近50 年來，我國航空發(fā)動機行業(yè)經(jīng)過引進(jìn)專利生產(chǎn)、改進(jìn)改型厉碟、測繪仿制、原型機參考設(shè)計及制造的發(fā)展過程屠缭，逐步走上自主產(chǎn)品設(shè)計研制的發(fā)展道路箍鼓。隨著“秦嶺”、“太行”和第4 代航空發(fā)動機等型號的批產(chǎn)和立項呵曹，我國航空發(fā)動機事業(yè)獲得了一個難得的發(fā)展機遇款咖。數(shù)字化制造技術(shù)作為新一代發(fā)動機研制生產(chǎn)的支撐手段，是提高設(shè)計奄喂、制造和管理水平铐殃，保障重點型號的研制，促進(jìn)發(fā)動機行業(yè)跨越式發(fā)展的必然選擇。

1 數(shù)字化制造技術(shù)及其技術(shù)特征

    盡管就其行業(yè)覆蓋面和學(xué)科上而言背稼，數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)成為推動21 世紀(jì)制造業(yè)向前發(fā)展的主流技術(shù)贰军，但對于其技術(shù)內(nèi)涵和體系結(jié)構(gòu)尚沒有權(quán)威、統(tǒng)一的界定蟹肘。從我國軍工行業(yè)的應(yīng)用背景出發(fā)词疼，對于數(shù)字化制造技術(shù)定義如下：

數(shù)字化制造技術(shù)指以產(chǎn)品研制的多廠所、多部門用戶為對象谅儡，以并行工程為指導(dǎo)思想秫丐，以各類數(shù)字化技術(shù)手段應(yīng)用為主要特征，以信息離散化的表述妈扁、傳遞竹俱、存貯、處理作為設(shè)計制造協(xié)調(diào)的主要手段粘胧，支持產(chǎn)品全生命周期的制造活動和企業(yè)的全局優(yōu)化運作的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用技術(shù)體系的集合摊房。

數(shù)字化制造技術(shù)的特征如下：

（1）數(shù)字化制造技術(shù)是先進(jìn)技術(shù)的集合。數(shù)字化制造涵蓋了企業(yè)管理诅潮、產(chǎn)品設(shè)計昨哑、工藝設(shè)計、零部件制造胜全、裝配域毡、客戶服務(wù)與保障等技術(shù)領(lǐng)域，以提供這些領(lǐng)域的先進(jìn)信息技術(shù)的應(yīng)用為主要特征琅功，包括CAx/MES/PDM/ERP/ 各類仿真軟件/各種共享資源庫等支撐系統(tǒng)考余、平臺和數(shù)據(jù)庫，與單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源轧苫、工作流楚堤、系統(tǒng)集成、仿真等技術(shù)緊密相關(guān)浸剩。

（2）數(shù)字化制造是一種先進(jìn)制造模式钾军。數(shù)字化制造以并行工程為基本特征，強調(diào)并支持產(chǎn)品全生命周期的并行與協(xié)同绢要，并為這種并行與協(xié)同提供技術(shù)手段吏恭；數(shù)字化制造同時吸收了敏捷制造的基本思想，對變化的市場和客戶化的產(chǎn)品做出快速和準(zhǔn)確響應(yīng)重罪，強調(diào)并支持生產(chǎn)過程組建靈活多變的動態(tài)組織機構(gòu)樱哼；數(shù)字化制造把先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、先進(jìn)的管理技術(shù)和高素質(zhì)的人員有效集成剿配。

（3）數(shù)字化制造是一種現(xiàn)代企業(yè)特征搅幅。數(shù)字化制造不僅為企業(yè)目標(biāo)實現(xiàn)提供一系列的技術(shù)手段和解決方案阅束，而且提供一種先進(jìn)的運行組織體系，給傳統(tǒng)航空發(fā)動機行業(yè)的研制模式茄唐、企業(yè)運作方式伴严、組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)營理念等帶來新的變化辐芍，從而推動企業(yè)向著數(shù)字化生產(chǎn)方式的方向發(fā)展贡垃。

2.等離子噴涂技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用
 
    等離子噴涂技術(shù)屬于表面工程中熱噴涂技術(shù)之一，其主要特征是以等離子焰流為噴涂熱源掷戚。由于等離子焰流具有溫度高令久、能量集中和噴涂氣氛可控等特點，是各種難熔材料的良好熱源猫郎，而且粉末材料在焰流中的飛行速度很高沧唧，所以為獲得結(jié)合良好、結(jié)構(gòu)致密的噴涂涂層提供了條件矩修。

    等離子噴涂是氣體在電場的作用下被加速叫砚，與中性粒子產(chǎn)生碰撞，使中性粒子發(fā)生電離憎抡，產(chǎn)生離子電弧端杂。又由于受到熱收縮、磁收縮及機械收縮三種效應(yīng)的作用性湿，使等離子電哥疋成為具有高溫高速的焰流，從而使噴涂材料被加熱到熔化或軟化狀態(tài)满败，高速地噴射到準(zhǔn)備好的工件表面肤频。經(jīng)變形、淬冷而粘結(jié)在工件表面上算墨，形成等離子噴涂涂層宵荒。

等離子噴涂的工藝特點

(1)基體受熱小、零件不變形净嘀，不改變熱處理狀態(tài)报咳。

(2)能夠噴涂的材料廣泛，涂層種類多挖藏。

(3)工藝穩(wěn)定暑刃，涂層質(zhì)量高。

等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用

    隨著航空發(fā)動機向高性能膜眠、高翻修壽命岩臣、高可靠性、低耗油率和低成本的方向發(fā)展宵膨，熱噴涂技術(shù)也得到了迅速發(fā)展庇启。一臺新型發(fā)動機有上千個零部件的3000多處表面需要采用熱噴涂技術(shù)涂層丢墅，由此可見，熱噴涂技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于航空工_業(yè)盛媚。其中莽简，由于等離子噴涂具有成本低、效率高撤忆、操作簡單淹宽、涂層質(zhì)量好以及適合規(guī)模化大批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點经馍，已經(jīng)占到航空發(fā)動機所有噴涂零件的80％以上切锈。

    航空發(fā)動機的熱噴涂涂層主要包括耐磨涂層、熱障涂層父绿、封嚴(yán)涂層和高溫防護(hù)涂層等尿旅，如下圖所示。這些涂層幾乎全部都可以采用等離子噴涂的方法來制備畅廷。

耐磨涂層

    由于航空發(fā)動機零件的工作條件很惡劣(高溫捕阅、高轉(zhuǎn)速、振動及高負(fù)荷)麸塞，又受到粘附秃臣、磨粒、腐蝕和疲勞等幾種類型的磨損哪工，使發(fā)動機的性能和使用壽命受到影響奥此。

    羅.羅公司的統(tǒng)計表明，1976年以前雁比，航空發(fā)動機零件中有60%稚虎，因磨損而報廢。采用耐磨涂層后報廢率降至33%偎捎，效果很顯著蠢终。例如，鈦合金壓氣機葉片的阻尼凸臺表面(約0.4cm2)受到高負(fù)荷的撞擊和微振磨損茴她。由干鈦合金不耐磨寻拂，壽命僅100h，而在凸臺上噴涂一層0.25mm厚的碳化鎢涂層后丈牢，葉片壽命延長到上萬小時祭钉。

封嚴(yán)涂層

    航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機都有比較完整的氣路封嚴(yán)系統(tǒng)。系統(tǒng)由介于軸冒侧、鼓簡硫缓、轉(zhuǎn)動葉片葉尖、壓氣機和渦輪等各級之間的40～60處封嚴(yán)裝置組成阿赞，封嚴(yán)裝置的好壞直接影響發(fā)動機的功率恭隧、推力和效率祈哆。如渦輪外環(huán)(即葉尖徑向間隙)的封業(yè)，按設(shè)計要求啃极，葉尖間隙與葉片長度的比值每增加1%帆速，渦輪效率損失就增加1%～3%≌抽牛可見互愚，氣路封嚴(yán)是提高效率和性能的重要途徑之一。為此伴零，在設(shè)計上常采用可磨耗封嚴(yán)涂層來達(dá)到氣路封嚴(yán)的目的千覆。

    熱噴涂封嚴(yán)涂層分為兩大類，即主動磨削涂層和可磨耗涂層(被動)感桌。

(1)主動磨削涂層(磨料)一般是堅硬的抗磨損灰色氧化鋁涂層姑裂，噴涂在封嚴(yán)篦齒上。隨著轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)男旗，像砂輪一樣磨削與其對應(yīng)的金屬蜂窩密封團(tuán)舶斧，并盡量使本身不受磨損。這就要求涂層結(jié)合強度高察皇，硬度高茴厉，隔熱性能好。

(2)可磨耗涂層要求涂層軟而易磨什荣，并具有潤渭“性能矾缓、抗沖擊性能、抗熱振性能稻爬，以及與基體有良好的結(jié)合性能而账。

熱障涂層

    現(xiàn)在，航空渦輪發(fā)動機的發(fā)展趨勢是大推力因篇、高效率、低油耗和長壽命笔横。只有提高渦輪進(jìn)口的燃?xì)鉁囟染鹤遥趴赡芴峁└邏簹鈾C的增壓比和流量比，從而提高發(fā)動機的推力要茴，降低油耗瞧佃。為了滿足不斷提高的渦輪進(jìn)口溫度的要求，在進(jìn)一步發(fā)展新型合金和冷卻技術(shù)的同時携侮，應(yīng)大力發(fā)展高溫防護(hù)涂層技術(shù)袭甲。許多先進(jìn)國家都爭先發(fā)展熱障涂層技術(shù)。

    熱障涂層的基本設(shè)想是利用陶瓷材料良好的耐高溫姚继、耐腐蝕赊蚁、耐磨損和絕熱性能窟诈，使其以涂層的形式與合金基體結(jié)合，從而提高金屬結(jié)構(gòu)件抗高溫腐蝕環(huán)境的能力某尘。為改善涂層和基體的物理相容性掏手，在基體與陶瓷涂層間加一金屬粘層，并且為提高陶瓷涂層的抗熱振性厦鸠，有時將其做成金屬陶瓷混合層或金屬陶瓷多層復(fù)合層丑凛。粘結(jié)層通常為0.1～0.2mm厚的鎳鉻、鎳鋁塘坛、鎳鉻鋁和MCrAIY合金等苗膝，其中M代表Co、Ni或CoNi植旧，Al是生成氧化鋁保護(hù)層所必需的辱揭，Cr可促進(jìn)生成AI2O3并提高抗熱腐蝕能力，Y可提高AI2O3與MCrAIY間的結(jié)合強度及涂層與基體的結(jié)合強度隆嗅。

    渦輪葉片使用陶瓷熱障涂層是提高發(fā)動機性能的一條重要途徑界阁，因為0.4mm厚的氧化鋁涂層可使高溫合金表面溫度降低100～300℃。發(fā)動機全負(fù)荷時胖喳，實測渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葹?370℃泡躯，涂層表面溫度為1080℃，葉片金屬溫度為930℃丽焊，同時大大節(jié)省了冷卻空氣量的消耗较剃，提高了渦輪效率。

    有資料表明技健，一級渦輪葉片表面噴涂0.25mm厚的陶瓷熱障涂層写穴，可使冷卻空氣流量減少50%，比油耗改善1.3%雌贱，葉片壽命提高4倍星肤。到1995年為止，全世界陶瓷涂層的總銷售額達(dá)30億美元以上爸桨，其中航空發(fā)動機應(yīng)用年平均增長28%溢牡。

等離子噴涂技術(shù)的展望

（1）應(yīng)用范圍的擴大

    目前用于制備TBCs的眾多工藝中，只有等離子噴涂和EB-PVD技術(shù)最具有實用價值评梁。在國內(nèi)航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域中粉怯，等離子噴涂制備熱障涂層的工藝已經(jīng)在某新型航空發(fā)動機的渦輪導(dǎo)向葉片和隔熱屏等零件上成功應(yīng)用，并獲得了國防科學(xué)技術(shù)一等獎责肯。但由于等離子噴涂涂層具有典型的板條狀結(jié)構(gòu)险朴，容易導(dǎo)致熱機疲勞，使涂層易剝離失效诬翩，因此這種工藝制備的涂層只能用于靜止的工件使宽。而渦輪工作葉片不僅承受高溫和冷熱交變羞菊，還要承受高速運轉(zhuǎn)帶來的負(fù)載，只有EB-PVD技術(shù)制備的具有柱狀晶結(jié)構(gòu)TBCs涂層材光，可以滿足渦輪工作葉片的使用要求暮态。隨著近年來陸續(xù)快速發(fā)展起來的超聲速等離子噴涂、低壓等離子噴涂及水穩(wěn)等離子等噴涂技術(shù)谍椅，進(jìn)一步提高了等離子噴涂的質(zhì)量误堡，擴大了等離子噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域。相信雏吭，總有一天等離子噴涂技術(shù)會以優(yōu)異的性能來填補在發(fā)動機應(yīng)用上的空白锁施。

（2）制備過程的質(zhì)量保證

    目前，等離子噴涂技術(shù)已趨于非常穩(wěn)定和成熟階段杖们，但日益快速發(fā)展的先進(jìn)航空技術(shù)悉抵，也對產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。那么如何以精確可靠的方式來保證航空發(fā)動機涂層產(chǎn)品的質(zhì)量?伴隨著等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展摘完，應(yīng)運而生了一種“在線檢測設(shè)備”姥饰，它是安裝在噴槍上的一種高速攝像裝置，在等離子噴涂過程中對各項參數(shù)起到實時孝治、實值的監(jiān)控作用列粪，如電流、電壓谈飒、火焰各區(qū)的溫度分布岂座、粉末粒子的速度、流量和熔化狀態(tài)等隅昌，這就能全方位地保障生產(chǎn)過程中涂層參數(shù)的質(zhì)量拉诲。另外，利用在線檢測設(shè)備記錄下來的實際噴涂參數(shù)與涂層性能結(jié)合起來分析琼护，就能大大節(jié)約優(yōu)選噴涂參數(shù)的時間威卑，在科研攻關(guān)中起到事半功倍的效果。

（3）過程精細(xì)化

    在等離子噴涂設(shè)備方面菌熬，向采用氣體質(zhì)量流量計控制捍秃、凈能量控制、機械手?jǐn)?shù)控操作和自動稱量數(shù)控送粉等方向改進(jìn)舌捡；在過程檢測方面，采用涂層厚度和應(yīng)力在線無損檢測等措施來實現(xiàn)過程的有效控制藐病。

    通過開展焰流時值檢測監(jiān)控渐位、涂層厚度和應(yīng)力在線無損檢測，以及實行熱噴涂操作的自動化和數(shù)字化控制赏庙，以保證涂層質(zhì)量的可靠性和再現(xiàn)性栋昙。

    總之萤榔，伴隨著等離子噴涂技術(shù)及相關(guān)配套系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，等離子噴涂技術(shù)將在航空發(fā)動機涂層產(chǎn)品中得到更廣泛的應(yīng)用鲸阻。 

3.數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

    要提高發(fā)動機的研制和制造水平跋涣，必須在更廣的范圍和更深的層次上應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，從整體上增強發(fā)動機企業(yè)的發(fā)展能力和核心競爭力鸟悴。同時陈辱，我們也總結(jié)出數(shù)字化制造一些技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用趨勢：

（1）建立支持?jǐn)?shù)字化制造的流程體系與組織模式。

    在制造生產(chǎn)全球一體化的形勢下细诸，制造系統(tǒng)面對的是異地分布的制造資源沛贪，所以未來的制造系統(tǒng)將采用并行化的先進(jìn)制造理念和集成化的網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境組織業(yè)務(wù)流程，并更加強調(diào)資源的合理重組和企業(yè)間及其企業(yè)內(nèi)部的優(yōu)化協(xié)作震贵，以快速響應(yīng)市場需求利赋。

（2）實現(xiàn)各種資源的整合與協(xié)同。

    實現(xiàn)人力資源猩系、知識與技術(shù)資源媚送、制造資源、客戶資源等企業(yè)資源的有效組織與協(xié)調(diào)寇甸，基于虛擬企業(yè)的組織體系使得企業(yè)各層次人員能夠利用現(xiàn)有條件塘偎、方法與工具有效的協(xié)同工作，進(jìn)一步提升各種資源的利用效率牵深。

（3）建立貫穿產(chǎn)品全生命周期快速響應(yīng)制造工程的模型和建模方法既芯。

    建立快速產(chǎn)品設(shè)計、快速工藝設(shè)計與工裝設(shè)計粉越、快速加工與裝配等模型职涛，使它們的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)共享和繼承、并可重用薄罕，基于單一數(shù)據(jù)源實現(xiàn)各階段模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和無縫連接揖们，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計、性能分析妆崇、生產(chǎn)制造捣潭、質(zhì)量檢驗及企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度猜休、各級過程管理與控制提供一體化模型支持军霸。

（4）建立支持產(chǎn)品全生命周期的虛擬企業(yè)協(xié)同工作平臺。

    結(jié)合具體行業(yè)應(yīng)用飞灰，基于供應(yīng)鏈的虛擬企業(yè)運行模式幻彪，建立從產(chǎn)品概念設(shè)計，詳細(xì)設(shè)計，生產(chǎn)準(zhǔn)備慧域，零部件制造鲤竹、裝配到客戶服務(wù)與維修保障的快速響應(yīng)協(xié)同工作平臺及其支撐系統(tǒng)，并實現(xiàn)這些應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成昔榴，建立支持各個應(yīng)用系統(tǒng)及集成系統(tǒng)的知識庫體系辛藻，建立基于協(xié)同工作平臺的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

（5）由專業(yè)仿真和局部仿真向快速響應(yīng)制造過程仿真發(fā)展互订。

    仿真技術(shù)在快速響應(yīng)制造中的范圍進(jìn)一步擴展吱肌，仿真的精度進(jìn)一步提高，在“產(chǎn)品屁奏、過程岩榆、資源及制造”的一體化集成平臺和產(chǎn)品知識庫支持下，由面向具體專業(yè)應(yīng)用的局部仿真向基于產(chǎn)品數(shù)字樣機的研制過程仿真的方向發(fā)展坟瓢，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計勇边、精益制造與基于人機工程的產(chǎn)品應(yīng)用驗證。

    數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用是新一代航空發(fā)動機研制的必需手段和必由之路折联，需要各單位在投資方向畴垃、政策措施、人才引進(jìn)等方面予以保障疟弹，重視理念的轉(zhuǎn)變鲫畸。并且要認(rèn)清差距，抓住第4 代航空發(fā)動機立項研制的機遇福晋，努力實現(xiàn)數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用水平的跨越式發(fā)展霜宙。

（趙照）

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