发布日期：2026-2-8 10:03:46
在航空发动机的研发制造过程中，其核心目标始终是实现更高的推力输出、更优的运行效率以及更低的燃油消耗。为实现上述目标，通常需要提升涡轮前进口温度，并尽可能控制转子与静子部件之间的配合间隙。然而，在给定结构与材料条件下，涡轮前温度的提升存在明确上限，因此，通过气路封严技术来减小压气机与涡轮中叶尖和机匣间的间隙，便成为提升发动机综合性能的关键途径。其中，可磨耗封严涂层因其制备工艺相对简单、维护与性能调控便捷、封严效果显著且工作稳定性高等突出优点，获得了广泛的应用。文章通过对零件的结构及功能进行分析，确保封严装置密封性能及产品加工的质量，从工艺方法、工装夹具、刀具等方面进行研究，保证零件达到设计要求。
1、结构特点
1 支点前封严装置安装于风扇轴大端处。通过封严涂层与封严齿之间的间隙达到封油的目的。1 支点前封严装置由热等静压工艺精密铸造，经退火处理，再经过机械加工后，在内孔封严部分喷涂可磨耗性的镀层材料，从而达到封油的目的。
1 支点前封严装置大端面设有 3 处 Φ28+0.033 0 mm 精密孔，其位置度公差要求为 0.03mm，且大端安装面设定为所有轴向尺寸的设计基准。铸件易出现夹渣、局部壁厚不足等缺陷，进一步造成零件合格率偏低。此外，内孔涂层的性能稳定性及尺寸精度直接影响组件的密封可靠性，因此，提升精密尺寸加工质量与涂层质量稳定性是该零件制造过程中需解决的核心技术难题。
2、难点分析
2.1 精密孔位置度及过盈螺纹孔质量难以保证
零件端面设有 3 处精密孔，其加工深度较深且切削余量较大，刀具性能稳定性对零件加工质量具有直接影响。在钻削螺纹孔底孔过程中，加工面临的技术挑战包括：加工区域易产生高温、刀尖与工件接触面积小导致应力集中、切屑排出困难，且工艺参数窗口狭窄，上述因素共同加剧了加工过程的不稳定性，进而引发工件变形及刀具烧损等问题。此外，零件大端面设有 10 处 DG6 规格的过盈配合螺纹，其有效深度为 14mm，长径比较大，且螺纹加工公差要求严苛，装配前需对螺纹进行分组选配，与对应规格螺栓实现精准配合，每组公差带仅为 0.015mm，进一步提升了加工难度。加工过程中易出现螺纹垂直度超差问题，导致无法满足装配紧度要求。
2.2 喷涂层质量不佳
设计要求明确喷涂前内孔预留尺寸需较喷涂后涂层最终成型尺寸单边大 0.3mm，该预留量用于后续车削修整以保障内孔最终精度；但由于喷涂区域的保护带设计导致涂层粘结面积有限，且涂层设定厚度较小，使得保护带区域涂层与基体的界面黏结强度不足，同时薄涂层自身抗裂性能较弱，这两大因素共同作用下，在后续车削去除多余涂层的加工过程中，保护带表面的涂层易因切削力作用产生应力集中，进而频繁出现涂层剥离、微裂纹扩展甚至整体开裂的问题，严重影响涂层完整性与零件加工合格率。
3、工艺优化
3.1 精密孔及螺纹孔加工技术
钛合金在钻孔过程中容易因高温聚集而导致刀具烧损，并伴随积屑瘤的产生，进而引起零件尺寸超差与孔壁表面粗糙等问题。为提升孔加工的质量和效率，可从以下关键方面进行优化。
通过对不同材质钻头的试验比较发现，超细晶粒硬质合金钻头在加工钛合金时刃口保持锋利、磨损程度较低，能显著提升加工效率，是较为理想的刀具选择。如条件受限，也可选用 M42 或 B201 等牌号的高速钢钻头或普通硬质合金钻头。
此外，采用适配钛合金材料特性的冷却方式，实施充分有效的冷却，有助于延长刀具使用寿命，也能进一步提高整体加工效率。加工螺纹时采用顶尖顶紧丝锥尾部的中心孔，并使用攻丝模保证螺纹孔的垂直度要求。保证丝锥锋利，避免由于头部磨损严重，造成螺纹孔呈现锥度，而安装不到位。有效地解决了螺纹质量加工不稳定，操作方便，能一次性将螺栓安装到位，防止多次调整螺栓安装不到位或螺栓断裂，造成零件报废。
3.2 喷涂层质量控制优化
3.2.1 涂层应力测试技术
该试验主要目的是获得低应力的银铜合金涂层。无论采用新的工艺方法还是在现有工艺基础上进行改进或对涂层进行后处理，准确直观地确定涂层应力状态是本次试验的关键。
文章参考 Almen 试验基本方法，采用剥离法确定涂层应力，具体操作方式为在规格为 100mm×50mm×5mm 的试板端面喷涂涂层，试板规格如� 2 所示，喷涂好的试样达到规定厚度时用刀片将涂层从试板表面剥离，测量涂层变形程度。需要进行涂层后处理时，涂层随试板一起处理，然后再剥离测量涂层变形程度。
该方法的优点是不需要测量涂层具体的残余应力值，不需要考虑涂层种类，不需要考虑如粘贴应变片的方法在热喷涂过程中涂层变形对内应力的影响，根据涂层变形程度直接可获得残余应力对涂层应力的影响程度。
测量方法，如图 3 所示，在 100mm×100mm 的基板上固定两个 Φ6mm 圆柱，两个圆柱中心距为 60mm，与两个圆柱同方向相切的直线定义为初试线，初试线中心两侧标刻度线，如图 4 所示。由于剥离下来的涂层强度较低，该测量方法不适合用百分表，用目视确定圆弧高度并记录。试验采用 AUTOCAD 软件 1:1 打印，在打印纸上对照测量圆弧高度。
3.2.2 涂层应力分析与控制方法研究
为了减小甚至消除涂层参与热应力对涂层质量的影响，必须掌握合理的工艺方法。根据涂层应力特点及现有工艺方法，对涂层残余应力可采取以下工艺方法：
(1) 应力平衡技术。应力平衡技术是在涂层表面用特定的工艺方法改变涂层应力状态，使涂层表面呈压应力，涂层整体达到拉应力与压应力平衡状态。如图 5 所示，采用适当的工艺方法，使涂层表面由拉应力状态向相反方向发生改变，即向压应力状态发生变化。随着作用力度的增加，涂层整体可呈现三种不同状态。
(2) 应力消减。涂层残余热应力大小与涂层厚度有直接关系，涂层厚度越大残余热应力越大，应力削减是通过减小涂层厚度降低涂层残余热应力。通常除设计过程中减小涂层厚度以外，喷涂完成后迅速进行机械加工是控制涂层应力的有效手段。
4、加工效果
通过对 1 支点前封严装置加工全过程的探索与研究，形成了大型钛合金铸件精密加工技术体系：其一，通过优化加工工艺方案、刀具选型及装夹定位方式，有效解决了精密孔位置度偏差问题；其二，采用高性能加工设备实施多工序集中加工，从根本上解决了多次装夹带来的定位累积误差等关键问题，该技术方案实现了复杂难题的简化处理，具备良好的工程可实施性。对该零件成品进行全面检测验证，结果表明，前文所述的各类加工质量问题均得到有效攻克，各关键特性尺寸均稳定处于合格范围之内，同时显著提升了零件整体加工质量与可靠性。
5、结论
综上所述，文章以 1 支点前封严装置这一大型钛合金铸件为研究对象，针对其制造过程中精密加工与喷涂质量两大核心瓶颈开展系统性工艺优化研究。在机械加工环节，通过重构加工工艺路线、优化刀具选型与装夹定位方案，精准解决了精密孔位置的偏差问题；在喷涂及后续加工环节，通过优化喷涂前预留量设计、改进保护带涂层制备工艺，有效增强了涂层与基体的界面结合强度，彻底解决了车削修整时保护带涂层开裂的顽疾。此次研究形成的大型钛合金铸件精密加工与喷涂质量控制技术方案，为同类复杂钛合金构件的制造提供了可借鉴的工程经验，具备重要的实际应用价值与推广意义。
参考文献
[1] 杨振朝，张定华，姚倡锋，等。高速铣削速度对 TC4 钛合金表面完整性影响机理 [J]. 南京航空航天大学学报，2009,41 (5):644-648.
[2] 杨振朝，张定华，姚倡锋，等.TC4 钛合金高速铣削参数对表面完整性影响研究 [J]. 西北工业大学学报，2009,27 (4):538-543.
[3] 徐滨士，朱绍华。表面工程的理论与技术 (第 2 版)[M]. 北京：国防工业出版社，2010.
（注，原文标题：铸造钛合金机械加工及喷涂质量控制技术研究_王家宝）
tag标签:钛合金铸件,工艺优化,航空发动机,精密孔位置度,过盈螺纹孔