高性能航空燃氣渦輪發(fā)動機是飛機的“心臟”，是工業(yè)皇冠上的明珠，也是制約我國航空業(yè)發(fā)展的“瓶頸”之一。自從二戰(zhàn)末期噴氣式飛機誕生以來，現(xiàn)代戰(zhàn)機的設(shè)計指標的不斷提升，自然也要求航空發(fā)動機朝著大推力、高推重比、低油耗等方向發(fā)展，而提高渦輪前進口溫度是提高推重比最主要的途徑之一。
渦輪位于燃燒室之后，渦輪葉片直面從燃燒室出來的高溫高壓氣流，工作環(huán)境十分惡劣。
航空發(fā)動機已發(fā)展了四代并逐漸向第五代跨越，渦輪前進口溫度也由最初的930~1030℃上升至1600℃左右。為應(yīng)對不斷升高的渦輪前溫度，渦輪葉片在材料、結(jié)構(gòu)、工藝3個方面都發(fā)生著深刻的變革，在材料方面，渦輪葉片材料從等軸晶發(fā)展到了單晶。在結(jié)構(gòu)方面，從實心發(fā)展到復(fù)雜空心乃至超冷結(jié)構(gòu)。在工藝方面，為配合材料、結(jié)構(gòu)的變革，發(fā)展出了多種先進的成形工藝。隨著對發(fā)動機推重比要求的進一步提高，渦輪葉片將朝著更耐高溫、更輕質(zhì)方向發(fā)展。高溫合金的使用溫度正在接近極限，如今開發(fā)新材料、新結(jié)構(gòu)的渦輪葉片仍然是人們主要的研究方向之一。
航空發(fā)動機的渦輪盤以及渦輪葉片
二、渦輪葉片材料的發(fā)展為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動機的渦輪葉片的使用要求，20世紀50年代研制成功的高溫合金憑借其較為優(yōu)異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼，使其使用溫度有一個飛躍的提高，達到了800℃水平。20世紀60年代以來，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。熱定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界，進一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷，使用溫度達到了1000℃水平。
從左至右依次為等軸晶形成原理、使用熱定向凝固的柱狀晶形成原理，以及進一步發(fā)展出的單晶葉片形成原理圖
后來在定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們研發(fā)出了單晶合金渦輪葉片。其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了進一步的提高，從而很快得到了航空燃氣渦輪發(fā)動機界的普遍認可，幾乎所有先進航空發(fā)動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片，成為二十世紀80年代到現(xiàn)在以來，航空發(fā)動機的重大技術(shù)之一。下面我們就來看看單晶渦輪葉片的難點與制造技術(shù)：
三、單晶渦輪葉片的難點完整的渦輪葉片選材工作應(yīng)該包括葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片強度設(shè)計、葉片材料設(shè)計、葉片制造工藝設(shè)計和葉片使用過程中的故障模式分析等多個方面的工作。渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計是葉片選材的出發(fā)點，20世紀90年代以來，世界航空發(fā)動機設(shè)計與制造商在各種新型發(fā)動機渦輪葉片的設(shè)計上大都采用了先進的復(fù)合傾斜、端壁斜率和曲率控制等技術(shù)，給單晶生長控制帶來很大困難，由于凝固過程中的溫度場與溫度梯度分布復(fù)雜，一旦結(jié)構(gòu)的突變區(qū)溫度梯度控制不當或溫度場分布不合理，使樹枝晶的順利生長容易受阻而產(chǎn)生分支或停滯，就容易形成新的晶粒而破壞葉片單晶生長的完整性，降低葉片局部的力學(xué)性能。另外，單晶葉片制造工序繁多，過程復(fù)雜，在表面處理、氣膜孔加工、噴涂涂層等過程中非常容易產(chǎn)生外來應(yīng)力，使其在后續(xù)長時間的高溫使用過程中也可能出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，為發(fā)動機渦輪葉片的安全可靠使用帶來潛在危險。
渦輪葉片
目前，渦輪葉片普遍采用復(fù)合氣膜冷卻單晶空心渦輪葉片技術(shù)提高其承溫能力。受材料及結(jié)構(gòu)限制，空心渦輪葉片通常采用熔模精密鑄造工藝成形，其成形精度偏低、廢品率極高。單晶空心渦輪葉片的合格率極低，僅為10%左右。葉片不合格的因素主要包括尺寸誤差、再結(jié)晶缺陷、和鑄造缺陷等。
四、單晶渦輪葉片的制造技術(shù)到目前為止，航空制造業(yè)一直基于Bridgman工藝生產(chǎn)高溫合金定向或單晶葉片。由于該工藝較低的輻射傳熱效率等缺點，容易導(dǎo)致抽拉速度降低，引起雀斑和晶粒偏離方向等缺陷。為克服上述問題，近年來人們又研究發(fā)展了液態(tài)金屬冷卻法，利用液體對流散熱來替代原來的輻射散熱渦輪葉片形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于鑄造熱應(yīng)力的影響，導(dǎo)致葉片各部位鑄造變形呈現(xiàn)出非線性，并以葉片鑄件變形量的分布的形式體現(xiàn)出來。為補償渦輪葉片精鑄過程中的收縮變形，常規(guī)的方法是在模具型腔設(shè)計過程中給定一個綜合收縮率。不過，由于收縮變形的結(jié)構(gòu)相關(guān)性，該方法并不能精確地補償葉片精鑄過程的非線性變形。因此，需要對精鑄型腔進行多次修正。
在控制葉片的材料組織性能方面，由于合金成分及凝固工藝設(shè)計、控制等問題。定向凝固和單晶高溫合金鑄件經(jīng)常會出現(xiàn)雀斑、晶界、熱裂和縮松等缺陷，嚴重影響葉片服役性能。單晶高溫合金葉片中的凝固缺陷是葉片結(jié)構(gòu)、凝固工藝和合金內(nèi)凝固特性共同作用的結(jié)果。于是人們對鑄造技術(shù)進行了優(yōu)化，例如采用高溫度梯度定向凝固技術(shù)不僅可以采用更快的下降速度提高生產(chǎn)效率，而且因為減少甚至消除單晶雀斑缺陷而提高鑄件屈服強度，并不會形成斷晶等缺陷。另外，采用引晶條、導(dǎo)熱體等方法可以控制缺陷的產(chǎn)生，可以解決葉片緣板及葉冠等結(jié)構(gòu)突變位置容易產(chǎn)生雜晶等凝固缺陷的問題。
五、新型的渦輪葉片目前，人們在嘗試使用陶瓷基復(fù)合材料來制造航空渦輪葉片。耐溫1370℃的陶瓷基復(fù)合材料已在中等載荷發(fā)動機零件上試驗驗證。不過這一技術(shù)能然處在起步階段，技術(shù)成熟度較低，其結(jié)構(gòu)、材料、工藝一體化的研究尚待進一步加強。隨著人們的研究不斷深入，陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機渦輪葉片上應(yīng)用的前景十分光明。
渦輪葉片新材料的發(fā)展必然導(dǎo)致其成形工藝的變革。例如F136發(fā)動機渦輪采用3級陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)向葉片，其耐溫能力達1200℃，重量僅為鎳合金的1/3，該導(dǎo)向葉片不再采用精密鑄造工藝進行制造，而是基于化學(xué)氣相滲透法等方法進行制備。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展及成熟，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于渦輪葉片精密成形成為一大發(fā)展趨勢，如GE利用電子束熔覆技術(shù)生產(chǎn)低壓渦輪葉片；此外，3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于精鑄蠟型、陶瓷鑄型等的制造，這些都為復(fù)雜空心葉片制作探索了新的工藝方法。
六、總結(jié)航空發(fā)動機，作為飛機的“心臟”，是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機械，被譽為"工業(yè)之花"。它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性，是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。在現(xiàn)代航空發(fā)動機的設(shè)計原理中，發(fā)動機的整體性能與渦輪盤前的溫度成正比。開發(fā)更加耐高溫的渦輪葉片就是發(fā)動機性能取得突破的核心技術(shù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，單晶金屬葉片的性能已經(jīng)幾乎被榨干，很難再有大幅度提升的空間。新型陶瓷基復(fù)合材料是一個前景光明的發(fā)展方向，但未來的渦輪葉片，乃至未來的航空發(fā)動機將會朝著什么方向發(fā)展，讓我們拭目以待。
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