摘要：先進航空發動機的高性能要求設計大量采用整體結構、輕量化結構、先進冷卻結構以及復合材料、粉末冶金、金屬間化合物等新型材料，而這些零組件需要依靠特種加工成形。本文研究了電火花、電解、激光、超聲和水射流等特種加工技術的特點及其在先進發動機中的新應用，說明了特種加工技術的優勢以及在先進發動機研制中突顯的特殊作用。
1. 航空發動機材料和技術特點
航空發動機在高溫、高壓且高轉速的極端惡劣條件下工作，同時要求重量輕、油耗低、可靠性高、壽命長、能重復使用，是多學科交融的高端產品。其特征是核心技術的堆集，沒有核心技術就沒有現代先進發動機。現代先進航空發動機對單位推力、推重比、超聲速巡航、推力矢量功能、隱身性能、高可靠性、長壽命和良好的維修性等性能要求更高，對材料和制造技術的要求更苛刻，由此帶來：從普通合金到新型耐高溫、輕質高強合金的應用；從金屬材料到大量非金屬材料、復合材料的應用；從機械加工到特種加工的轉變；從減材制造到精密成形和增材制造；從保證幾何形態為主到表面完整性控制為主；從試驗驗證為主到仿真驗證為主；從單工序研究到多工序耦合規律研究；從數字化、自動化、信息化到智能化制造等。
先進發動機新材料和復雜結構使零件加工變得越加困難，有些甚至傳統機械加工根本無法實現，而特種加工技術在某些領域成為不可替代的技術，并且應用越來越廣泛，彌補了傳統機械加工的不足。目前，傳統的電火花加工、電化學加工、激光加工、電子束及離子束加工等特種加工技術已在航空發動機制造中大量應用，但隨著先進發動機新材料、新結構的出現，特種加工技術也得到了新的發展和應用。閉式整體葉盤的多軸電火花加工技術、整體葉盤的精密電解加工技術、陶瓷基復合材料的超快激光加工技術、激光沖擊強化技術和高壓水射流強化技術等，對先進發動機新材料、新結構零件研制，以及提高表面完整性、可靠性要求等方面都發揮了越來越重要的作用。
2. 特種加工技術在先進發動機上的應用
（1）電火花加工技術是應用最廣泛的特種加工技術，在航空發動機制造上應用非常普遍，如電火花線切割加工、電火花成形加工、電火花磨削、電火花鉆孔及電火花表面強化等。
近年來，隨著先進發動機性能的提高，傳統電火花加工技術的應用受到了一定限制，如新型發動機渦輪葉片采用單晶葉片，而電火花鉆孔技術因其存在重熔層、微裂紋及熱影響區等缺陷，而被禁止用于單晶葉片氣膜孔加工。圖1所示為渦輪葉片氣膜孔電火花加工金相照片，重熔層厚度一般在0.01～0.04mm。
但與此同時，先進發動機整體葉盤等新結構零件的出現，又促進了電火花加工技術的發展和應用，如整體葉盤結構因其加工成本高、周期長，而發展了數控高效放電銑技術，又如帶冠閉式整體葉盤受其結構影響機械銑削加工難以實現，而開發五軸聯動電火花成形加工技術來解決這一難題,其工藝方法是五軸聯動電火花成形加工，再輔以磨粒流加工來去除其加工表面的重熔層，從而滿足了使用要求。圖2所示是采用五軸電火花成形機加工的帶冠整體葉盤的電極和試驗件，圖3所示為磨粒流加工的帶冠整體葉盤。
（2）電解加工因其在特殊加工對象（如難加工材料或形狀復雜、尺寸微小、剛度極低的零件）的加工中所具有的優勢，尤其在航空發動機葉片、機匣等復雜型面零件制造領域得到廣泛的應用，大幅提高了生產效率，降低了制造成本。
先進航空發動機因其性能設計要求， 壓氣機葉片材料一般選用先進的鎳基高溫合金或鈦合金以及鈦鋁合金等新型材料，并且采用彎掠等三維設計的特殊葉形，加工難度大、易受切削力影響而變形，精度要求高。傳統的機械加工和電解加工都難以滿足這種高精度復雜葉型的加工要求。精密電解加工技術（PECM）就是為適應這種特殊的加工要求而產生，在薄型面、小半徑的葉片葉形加工上發揮了其獨有的優勢， 加工精度達到0.03mm，滿足了先進航空發動機的需求。
精密電解加工也是整體葉盤諸多制造方法中的優選方法之一，它可以實現從整體葉盤毛坯到最終葉片型面成形的完整工藝過程。一般采用初成形和終成形兩步，初成形采用套料加工方式去除大部分材料，終成形采用仿形加工方式，最終可達葉片型面輪廓精度≤0.06mm，高溫合金材料表面粗糙度值Ra≤0.2μm，實現整體葉盤無余量精密制造，從而代替了數控銑削和人工拋光，可提高生產效率數倍，降低制造成本50％以上。
（ 3 ） 電液束加工孔深徑比達150/1 ， 孔直徑范圍為0.13 ～ 1.5 m m， 孔加工精度±0.025mm，表面粗糙度值為Ra=1.6μm，孔出入口自然形成小R 圓角、無銳邊。電液束加工的小孔如圖4所示。
電液束加工渦輪葉片氣膜孔表面完整性好，無重熔層、微裂紋及熱影響區，加工單晶合金沒有再結晶的風險，因此已成為先進發動機單晶葉片氣膜冷卻孔加工的首選工藝。
（4）激光加工技術最早應用在發動機燃燒室、加力筒體外部殼體的切割和渦輪葉片制孔等方面，但因傳統激光加工受加工精度、重復精度低的限制，所以在發動機的應用不多。但對一些特殊零件，采用激光打孔，可取得較好的效益，如采用YAG激光旋切加工，用于渦噴發動機渦輪葉片氣膜孔加工，后逐步被電火花高速鉆孔取代。另外對高硬度、非導體材料的微小孔及數量很大的群孔零件加工，也很有優勢，如發動機擴散器隔熱屏、火焰筒內外壁等結構件打孔加工，目前在發動機上應用較廣。
隨著激光技術的發展，激光焊接、激光增材制造、激光沖擊強化、水導激光加工及激光清洗等新技術不斷開發并應用，為先進發動機制造提供了更多的技術選擇。如激光沖擊強化技術，具有金屬表面強化層深、表面殘余壓應力、可達性好且效率高等優點，顯著提高材料的抗疲勞、磨損和應力腐蝕等性能，產生的殘余壓應力深度可達1～2mm，是超聲噴丸的3～5倍，常規噴丸的5～10倍，具有提高抗疲勞強度、延長疲勞壽命、抑制裂紋的形成與擴展等優勢，因而成為先進航空發動機整體葉盤、葉環葉片表面強化的關鍵技術。
（5）高壓水射流加工技術在發動機零件切割、鉆孔及清洗等方面已廣泛應用。此外，在新型復合材料的切割加工以及整體葉盤特殊結構零件的加工等方面也開展了探索性研究，并發展了用于去除發動機葉片涂層的水剝離技術。
水射流強化技術是利用高壓水射流沖擊工件產生的沖擊力，來實現對金屬材料表面進行強化的。在提高材料疲勞性能的基礎上，可以獲得良好的材料表面質量。在先進發動機渦輪盤等零件上已經明確提出了水射流強化需求。
3. 特種加工技術展望
特種加工技術在先進航空發動機制造中發揮了不可替代的作用，可以說“沒有特種加工就無法制造出先進的發動機”。此外，還有電解磨削、磨粒流、離子束和電子束等特種加工新技術，在國內外的一些大學、研究所和企業被不斷開發和應用。隨著先進發動機新材料、新結構的不斷涌現，原有特種加工技術也拓展了新的用途，如鎳鋁基新材料葉片的可切削性非常差，而電解加工非常適合加工且能夠滿足精度要求，又如新型多孔層板結構就采用傳統的照相電解加工方法，而超快激光冷加工技術的出現則為單晶葉片氣膜孔加工帶來新的解決方案。
特種加工技術已經廣泛應用于先進發動機機匣、整體葉盤、單晶葉片及復合材料等各種難加工材料和特殊結構零件研制中，解決了研制難題。而先進發動機技術的快速發展，對制造技術的要求永無止境，對特種加工制造技術的發展提出了更高的要求，特種加工技術也正在向精密化、自動化和智能化的方向發展。
作者：中國航發沈陽黎明航空發動機朱海南。原文刊登于《金屬加工（冷加工）》2016年第24期4頁，金屬加工版權所有。