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          航空發動機取得核心突破 中國“心”展翅高飛
          2018-10-09 00:00:00      中國經濟導報


          中國經濟導報記者|郭丁源

              近日,中國科學院第三季度例行新聞發布會上傳來了關于國內航空制造領域的好消息。中科院西安光學精密機械研究所瞄準航空、航天等戰略領域對極端精密制造裝備的重大需求,在中科院科技成果轉移轉化重點專項(弘光專項)項目“航空航天發動機極端精細制造裝備”等的支持下,開發出國內最高單脈沖能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器,研制出系列化超快激光極端制造裝備,實現了航空發動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破。
              在航空領域,航空發動機一直被譽為現代工業“皇冠上的明珠”,其制造水平代表著一個國家的科技、工業和國防實力。然而,我國現有加工手段容易導致航空發動機關重件出現各種制造缺陷,嚴重影響新一代航空發動機的研制和生產。在航天領域,衛星電推進器等關重件存在微米級加工精度、高表面質量、大幅曲面薄壁結構等極端制造瓶頸,會極大影響航天飛行器的性能、壽命及可靠性。因此,對于本次國產“黑科技”的突破,中科院西安光學精密機械研究所研究員楊小君表示:“研制出系列化超快激光極端制造裝備,填補了國內空白,達到了國際先進水平。”

          在國際上率先突破關鍵技術

              楊小君介紹,這次創新在國際上率先突破了小空腔(0.5毫米)葉片對壁無損傷微孔加工的世界技術難題,在國內率先攻克了高精度、三維可編程、異型微結構掃描成形技術,實現了超高精度(±2微米)及異型氣膜孔的高品質加工,為新型航空發動機葉片的研制提供了重要的技術支撐。
              中國經濟導報記者了解到,在弘光專項項目的支持下,西安中科微精光子制造科技有限公司(以下簡稱“中科微精”)實現了系列化超快激光極端制造裝備的產業化。截至目前,已建成1條核心部件及3條極端精細制造裝備的中試生產線,相關產品已在中國航發商發、中國航發西航、中國航發黎明、貴陽精鑄、中國航發航材院等20余家航空航天領域優勢單位得到應用,為我國航空航天發動機關重件加工提供了新的加工手段和裝備,有力推動了我國航空航天發動機領域的技術進步和產業發展。
              楊小君說,此次針對航空領域,項目組在國內率先利用超快激光極端制造技術攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復雜微結構制造難題,實現了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細冷加工”,解決了現有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷的問題,完成了國產發動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證,為國產大飛機發動機換上“中國心”打下了堅實基礎。同時,針對航天領域,攻克了50±2微米高品質鉆孔技術,將航天推進器流量控制板的控制精度提升三個數量級(由毫克/秒提升至微克/秒),減少燃料攜帶量約20%,并成功應用于世界首套在軌驗證的磁聚焦霍爾推進系統,促進了航天推進系統升級。
              “超快激光極端智造技術是我國飛機發動機性能提升與發展的革命性技術,航空發動機渦輪葉片氣模孔是微米級,而且葉片中間是空心的,要求對壁不能損傷,我們通過超快激光微加工技術,突破了傳統制造方式加工葉片氣膜孔存在的重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷,解決了航空發動機在超高溫(1700℃)及超高壓等苛刻條件下,造成葉片易產生裂紋、蠕變、侵蝕甚至是斷裂等難題,實現對高壓渦輪葉片氣膜孔‘超精細冷加工’的重大突破,顯著提升了發動機壽命及推力,促使我國航空發動機設計、制造等進入了新的發展階段。”中科微精科技發展部的經理表示,超快激光因具有極短的作用時間和超強的峰值功率等特性,可將作用區域材料直接電離,實現無材料選擇的非熱熔性“冷加工”,獲得傳統工藝無法比擬的超精細、低損傷等加工優勢,已成為航空、航天、電子等領域極端制造的重要手段。

          葉片研究與應用正逐步趕超

              葉片無疑是航空發動機核心中的核心,突破葉片技術難關,成為航空發動機逆襲的關鍵。多年來,中國的航空材料人不僅實現了單晶葉片的技術突破,還打通了從基礎研究到應用技術研究,再到工程化研究,直至型號應用和型號保障的全流程科研工程系統。中國航空發動機所需的單晶合金葉片研究與應用,已經走上了可持續發展的快車道。
              在葉片工作的過程中,葉片需要承受發動機工作時的啟動制動力,發動機將面臨溫度劇變、轉子葉片在高速運動下的離心力和根部切應力。這樣的工作環境,就要求葉片的材料具有較高的蠕變強度、熱機械疲勞強度、抗硫化腐蝕等特性,一些較為先進的航空發動機內部力要求更高。公開數據顯示,一個小小的渦輪葉片(幾十毫米量級大小)在工作時承受著相當于5輛皮卡車的重量,一個十幾克重的渦輪葉片給渦輪盤施加的離心拉力為上萬公斤。
              這么高難度的核心制造工藝屬于歐美長期壟斷和嚴格技術封鎖的技術項目,至今中國航空發動機的落后領域仍然是在葉片,雖然已取得巨大進步,但是與主要發達國家相比,仍存在差距。早些年因為我國的航空工業實力不夠,我們的高端發動機一直都依賴國外進口。業內人士表示,這種差距除體現在技術、工藝、材料上,還有一個至關重要的東西需要跟上,那就是技術積累。
              中國航空工業近年來的蓬勃發展,離不開一代代軍工人嘔心瀝血的科研攻關。對于航天器來說,飛機的“心”一直是我國軍工的一項短板,也是制約我國飛行器發展的最重要一環。不過,目前,這一差距正在逐漸縮小。
              2014年,我國自行研制的第五代含錸高溫合金材料、陶瓷基高溫渦輪葉片及單晶渦輪葉片項目正式投產,這是我國在航空發動機和工業汽輪機制造領域取得的新突破,只有中日兩國成功研制了第五代高溫單晶合金。目前,我國自主研發的第一代和第二代單晶葉片已經用于渦扇-10改進型發動機,而三代高溫單晶合金也已經應用于渦扇-15發動機上。據介紹,航空發動機葉片相關技術的掌握,意味著我國將大大提高大推重比發動機的生產能力,并將大大提高原有發動機的使用壽命。

          相關技術還將惠及公眾生活

              中科微精成立短短三年來,不斷攻克超快激光極端精細制造領域的一個個技術難關并進行了產權固定,團隊申請專利120余件,從設備整機到關鍵部件再到加工系統集成專業軟件,均有知識產權覆蓋保護,加速了公司的市場開拓和快速發展。
              激光技術自問世以來,60多年間,取得了飛躍的發展,其應用幾乎涵蓋所有工業領域,除輕工業、汽車、航空航天、動力及能源行業外,正逐步向精細、微細加工領域拓展,有力推動了電子制造、集成電路、通訊、機械微加工、醫療、牙科、美容儀器設備及新興應用的發展。
              中國經濟導報記者了解到,作為國內超快激光高端制造裝備的先導者,中科微精也相繼開發出系列化超快激光加工裝備(航空類、航天類、汽車類、電子類),在將超快激光極端智造技術應用于航空航天事業的同時,也不斷向民用領域拓展,惠及公眾生活。
              超快激光智造技術和裝備可以應用在電子、汽車、醫療等方面。由于燃料不完全燃燒造成的汽車尾氣是空氣污染的一個重要原因,利用超快激光技術可實現汽車噴油嘴倒錐孔高精度加工,經過高壓霧化的燃料可更加充分地燃燒,達到減少廢氣污染的目的。在醫療領域,超快激光解決了國產心臟支架加工精度低、筋寬不一致、毛刺多等加工缺陷,解決了制約國產心臟血管支架激光切割加工的“瓶頸”技術問題。在電子通信領域可實現藍寶石、玻璃等硬脆材料高效、高品質加工瓶頸,可大幅提升加工效率,降低制造成本。
           

          【期號:3344】【版面:07】【作者:郭丁源】打印本頁
           
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