC纤维丝与钛合金基体的界面分脱,随后纤维丝被拉断导致复合材料承载能力下降,最终引起整体叶环的破裂。

连续纤维增强钛基复合材料整体叶环设计与分析

为适应未来高推重比航空发动机研制的需要,研究了国内外连续纤维增强钛基复合材料及其结构件的制备工艺特点,以及压气机连续纤维增强钛基复合材料整体叶环的设计和试验情况。以某压气机转子级为对象,开展了整体叶环设计和分析研究,提出了不同结构形式整体叶环设计方案,并从应力、重量、制造可行性和经济性等方面对不同结构设计方案进行了对比分析,结果表明:装配结构复合材料整体叶环应力水平低,制造可行性好,经济性好,并在一定程度上避免了径向载荷作用下的界面失效问题,值得深入研究。

航空发动机整体叶环叶片裂纹分析

经锻造热处理和热等静压工艺处理后的整体叶环叶片在振动疲劳试验中出现裂纹,通过宏观检查、断口宏微观分析、材质分析、力学性能试验和有限元应力模拟等手段,对叶片的裂纹性质和萌生原因进行分析与研究,并提出改进建议。结果表明:整体叶环叶片裂纹性质为高周疲劳,疲劳裂纹起源于叶片叶背侧表面最大应力区;整体叶环叶片在热等静压工艺处理后存在平直晶界连续α膜,抗疲劳性能明显降低,导致疲劳裂纹过早萌生。

高温合金整体叶环高效粗开槽加工技术研究

整体叶环是新一代先进航空发动机采用的重要构件,一般选用高温合金材料。由于叶环类零件叶片沿轴向相互遮挡,叶片间距狭小,叶型扭角大,开放性差以及材料难加工,导致该类产品铣削加工时单一刀轴无法粗开槽加工,多轴联动粗开槽刀具损耗严重,无法实现均匀余量粗开槽要求。本文以某型号整体叶环为载体,针对高温合金整体叶环结构特点,开展高效粗开槽技术试验研究,解决了高温合金整体叶环零件粗开槽加工后余量不均匀、加工效率低和加工成本高的难题。

航空发动机整体叶环中纤维断丝超声检测方法

基于超声头波(head-waves)理论,当探头以一定角度激励出的折射纵波传播到界面时产生能量较高的爬波,据此建立了连续SiC纤维增强钛合金基复合材料(Ti-MMC)整体叶环中SiC纤维环断丝缺陷超声爬波检测的有限元仿真模型,分析了多层介质界面超声波传播特性及爬波遇到断丝缺陷时的衍射现象。仿真结果表明,在缺陷上方的水层中会产生明显的缺陷信号波。根据仿真结果,设计制作了超声爬波(5 MHz,20°)-水浸聚焦(5 MHz,直径6 mm)组合探头和带有纤维断丝的人工缺陷试样,采用超声C扫描设备进行了检测实验。结果表明,超声爬波法能够成功地检测纤维环试样中不同深层的3层断丝缺陷(裂纹自身高度约0.42 mm)。该方法简单、经济、快速,有望解决Ti-MMC整体叶环中深埋型纤维环断丝缺陷的无损检测难题。

基于五轴测量技术的整体叶环快速检测方法研究

针对航空发动机整体叶环形状复杂、技术要求高、检测难度大等特点,本文基于五轴测量技术,搭建了测量系统,对整体叶环叶片型面进行了扫描测量方法研究,应用MODUS软件对测量点云数据进行处理与分析,实现了叶片截面轮廓误差和特征参数等的测量。通过实例测量,验证了该方法的测量效率。

航空用不锈钢磨粒流光整加工表面完整性研究

为研究磨粒流光整加工不锈钢闭式整体叶环的表面完整性,通过对电火花制备的不锈钢试样进行加工时间、加工压强及磨料目数的单因素试验,研究3个因素对加工后表面完整性的影响。结果表明:表面粗糙度Ra随着加工时间的增加而降低,从初始时的1.459μm降至60 min时的0.193μm,降低速率越来越慢,最后趋于稳定。磨粒流加工有效去除了加工表面再铸层。显微硬度在加工后明显降低,由450~950 HV降至270~350 HV且分布均匀性得到改善。显微硬度随着加工时间的增加整体上呈降低趋势,并出现了一定的加工硬化现象。在使用不同目数的磨料进行磨粒流加工后,残余应力由拉应力变为压应力。随着加工时间和加工压强的增加,试样表面越平整,抛光效果越好。

航空发动机用关键钛合金部件先进设计及制造技术

钛合金具有优异的各项性能,在航空发动机的关键部件中得到了重要应用。通过介绍世界知名飞机发动机制造公司的钛合金宽弦风扇叶片设计及制造技术、钛合金整体叶盘和叶环设计及制造技术以及钛合金机匣精密成型设计及制造技术的发展现状,指出钛合金宽弦风扇及整体叶盘、整体叶环制备技术和钛合金机匣精密成型技术是我国新型高性能航空发动机开发所必需掌握的关键技术,应当尽早突破。

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。

虚拟仿真技术在电火花成形加工中的应用探讨

探讨一种电火花成形异形电极运动轨迹的数控编程与虚拟仿真技术,并介绍了该技术在整体叶环零件加工中的应用情况。

连续SiC纤维增强钛基复合材料研究进展

简述了近年来国内外SiC纤维增强钛基复合材料的发展进程和应用进展情况,从纤维批量化生产、复合材料界面、主要力学性能、无损检测和结构件研制与考核5个方面对该类材料的研究进展进行了回顾.在纤维批量化生产和复合材料结构件研制方面,重点介绍了中国科学院金属研究所的研究工作,并对该类复合材料未来的发展趋势进行了展望.