整體葉盤技術是新一代航空發(fā)動機實現(xiàn)結構創(chuàng)新與技術跨越的核心技術之一。與傳統(tǒng)結構相比，整體葉盤將葉片和輪盤設計為一體，具有減重、減級、增效和提高可靠性等優(yōu)點，美英等航空強國在20世紀80年代中期的新型發(fā)動機上開始應用整體葉盤技術，我國整體葉盤技術起步于20世紀90年代中期。由于整體葉盤結構復雜，通道窄、葉片薄、彎扭大、易變形，材料多為鈦合金等難切削材料，工藝實現(xiàn)性差，所以國外對我國整體葉盤制造技術至今還未開放。整體葉盤制造技術的推廣應用不僅可提升新型航空發(fā)動機的性能和水平，同時可帶動材料工藝技術、鍛件制備技術、機械制造和特種制造技術、發(fā)動機零件修復技術、表面光飾、表面完整性技術、相應檢測技術和重大裝備制造技術等技術水平的發(fā)展和提高。我國航空企業(yè)在整體葉盤制造中走過一些彎路，也積累了一定的經(jīng)驗，作者通過觀察、分析和總結，現(xiàn)就整體葉盤的制造方法提出自己的見解，供大家共同討論和交流。

　整體葉盤的結構與演變

　在傳統(tǒng)的航空發(fā)動機上，壓氣機及風扇轉子是由輪盤和葉片組裝而成，其轉子葉片的葉根部位設計制造成榫頭，將榫頭裝于輪盤輪緣的榫槽中，再用鎖緊裝置將葉片鎖定于輪盤中。20世紀80年代中期，在航空發(fā)動機結構設計方面，出現(xiàn)了一種稱之為“整體葉盤”或簡稱“葉盤”(Blisk)的結構，Blisk（整體葉盤）是由blade（葉片）的前2個字母與disk（輪盤）的后3個字母組合在一起形成的1個新詞， 它較形象地表達了這種結構的特點，即它是一種合二(葉片、輪盤)為一（葉盤）的結構。整體葉盤結構將轉子葉片和輪盤制成一體，省去了連接用的榫頭、榫槽，使結構大大緊湊。

　追溯整體葉盤的發(fā)展，早在20世紀60年代，國外一些短壽命的小型發(fā)動機轉子設計和制造上采用了整體葉盤結構，當時不稱作整體葉盤，而稱作“整體轉子”；隨后，在渦軸發(fā)動機、民用的壓縮機、離心機、膨脹機上也陸續(xù)使用了葉輪轉子，稱為整體葉輪，船用推進器也采用了整體葉盤結構。

　從整體轉子、整體葉輪和整體葉盤技術的研究和應用以來，整體葉盤的結構不斷發(fā)展，從最初的盤片一體發(fā)展到盤片鼓一體、盤片軸一體、盤片鼓軸一體到兩級或多級葉盤固態(tài)串接的串列式整體葉盤；整體葉盤的功能結構從最初的軸流葉盤、離心葉輪發(fā)展到軸流葉盤、離心葉輪、大小葉片結構葉盤、斜流轉子葉盤、帶箍閉式葉盤及整流器靜子葉盤等結構。在渦軸發(fā)動機和小尺寸渦噴、渦扇發(fā)動機采用精密鑄造工藝也實現(xiàn)了渦輪轉子和靜子的鑄造整體葉盤。葉盤毛坯的制造工藝從單純的自由鍛造餅坯，到近凈成型等溫鍛造毛坯、線性摩擦焊接葉盤毛坯和線性摩擦焊接空心葉片整體葉盤毛坯。

　整體葉盤的制造工藝過程

  國內(nèi)外，由于制造設備和條件不同，整體葉盤的加工工藝有所差異，但制造工藝過程基本上按照以下9個階段開展加工、檢查和保護工作（圖1）。

　1 毛坯鍛造階段

　毛坯制造階段完成的工作為：（1）準確理解葉盤設計圖紙的技術要求、所選材料、材料標準和鍛造標準；（2）確定鍛造企業(yè)，充分調(diào)研鍛造企業(yè)的設備條件、技術人員水平、同類鍛件鍛造經(jīng)驗情況和相關認證資質(zhì)的符合性，溝通葉盤毛坯的鍛造標準，在可確保能實現(xiàn)鍛件質(zhì)量的前提下，按照進度和價格優(yōu)先的原則確定鍛造企業(yè)；（3）簽訂《鍛件專項技術協(xié)議》，明確毛坯復檢階段的鍛件及取樣方法；（4）會簽葉盤鍛件圖。

　毛坯鍛造分自由鍛造、模鍛、等溫模鍛和線性摩擦焊等方法制造鍛件，小型葉盤毛坯通常使用自由鍛造方法制作；大型鈦合金葉盤毛坯采用等溫模鍛制作；空心葉盤毛坯采用線性摩擦焊方法制作。

　由于葉盤運轉工況的不同，鋁合金、不銹鋼、TC4、TC11、TC17和GH4169等均在航空發(fā)動機整體葉盤設計制造中得到使用。毛坯鍛造階段的成果為葉盤毛坯、毛坯備件、復檢用坯、《專項技術協(xié)議》、鍛件圖和鍛件合格證。

　2 材料（鍛件）復檢階段

　毛坯復檢階段依據(jù)鍛造設計圖紙、技術要求、技術要求上規(guī)定的復檢標準和《鍛件專項技術協(xié)議》，選取有材料復檢資質(zhì)的第二家單位進行相關材料力學性能復檢、鍛件內(nèi)部組織結構檢查。按照《鍛件專項技術協(xié)議》確定的取樣方法加工復檢用試樣。鍛件組織結構檢測方法有超聲波探傷檢查、水浸探傷檢查、磁粉檢查等，此階段的成果為力學性能復檢證明、鍛件組織結構復檢合格證。

　3 加工制造階段

　加工制造階段是整體葉盤制造的核心工作內(nèi)容，整體葉盤設計規(guī)定的幾乎全部幾何尺寸須在加工制造階段進行加工，目前整體葉盤加工的工藝方法主要有以下5項。

?。?）失蠟精密鑄造整體葉盤。小型航空發(fā)動機，特別是渦軸發(fā)動機的燃氣渦輪、動力渦輪整體葉盤及其整體導向器均采用失蠟精密鑄造工藝鑄造葉盤。

?。?）鍛件機械加工整體葉盤。采用五座標數(shù)控加工中心，將整體葉盤轉子鍛坯銑削加工成整體葉盤轉子零件，這是國內(nèi)航空發(fā)動機整體葉盤制造研究最早，應用最廣，技術較為成熟的制造方法。國外早期制造葉片數(shù)較少的小型整體葉盤如T700發(fā)動機葉盤較多采用此方法制造葉盤?，F(xiàn)在大直徑、葉片數(shù)多的整體葉盤，如羅羅公司的BR715的風扇后兩級增壓壓氣機，EJ200中的兩種整體葉盤也使用了這種加工方法加工。

?。?）電子束焊接整體葉盤。葉片與輪盤分別加工好后，將一個個葉片用電子束焊接法焊到輪盤的輪緣上。普惠公司PT6三級軸流轉子葉盤均用電子束焊接加工成型。

?。?）電化學加工整體葉盤。電化學加工實質(zhì)上是一種反電鍍過程，將浸泡在電解液槽中的葉盤鍛件毛坯與電源的正極連接，類似電鍍時的陽機，將先期加工的葉型形狀的工具與電源負極連接，類似電鍍時的陰極，電源接通后，工件表面的材料逐漸被溶解形成所要求的型面（型面由處于陰極的工具型面來保證），從工件上被溶解掉的材料，被電解槽中高速流動的電解液帶走。用電化學加工方法加工整體葉盤比用五坐標數(shù)控銑床加工葉盤，加工時間大大縮短、特別對于大風扇整體葉盤，由于要從工件上去除掉大量材料，使用此方法效果更好；同時也避免葉片在銑削加工中由于大量切削材料產(chǎn)生的殘余應力。GE公司自1985年開發(fā)了這種加工方法，并先后用于T700、F414、F110-GE-129R等發(fā)動機整體葉盤加工。

?。?）線性摩擦焊整體葉盤。這是一種新的固態(tài)連接技術，它類似于擴散連接，即將兩個清潔的輪盤和葉片結合表面處于高壓與高溫下，這樣在兩件材料的結合面間形成了原子的相互轉移，最終使輪盤和葉片緊密連接成一體。在擴散連接中連接的工件在高溫爐中使整個工件加熱到高溫，而在線性摩擦焊過程中，工件的高溫是通過兩結合面間的高速互動摩擦產(chǎn)生的。F119第一級空心風扇葉片采用這種焊接方法焊到輪盤上。

　在加工制造階段，值得密切關注的問題是必須采取真空熱穩(wěn)定化處理方法消除加工階段產(chǎn)生的殘余應力及其葉片的加工變形，真空熱處理的溫度及其加溫和冷卻的時間與處理葉盤的材料和規(guī)格有關。

　4 光飾處理階段

　光飾處理是為滿足整體葉盤粗糙度設計而開展的加工任務，主要是對葉盤葉型表面進行上光處理，消除加工刀痕或走刀軌跡的反光現(xiàn)象，同時也可提高葉片型面的壓應力。目前采用的主要方法有手工上光，手工預上光，振動光飾，機械手拋光等方法。圖2為五坐標機械手拋光機拋光葉盤零件。

       5 鍛件質(zhì)量再檢查階段

　鍛件質(zhì)量再檢查是在葉片型面還未達到精加工狀態(tài)時，采用腐蝕檢查、渦流檢查等方法檢查鍛件的內(nèi)部（整體葉盤葉片表面和次表面）質(zhì)量。這一階段將給出相應的過程檢測報告。

　6 加工質(zhì)量檢查階段

　加工質(zhì)量檢查的主要工作為：（1）用三坐標測量機（目前使用最廣泛）檢查葉盤的加工幾何尺寸是否滿足設計要求，其依據(jù)為葉盤設計圖紙、公差和葉盤零件模型，出具葉片型面檢測報告、相關幾何尺寸報告和裝配尺寸實測值報告；（2）用熒光檢查方法檢查零件表面是否存在缺陷，并出具檢查報告；（3）對葉片的固有振動頻率進行檢測，出具規(guī)定葉片固有振動頻率的實測報告；（4）用粗糙度檢查設備檢查葉片型面是否滿足設計圖紙規(guī)定的粗糙度要求；（6）加工表面殘余應力檢測，一般認為：葉片表面的殘余應力越小加工質(zhì)量越好，壓應力比拉應力好。

　7 耐磨、抗疲勞加工階段

　此階段工作的主要任務是增加葉盤在工作狀態(tài)下相關部位的耐磨能力和葉片的抗疲勞性能。主要方法為噴涂、噴丸濕吹砂和激光強化等。

　8 包裝階段

　包裝階段是葉盤制造中非常重要但常常被忽視的工作內(nèi)容，其主要包括葉盤零件在葉盤包裝箱中固定、保護和封裝等工作內(nèi)容，根據(jù)葉盤的尺寸和重量制作葉盤的包裝箱。

　9 完成葉盤制造交付

　本階段依據(jù)設計圖紙、各個階段的質(zhì)量文件、過程檢查記錄，開具零件合格證，按照要求歸檔全部質(zhì)量文件、過程記錄和流水卡等。

　整體葉盤NC加工關鍵技術

　整體葉盤雖然加工方法較多，但國內(nèi)研究成果最多、應用最廣泛、技術成熟度最高的加工方法還是鍛件機械加工整體葉盤的方法，也就是五坐標NC加工方法。為了實現(xiàn)整體葉盤的高效低成本、高設計符合性制造，必須制定科學的葉盤加工工藝規(guī)范和合理的NC加工程序。圖3為整體葉盤NC加工常采用的加工工藝路線。葉盤加工的關鍵點較多，下面就部分重要的關鍵工藝技術給以介紹。

　　1 插銑開槽加工工藝

　整體葉盤零件開槽加工的基本特點是加工的材料為難切削材料而切削量大，葉盤毛坯的絕大多數(shù)材料需在開槽階段去除。傳統(tǒng)上葉盤開槽加工中一般采用立銑刀分層側銑的加工方式進行開槽加工，由于葉盤開槽側銑加工切削量較大，刀具承受切削力和扭矩很大，常常導致刀具折斷。隨著刀具懸伸量的增加，加工過程會出現(xiàn)刀具和葉片激烈的振動現(xiàn)象，零件加工的表面質(zhì)量差、誤差大，開槽加工效率低、加工周期長。開槽工作是影響葉盤制造效率和成本的瓶頸問題。

　插銑加工也稱為Z軸（刀軸）切削法加工，是近年來在深腔槽或陡峭壁類結構零件加工中常采用的一種高效加工方法。插銑加工時刀具沿機床主軸方向作進給運動，利用底部的切削刃進行鉆、銑組合切削。插銑工藝切削力小，減小了刀具和工件的變形；插銑切削過程中切削力無突變，從而有效避免了機床-刀具系統(tǒng)的振動，使切削過程平穩(wěn)。經(jīng)大量葉盤加工開槽加工驗證，在增大側向步距和懸伸量的情況下，插銑切削仍能保持平穩(wěn)狀態(tài)；插銑時刀具和零件的接觸面溫度低，刀具轉速和進給量可大幅度提高。因此，在鈦合金、高溫合金和不銹鋼等難切削材料粗加工中，插銑工藝開槽加工可大幅度提高刀具耐用度、減少開槽時間、降低加工成本。

　2 對稱螺旋銑削葉片精加工工藝

　對稱螺旋銑削加工工藝采用螺旋線刀具軌跡在葉片兩側一個螺旋周期內(nèi)對被加工葉片“對稱”地加工，使葉片兩側被切除的材料量值基本相等，從而可減小傳統(tǒng)單邊加工時殘余應力引起的變形，有效地控制了粗加工、半精加工后葉片內(nèi)應力非對稱釋放和加工殘余應力引起的加工變形。同時，還可采用高速銑削技術，直接減小銑削力以及工藝系統(tǒng)的被迫振動。因此，這種工藝方法在實現(xiàn)加工薄壁葉片時，其單面銑削工藝無法保證的加工精度。

　葉片對稱螺旋銑削精加工分為兩步：第一步，對稱地切除半精加工時留下的非均勻余量，并為第二步加工留下均勻的切削余量；第二步，對稱地切除第一步留下的余量和殘余應力層，并完成對“讓刀”誤差的補償。

　3 葉盤葉片前后緣加工誤差補償技術

　葉片前后緣加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機葉盤工作時的氣動性能，決定著發(fā)動機的工作效率的高低。為了滿足新型航空發(fā)動機的高效氣動性能的要求，葉片設計的越來越薄，其前后緣圓弧半徑甚至小于0.1mm，有的還采用了橢圓形前后緣結構，所以葉片前后緣切削加工過程中必然會產(chǎn)生較大的加工誤差，許多葉盤、葉片報廢的原因就是前后緣加工超差所致。究其原因，葉片加工過程中，在切削力作用下，葉片及刀具均發(fā)生變形，刀具觸點處實際切削量小于數(shù)控加工程序給定的切削量，這就是通常稱作為“讓刀”的現(xiàn)象，使一部分預期切削的材料仍然殘留在被加工葉片上，殘留下來的余量和葉片加工過程的變形量基本相等，造成葉片零件的尺寸、形狀和位置超差。

　葉盤葉片前后緣加工誤差補償技術就是為了滿足葉片前后緣加工符合設計公差要求的工藝方法，該方法是建立在工藝試驗和反復試切的基礎上一種工程應用方法。在葉盤葉片加工前，首先選定葉盤上部分葉片作為工藝試驗葉片按照理論模型進行加工，采用三坐標測量機對加工完成的葉片進行測量，通過分析測量數(shù)據(jù)得出葉片的變形誤差規(guī)律，再根據(jù)葉片的變形情況對原理論模型進行修改，即對加工的葉片模型進行反變形建模。然后以反變形設計模型為基準重新進行NC編寫和加工，經(jīng)過2~3次迭代試驗，加工的葉片前后緣就可滿足設計要求。不同的結構、不同的材料、不同規(guī)格的葉片補償?shù)牧坎煌?，有的差距還非常大。經(jīng)驗和補償數(shù)據(jù)的積累決定著葉片前后緣加工的效率和質(zhì)量。

　4 空心葉片線性摩擦焊整體葉盤葉型自適應加工工藝

　國外高性能航空發(fā)動機風扇葉盤大量采用了空心葉片整體葉盤結構?？招娜~片整體葉盤的制造方法為：首先采用擴散連接-超塑性成形方法成形出葉片；其次采用線性摩擦焊工藝將葉片和輪盤焊接成一體；最后使用自適應加工方法對葉片的葉身和葉根進行加工。

　由于種種原因，擴散連接-超塑性成形方法成形的葉片不能完全達到設計規(guī)定的指標要求，加之線性摩擦焊工藝焊接的葉盤，葉片在葉盤上的位置和扭角也不盡一致，所以為了滿足葉盤裝機后的工作性能，必須針對空心葉片整體葉盤結構的葉片進行適應性NC加工。自適應加工的工藝過程為：（1）對待加工的空心葉片整體葉盤的全部葉片進行計量和造型；（2）檢測每一個葉片特征位置的葉片壁厚，建立葉片壁厚分布數(shù)據(jù)庫；（3）將計量造型結果及厚度分布狀況與設計理論模型進行比較，綜合分析葉片位置及其厚度的分布狀況信息；（4）在綜合測量結果與設計模型的異同狀況，確定自適應加工的方案；（5）進行編程和加工。