民用航空發(fā)動機是航空產(chǎn)業(yè)的重要支柱擎宝，我國的大客發(fā)動機研制項目已逐步展開郁惜。民用航空發(fā)動機與軍用航空發(fā)動機相比要求具備長壽命水评、高可靠性猩系、低油耗和低成本。由于技術(shù)指標要求高中燥，民用航空發(fā)動機需要采用更多的新材料寇甸、新結(jié)構(gòu)、新工藝疗涉，才能滿足設(shè)計要求稀渊。為了提高航空材料的高溫強度、抗腐蝕性能及抗氧化性能图漓，在材料的制備過程中相繼加入了更多的合金化元素铐跷，然而某些合金元素的加入在不同程度上降低了材料的可焊性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,結(jié)構(gòu)整體化是發(fā)展趨勢,選用的新型結(jié)構(gòu)也給焊接技術(shù)提出了更高的要求肄朵。在各種焊接方法中涧兜，固態(tài)焊接方法是解決材料可焊性的最為有效的方法，也是復(fù)雜構(gòu)件焊接的可行方法贰漱。
　　固態(tài)焊接作為一種先進的焊接技術(shù)筹飒，在民用航空發(fā)動機中的應(yīng)用已有40多年的歷史。與傳統(tǒng)的熔焊工藝相比簸悟，固態(tài)焊接的優(yōu)勢在于焊接在母材未融化的狀態(tài)下進行葡债，母材保持在塑性狀態(tài)。焊縫區(qū)域的顯微組織為細晶組織明青，非常接近母材的鍛態(tài)組織蓝垢。焊縫組織的力學(xué)性能與母材相當甚至超過母材。固態(tài)焊接的另一個優(yōu)勢在于焊接過程的機械化褪储、自動化程度高卵渴，不需要特殊的焊接技術(shù)人員慧域，焊接設(shè)備的可靠性高，焊接過程的可重復(fù)性好浪读。固態(tài)焊接包括摩擦焊和擴散焊昔榴，在民用航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)整體化設(shè)計及制造中，固態(tài)焊接作為一種先進的焊接技術(shù)碘橘，正發(fā)揮著越來越重要的作用互订。
　　本文在介紹固態(tài)焊接技術(shù)及研究發(fā)展的基礎(chǔ)上，總結(jié)概括了固態(tài)焊接在民用航空發(fā)動機中的應(yīng)用現(xiàn)狀痘拆，并對其今后的發(fā)展作了展望仰禽。
慣性摩擦焊
1 慣性摩擦焊的技術(shù)特點
　　慣性摩擦焊（Inertia Friction Welding, IFW）是摩擦焊工藝中較典型的一種，卡特彼勒公司在20世紀60年代初發(fā)明了慣性摩擦焊[1]纺蛆，目前世界上比較著名的慣性摩擦焊設(shè)備制造商為美國MTI公司吐葵。慣性摩擦焊通過在待焊材料之間摩擦，產(chǎn)生熱量桥氏，在頂鍛力的作用下材料發(fā)生塑性變形與流動温峭，進而連接母材。慣性摩擦焊一般裝有飛輪蛆器，飛輪可儲存旋轉(zhuǎn)的動能芍惦，用以提供工件摩擦?xí)r需要的能量。慣性摩擦焊在焊接前和植，將工件分別裝入旋轉(zhuǎn)端和滑移端固鹏，再將旋轉(zhuǎn)端加速，當旋轉(zhuǎn)端轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時铅夷，主軸的驅(qū)動馬達與旋轉(zhuǎn)端分離鹰个。滑移端一般由液壓伺服驅(qū)動场暮，朝旋轉(zhuǎn)端方向移動惜选，工件接觸后開始摩擦同時切斷飛輪的驅(qū)動電機供電；當旋轉(zhuǎn)端的轉(zhuǎn)速下降到一定值時擎骄，開始對待焊工件進行頂鍛，保持一定時間后伸畅，滑移端退出隔屠，焊接過程結(jié)束。在實際生產(chǎn)中馍驯，可通過更換飛輪或組合不同尺寸的飛輪來改變飛輪的轉(zhuǎn)動慣量阁危，從而改變焊接能量及焊接能力。
　　工件經(jīng)焊接后汰瘫，有部分材料會被擠出焊縫狂打，造成飛邊擂煞。一般情況下，焊縫的飛邊應(yīng)被去除趴乡。慣性摩擦焊的優(yōu)點是工藝控制參數(shù)少对省、熱輸入小、變形小晾捏、焊縫窄蒿涎，是少有的真正能達到6σ質(zhì)量水平（缺陷率為百萬分之3.4以下）的工藝，尤其適用于焊接異種材料惦辛，如粉末合金與高溫合金的焊接劳秋。
　　慣性摩擦焊的缺點在于設(shè)備昂貴，按功率的不同胖齐，價格在200萬~ 800萬美元之間玻淑；工裝的設(shè)計較復(fù)雜，僅限于焊接旋轉(zhuǎn)體的零件茎冒，且對截面尺寸有限制宫氛。
2 慣性摩擦焊的應(yīng)用
　　慣性摩擦焊作為一種先進的焊接工藝，已成為先進航空發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子及渦輪部件的主要焊接工藝淳习。
　　為了降低成本纸藕，減輕重量，先進航空發(fā)動機的壓氣機轉(zhuǎn)子已基本采用焊接連接代替螺栓連接钮庆。這是因為采用焊接結(jié)構(gòu)后冗炊，省去了大量的盤與盤之間的連接緊固件，并且減少了轉(zhuǎn)子在螺栓孔處的截面尺寸垒某。同時知援，采用焊接連接后，還可以消除應(yīng)力集中的螺栓孔慈琼，提高轉(zhuǎn)子的剛性星自，改進轉(zhuǎn)子的平衡性，提高發(fā)動機的工作穩(wěn)定性芋沽。
　　目前塑崖，慣性摩擦焊與電子束焊均被應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的焊接，但慣性摩擦焊更具有優(yōu)勢痛倚。因為慣性摩擦焊屬于固態(tài)焊接過程规婆，焊縫及熱影響區(qū)組織好，可焊接異種金屬蝉稳，焊接過程中不易造成漏焊抒蚜，缺陷極少（6σ以上的質(zhì)量水平）。但慣性摩擦焊設(shè)備的一次性投入較高。
　　慣性摩擦焊自出現(xiàn)之后就在各大航空發(fā)動機公司得到廣泛應(yīng)用嗡髓。GE公司在20世紀60年代中期開始研發(fā)慣性摩擦焊技術(shù)操漠，并使其應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)件的焊接；在60年代后期饿这，慣性摩擦焊就得到了批產(chǎn)浊伙。GE公司的航空發(fā)動機重要轉(zhuǎn)動件幾乎全部都采用慣性摩擦焊焊接[1]。如GE公司為波音787開發(fā)的新一代發(fā)動機GEnx蛹稍，其高壓壓氣機轉(zhuǎn)子采用慣性摩擦焊焊接吧黄。又如由GE與P&W聯(lián)合開發(fā)的發(fā)動機GP7200，用于世界上最大的飛機A380订薛，其高壓壓氣機轉(zhuǎn)子也采用慣性摩擦焊焊接竖沦。同樣，GE90的高壓壓氣機轉(zhuǎn)子也采用了慣性摩擦焊焊接窑赂。慣性摩擦焊的應(yīng)用使GE公司獲得了巨大的經(jīng)濟效益舍屠。例如，CF6發(fā)動機的3~9級壓氣機轉(zhuǎn)子圃活，原為整體鍛件胸牲，重413kg，改為2個鍛件經(jīng)慣性摩擦焊連接后归鲸，重量降至300kg[1]蝉蛙。　　GE90的風(fēng)扇盤在最初設(shè)計時為Ti17的整體鍛件定桃，后也改為由3個Ti17鍛件經(jīng)慣性摩擦焊連接傅笨，大大降低了制造成本。另外何别，GE與SNECMA共同開發(fā)的CFM56發(fā)動機的1~2級壓氣機盤（見圖1）和4~9級壓氣機盤的連接篮啦、低壓渦輪軸與盤的連接都采用了慣性摩擦焊。

　　P&W公司同時采用慣性摩擦焊和電子束焊挥萌，電子束焊用于一般轉(zhuǎn)動件绰姻，慣性摩擦焊用于工作溫度高、轉(zhuǎn)速快引瀑、受力大的重要轉(zhuǎn)動件[1]狂芋。R·R公司則在60年代后期開始研究慣性摩擦焊，但在Trent系列發(fā)動機中一直采用電子束進行焊接憨栽。隨著高溫合金向更高耐溫能力的方向發(fā)展银酗，采用電子束焊接已越來越困難[2]。近幾年徒像，慣性摩擦焊在R·R公司得到了快速發(fā)展，并逐漸成為Trent后續(xù)衍生機型盤軸的主要焊接方法蛙讥。R·R公司現(xiàn)已裝備了2000t的慣性摩擦焊設(shè)備锯蛀，用于焊接高壓壓氣機鼓筒灭衷。隨著壓氣機壓比及出口溫度的進一步增加，壓氣機后幾級需要采用耐溫能力更高的材料旁涤，如粉末合金翔曲。慣性摩擦焊同樣可以用于這類新材料的焊接，R·R公司研制的Trent1000發(fā)動機的渦輪后短軸（Inco718合金）和粉末合金渦輪盤（RR1000粉末合金）就采用了慣性摩擦焊辙炒。同時误即，R·R公司已將Inco718與U720Li，Inco718與粉末合金等異種材料的慣性摩擦焊工藝列入了相應(yīng)的材料工藝標準中牌君。
線性摩擦焊
1 線性摩擦焊的技術(shù)特點
　　線性摩擦焊（Linear Friction Welding, LFW）可追溯到1969年的一個英國專利捅腋，英國焊接研究所（The Welding Institute, TWI）在20世紀80年代進一步發(fā)展了線性摩擦焊技術(shù)。早期的線性摩擦焊是由機械驅(qū)動的截剩，現(xiàn)代的線性摩擦焊設(shè)備幾乎都是由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動線性運動的往復(fù)運動機構(gòu)及頂鍛機構(gòu)绊寞。與慣性摩擦焊相同的是，零件焊接時的熱量也來自于摩擦诬忱；不同的是条赚，運動方向為直線運動。線性摩擦焊設(shè)備的制造商有美國MTI疚编、英國Thompson及Blacks等公司递思。GE公司已裝備了一臺30t的線性摩擦焊設(shè)備。
　　線性摩擦焊在焊接前在膏，將待焊的工件固定毕删，另一個工件以一定的速度做往復(fù)運動，或兩個工件做相對往復(fù)運動炉抒，在壓力的作用下工件接觸后奢讨，界面摩擦產(chǎn)生熱量，在熱和壓力的作用下形成固相連接接頭[3]焰薄。線性摩擦焊過程也會產(chǎn)生飛邊拿诸，應(yīng)被去除。線性摩擦焊的主要優(yōu)點是不管工件是否對稱塞茅，均可進行焊接亩码，焊縫區(qū)可保持鍛態(tài)的細晶組織，焊接質(zhì)量穩(wěn)定野瘦，可焊接異種金屬描沟，熱輸入小、變形小鞭光、焊縫窄吏廉。
　　線性摩擦焊的缺點在于設(shè)備昂貴（約400萬美元以上），工裝復(fù)雜，對截面尺寸也有限制席覆。
2 線性摩擦焊的應(yīng)用
　　近年來史辙，關(guān)于線性摩擦焊的研究較多，開展了復(fù)雜型面的焊接袄优、鑄件與鍛件的焊接鹏愚、渦輪單晶或定向合金葉片的焊接等。但迄今為止紫掷，線性摩擦焊在航空發(fā)動機上最主要的應(yīng)用是整體葉盤的焊接味羡，如圖2所示[4]。

　　整體葉盤是新一代航空發(fā)動機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與技術(shù)跨越的核心部件伯梧，也是高效院蜘、低油耗航空發(fā)動機所要采用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在大型客機贫迫、大型運輸機發(fā)動機中的風(fēng)扇馒毙、壓氣機部位使用整體葉盤，可以達到減重手欣、增效疫壕、簡化零件結(jié)構(gòu)和提高可靠性的目的。對于空心風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇盤的連接癞樊，為了進一步減輕重量秸谢，也可以采用線性摩擦焊制備成整體葉盤；對軍用航空發(fā)動機來說霹肝，尤為適用估蹄，并且線性摩擦焊是空心葉片與盤連接的唯一可行的方法。
　　與傳統(tǒng)的葉盤分離結(jié)構(gòu)相比沫换，整體葉盤有兩大優(yōu)勢臭蚁。一是在結(jié)構(gòu)上，整體葉盤由于省去了榫槽讯赏，減輕了重量垮兑，并可進一步縮小壁厚，重量減輕達50%漱挎，大大提高了燃油效率系枪。二是葉盤分離結(jié)構(gòu)中的榫槽在服役過程中易磨蝕，采用整體葉盤可以避免榫槽磨蝕和修復(fù)的問題[5]磕谅。
　　整體葉盤的制備方法包括機械加工方法和線性摩擦焊方法私爷。采用機械加工制備整體葉盤是將鍛件直接進行機械加工而成；采用線性摩擦焊方法是將單個的葉片逐個焊接到輪盤上膊夹，雖然焊接后也需要機械加工痒仇，但與機械加工制備整體葉盤相比然那，加工余量要少得多。具體采用哪種方法制備整體葉盤還要從成本上考慮棒嚼，機械加工的成本主要取決于去除的材料量们敢，線性摩擦焊制備整體葉盤的成本主要取決于葉片的數(shù)量，因此啃掠，最適合用線性摩擦焊制備的整體葉盤應(yīng)具有相對少的葉片數(shù)量，并且葉片之間的材料去除量大消李。一般來說键梆，當整體葉盤的葉片尺寸超過100mm以上時，較適宜采用線性摩擦焊方法制備苔眼。
　　GEnx發(fā)動機高壓壓氣機前兩級采用了線性摩擦焊制備的整體葉盤結(jié)構(gòu)畦未，CF34的后繼機型（NG34）的風(fēng)扇也準備采用線性摩擦焊制備整體葉盤。R·R公司采用線性摩擦焊制備了EJ200及聯(lián)合攻擊機JSF發(fā)動機的整體葉盤稽星。
　　線性摩擦焊也可應(yīng)用于整體葉盤的修復(fù)保铐。整體葉盤在服役過程中，可能受到高溫高速氣流的沖蝕褥民，及可能的外物撞擊季春，葉片不可避免地出現(xiàn)點坑、裂紋消返、葉片掉角载弄、葉片卷邊甚至斷裂等損傷。由于整體葉盤是一體式結(jié)構(gòu)撵颊，損傷葉片的更換非常困難宇攻，而如果更換整個整體葉盤則面臨高昂的費用和生產(chǎn)周期。整體葉盤的修復(fù)技術(shù)已成為制約整體葉盤應(yīng)用的關(guān)鍵倡勇。線性摩擦焊作為整體葉盤單個葉片的修理工藝逞刷，于20世紀80年代中期開發(fā)，作為一種重要的修復(fù)技術(shù)妻熊，可以替換損傷的單個葉片夸浅，是一種方便且實用的修復(fù)方法[6]。R·R公司采用線性摩擦焊技術(shù)開展了整體葉盤的修復(fù)研究固耘，并申請了線性摩擦焊修復(fù)整體葉盤的專利题篷。攪拌摩擦焊
 1 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點
　　較前兩種摩擦焊方法，攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）屬于比較新的焊接技術(shù)厅目。英國焊接研究所于1991年發(fā)明并取得了該項技術(shù)的專利木砾，在焊接高強度鋁合金板材方面極為成功。攪拌摩擦焊采用非耗損的耐高溫硬質(zhì)材料攪拌頭修诈，旋轉(zhuǎn)并插入待焊位置瘸劳，停留一小段時間后品扯，攪拌頭開始沿待焊零件的結(jié)合方向移動，攪拌頭旋轉(zhuǎn)時在結(jié)合位置產(chǎn)生大量的熱量妖恨，使結(jié)合處的金屬產(chǎn)生塑性變形捻钢，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭對周圍的塑性變形材料進行攪拌，塑性軟化區(qū)在攪拌頭離開后的冷卻過程中足沥，受到擠壓而形成固相焊接接頭[7]稻续。焊接時，要求攪拌頭在母材中保持足夠的強度轿跌，且不能與母材發(fā)生反應(yīng)滔菠，在高溫下有足夠的強度攪拌母材的塑性區(qū)。由于攪拌頭材料的限制汪兢，一般認為攪拌摩擦焊用于較低熔點合金的焊接批斯。
　　與慣性摩擦焊及線性摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊的焊接過程也為固態(tài)過程掷漱，母材未被熔化粘室，焊縫區(qū)可保持母材的鍛態(tài)細晶組織；某些用熔焊方法難于焊接的材料可以采用攪拌摩擦焊焊接卜范，如7075鋁合金衔统。
　　攪拌摩擦焊（見圖3）的缺點在于受攪拌頭材料的限制，目前僅限于鋁合金及某些鈦合金的焊接先朦，且一般適用于對接接頭缰冤，搭接接頭的高周疲勞性能較差。攪拌摩擦焊設(shè)備也較為昂貴喳魏，約30萬美元以上棉浸。

2 攪拌摩擦焊的應(yīng)用
　　鋁合金的攪拌摩擦焊已成為成熟的焊接技術(shù)，并已成功應(yīng)用于許多行業(yè)刺彩。鈦合金的攪拌摩擦焊正在研發(fā)過程中迷郑，某些鈦合金的攪拌摩擦焊研究已經(jīng)取得了成功。鎳基高溫合金是發(fā)動機中的主要材料创倔，由于高強度嗡害、高抗氧化能力的合金采用熔焊方法較困難，一般采用慣性摩擦焊及線性摩擦焊對鎳基高溫合金進行焊接却值，但這兩種方法均受限于零部件的幾何尺寸或待焊處的截面形狀卑竹，只有采用攪拌摩擦焊才可以解決這些問題。目前私闭，鈦合金和鎳基高溫合金攪拌摩擦焊在航空業(yè)中很受重視砾漓，但其主要障礙是需要開發(fā)出耐高溫且高強度的攪拌頭。
　　近幾年宽用，GE在鈦合金的攪拌摩擦焊方面進行了研究闭榛，已成功地對13mm厚的鈦合金進行了焊接[8]盒器，并取得了攪拌頭材料的專利。
　　攪拌摩擦焊已在造船業(yè)及機車行業(yè)得到了成功的應(yīng)用衍肥，尤其適用于縫焊及非對稱的零部件的焊接攻睬。目前，攪拌摩擦焊在航空航天的應(yīng)用還非常有限刀念，主要的應(yīng)用有美國Eclipse公司的公務(wù)機浅慎，波音公司的Delta II，IV的火箭和C17贺潜，NASA的太空梭外艙均為鋁合金的焊接史隆。攪拌摩擦焊至今還未能在航空發(fā)動機中應(yīng)用，未來有可能在機匣或某些結(jié)構(gòu)件中采用攪拌摩擦焊技術(shù)曼验。
擴散焊
1 擴散焊的技術(shù)特點
　　擴散焊（Diffusion Welding, DW）也是一種固態(tài)焊接，待焊材料相互接觸的表面在高溫和壓力作用下粘姜，局部發(fā)生塑性變形鬓照，原子間產(chǎn)生相互擴散，在界面生成了擴散層孤紧，形成接頭豺裆，待焊零件之間不發(fā)生移動，也不產(chǎn)生宏觀變形号显。
　　擴散焊的優(yōu)點是接頭質(zhì)量好臭猜、精度高、變形小押蚤，并且可以實現(xiàn)難焊材料蔑歌，甚至是陶瓷基材料的連接。
　　擴散焊的缺點在于設(shè)備比較昂貴揽碘，對接合面的表面質(zhì)量要求高次屠，工藝過程時間長。
2 擴散焊的應(yīng)用
　　在航空發(fā)動機中稀掠，擴散焊最成功的應(yīng)用是與超塑成形（Superplastic Forming, SPF）結(jié)合使用拇蟋，制備鈦合金空心風(fēng)扇葉片。由于鈦合金的擴散焊與超塑成型的溫度在同一溫度區(qū)間幽滤，風(fēng)扇葉片復(fù)雜的幾何形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以在一個制造過程中完成蓖搅。大型寬弦風(fēng)扇葉片是先進航空發(fā)動機典型部件之一。R·R公司采用SPF/DW方法制造鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片已有20年的歷史哼沃，將其用于Trent系列及RB211發(fā)動機（圖4）翩汰。采用SPF/DW方法制造鈦合金空心風(fēng)扇葉片后，與實心風(fēng)扇葉片相比兆布，每臺份發(fā)動機可減重約50kg箫废，并且還可以進一步減輕包容機匣及風(fēng)扇盤的重量础姚。P&W公司由于在F119發(fā)動機中成功采用擴散焊制備空心風(fēng)扇葉片，以及采用線性摩擦焊制備整體葉盤譬功，被美國焊接學(xué)會授予杰出開發(fā)獎（Outstanding Development in Welded Fabrication Award）填恬。

　　目前，我國已能生產(chǎn)4層鈦合金超塑成型/擴散連接風(fēng)扇導(dǎo)流葉片奋隶，并具備了研制大型寬弦風(fēng)扇葉片的基礎(chǔ)和能力擂送。
結(jié)束語
　　在國外，固態(tài)焊接在民用航空發(fā)動機中已有很多年的發(fā)展唯欣，并已成功應(yīng)用于多種先進民用航空發(fā)動機的機型中嘹吨。隨著航空材料向更高強度、更好的環(huán)境耐久性的方向發(fā)展境氢，結(jié)構(gòu)設(shè)計向輕量化蟀拷、整體化方向發(fā)展，固態(tài)焊接還將得到進一步發(fā)展萍聊。在國內(nèi)问芬，固態(tài)焊接還處于初步應(yīng)用階段，與國外的差距較大寿桨，應(yīng)加快開展先進材料此衅、異種材料和新型結(jié)構(gòu)的焊接工程化應(yīng)用研究，提高技術(shù)成熟度亭螟。此外挡鞍，由于設(shè)備昂貴，國內(nèi)大部分航空制造企業(yè)還不具備設(shè)備能力预烙，需要在進一步開展工藝研究的同時胀爸，開發(fā)更經(jīng)濟的焊接設(shè)備。隨著我國航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展据伏，固態(tài)焊接方法將發(fā)揮更加重要的作用展稼，固態(tài)焊接技術(shù)也將進入一個快速發(fā)展期。本文共有參考文獻8篇骏庙，因篇幅所限未能一一列出俩堡，如有需要請向本刊編輯部索取。 

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