隨著社會的不斷發(fā)展，飛行器的性能正日新月異提升，航空發(fā)動機(jī)作為飛行器的核心，在現(xiàn)代航空飛行器的發(fā)展中扮演的角色也越來越重要。航空發(fā)動機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”, 是國家綜合實力的重要標(biāo)志之一。提高航空發(fā)動機(jī)的性能就必須提升其關(guān)鍵部件——渦輪葉片的性能。渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。

概述

渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉(zhuǎn)動部件。在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中，渦輪葉片承受發(fā)動機(jī)起動、停車循環(huán)的高溫燃?xì)鉀_刷、溫度交變，轉(zhuǎn)子葉片受高轉(zhuǎn)速下的離心力作用，要求材料在高溫下具有一定蠕變強(qiáng)度、熱機(jī)械疲勞強(qiáng)度、抗硫化介質(zhì)腐蝕等。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)口溫度達(dá)1380℃，推力達(dá)226KN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應(yīng)力大約140MPa；葉根部分承受平均應(yīng)力為280~560MPa,相應(yīng)的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。渦輪葉片的性能水平(特別是承溫能力)成為一種型號發(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志,從某種意義上說，未來發(fā)動機(jī)葉片的鑄造工藝直接決定了發(fā)動機(jī)的性能 ,也是一個國家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志。因此，渦輪葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，要有良好的疲勞強(qiáng)度及抗氧化、耐燃?xì)飧g性能和適當(dāng)?shù)乃苄浴４送?，還要求長期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強(qiáng)度、可鑄性及較低的密度。

燃機(jī)功率的不斷提高,是靠提高透平進(jìn)氣溫度來實現(xiàn)的, 需要采用承溫能力愈來愈高的先進(jìn)葉片。除了高溫條件,熱端葉片的工作環(huán)境還處在高壓、高負(fù)荷、高震動、高腐蝕的極端狀態(tài), 因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金),利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織), 才能最大可能地滿足需要。復(fù)雜單晶空心渦輪葉片已經(jīng)成為當(dāng)前高推重比發(fā)動機(jī)的核心技術(shù),正是先進(jìn)單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術(shù)的出現(xiàn), 使單晶制備技術(shù)在當(dāng)今最先進(jìn)的軍用和商用航空發(fā)動機(jī)發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前, 單晶葉片不僅早已安裝在所有先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上,也越來也多地用在了重型燃?xì)廨啓C(jī)上。   

    發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代中期，美國PW公司的F.L.Varsnyder及同事們發(fā)明了高溫合金定向凝固技術(shù)，使合金的晶粒沿?zé)崃髁魇Х较蚨ㄏ蚺帕?，基本消除垂直于?yīng)力軸的薄弱的橫向晶界，這使鑄造合金的力學(xué)性能又上一個新臺階。70～80年代，又由鑄造的多品結(jié)構(gòu)發(fā)展為定向結(jié)晶結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已實現(xiàn)能將整個葉片鑄成一個晶體，即單晶葉片，單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠，都由毫無缺陷的多相單晶體組成。這種改進(jìn)不僅可提高葉片的耐高溫性能，還能延長葉片在高溫條件下的工作壽命。

渦輪葉片合金的承溫能力

20世紀(jì)70年代，美國首先用在軍用發(fā)動機(jī)上，然后在民用飛機(jī)上使用PWA1422定向葉片，到80年代又在F100發(fā)動機(jī)上使用PWA1480單晶葉片.從此，定向和單晶葉片成為各類先進(jìn)發(fā)動機(jī)的重要特色，定向凝固技術(shù)的發(fā)展使鑄造高溫合金承溫能力大幅度提高.80年代后發(fā)動機(jī)推重比由8提高至10，渦輪葉片開始用第一代單晶高溫合金PWA1480和RenéN4等。隨后采用第二代單晶合金PWA1484，在1100℃、100h持久強(qiáng)度達(dá)140MPa。20世紀(jì)90年代后研制第三代單晶合金有RenéN6、CMRX-10、添加錸(5%～7%)或鎢和鉭等元素，提高合金的熔點(diǎn)、初熔溫度、使用溫度。研究表明，第3代單晶高溫合金CMSX-10比第 2 代單晶合金CMSX-4 具有十分明顯的蠕變強(qiáng)度優(yōu)勢。通過葉片內(nèi)孔冷卻 (≥ 400℃)和表面隔熱涂層(≥150℃)，從而使渦輪前溫度達(dá)到1650℃。導(dǎo)向葉片用金屬間化合物合金在1200℃，100h持久強(qiáng)度達(dá)100MPa。1550℃以下陶瓷復(fù)合材料及1650℃以上C/C 復(fù)合材料是渦輪葉片和導(dǎo)向葉片的后繼材料。

英國RR公司近年研制的第四代單晶合金RR3010的承溫能力比定向柱晶合金約高100℃。目前幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)都以采用單晶葉片為特色,正在研制中的推重比為10的發(fā)動機(jī)F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型發(fā)動機(jī)都采用單晶高溫合金制作渦輪葉片。美國的Howmet公司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及英國RR公司,法國的CNECMA公司,俄羅斯的SALUT發(fā)動機(jī)制造廠等廠商均大量生產(chǎn)單晶零件,品種包括渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、葉片內(nèi)外環(huán)、噴嘴扇形段、封嚴(yán)塊、燃油噴嘴等,用于軍用和商用飛機(jī)、坦克、艦船、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、導(dǎo)彈、火箭、航天飛機(jī)等。 

渦輪葉片制造技術(shù)

渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細(xì)晶強(qiáng)化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。

 半個多世紀(jì)以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀(jì) 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度 25℃~50℃，而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當(dāng)于提高葉片工作壽命 3 倍之多。應(yīng)該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設(shè)計和加工以及表面涂層各方面共同發(fā)展所做出的共同貢獻(xiàn)。

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度大大提升，F(xiàn)119 發(fā)動機(jī)渦輪前溫度高達(dá) 1900~2050K，傳統(tǒng)工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至?xí)蝗刍?，無法有效地工作。單晶渦輪葉片成功解決了推重比 10 一級發(fā)動機(jī)渦輪葉片耐高溫的問題，單晶渦輪葉片優(yōu)異的耐高溫性能主要取決于整個葉片只有一個晶體，從而消除了等軸晶和定向結(jié)晶葉片多晶體結(jié)構(gòu)造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。

單晶葉片的凝固缺陷

單晶渦輪葉片是目前航空發(fā)動機(jī)所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)零件。制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結(jié)、型芯檢驗、型芯與外型模具的匹配、蠟?zāi)鹤?、蠟?zāi) 光檢驗、蠟?zāi)１诤駲z測、蠟?zāi)Ｐ拚⑾災(zāi)＝M合、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢等制造環(huán)節(jié)。除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設(shè)計和制造工作。

                    砂塵沖蝕測試

 葉片三維數(shù)據(jù)型面檢測

高溫合金單晶化工藝

從加工工藝上來分，高溫合金有變形、鑄造和粉末高溫合金。從上世紀(jì) 40年代起至今，鑄造高溫合金有了很大的發(fā)展。包括鎳基和鈷基合金，經(jīng)常使用的合金不下幾十種。為了滿足實際生產(chǎn)的需要和充分發(fā)揮鑄造合金的綜合性能，采用了一些措施來控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。

 各種渦輪工作葉片的晶體結(jié)構(gòu)

高溫合金單晶化的方法通常分為液相法，氣相法，和固相法三種。概括起來就是控制形核和抑制生長。為了使鑄件單晶化，必須嚴(yán)格控制凝固時間的溫度梯度。

1）液相法

液相法是從液體中結(jié)晶出單晶體的方法。基本原理是設(shè)法使液體結(jié)晶時只有一個晶核形成并長大，它可以是事先制備好的籽晶（小尺寸單晶），也可以是在液體中析出的晶核。液體可以是水溶液，但更多的是高溫下的熔體。其中垂直提拉法是制備大尺寸單晶硅（重達(dá)十幾公斤）的主要方法。先將材料放入坩堝熔化，將籽晶放在籽晶桿上，下降到與熔體接觸，然后使坩堝溫度緩慢下降，并向上旋轉(zhuǎn)提拉籽晶桿，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。為保證材料純度，避免非均勻形核，全部操作應(yīng)在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。 

另一種方法是尖端形核法，其原理是將材料放入具有尖底的容器中熔化，然后使容器從加熱爐中緩慢退出，讓尖端部分先冷卻，形成第一個晶核，并不斷長大，形成單晶體。

          
 尖端形核法示意圖

2）選晶法

選晶法的原理是具有狹窄截面的選晶器只允許一個品粒長出它的頂部,然后這個晶粒長滿整個鑄型型腔,從而得到整體只有一個晶粒的單晶部件。選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法,選晶行為對單晶凝固組織以及單晶缺陷的形成有重要影響,最終作用于合金的力學(xué)性能。通常把常見的單晶選晶器歸納為 4 種類型: 轉(zhuǎn)折型、傾斜型、尺度限制型(縮頸選晶器)和螺旋型。螺旋型選晶器是目前應(yīng)用最廣泛也是最成功的選晶器類型。

3）籽晶法 

制取單晶的另一種方法是籽晶法材料和要鑄造部件相同的籽晶安放在模殼的最底端,它是金屬和水冷卻銅板接觸的唯一部分。具有一定過熱的熔融金屬液在籽晶的上部流過,使籽晶部分熔化,這就避免了由于籽晶表面不連續(xù)或加工后的殘余應(yīng)力引發(fā)的再結(jié)晶所造成的等軸晶形核。同時，過熱熔融金屬的熱量把模殼溫度升高到了合金的熔點(diǎn)以上,防止了在模殼壁上形成新的晶粒。金屬熔液就從剩余的籽晶部分發(fā)生外延生長,凝固成三維取向和籽晶相同的單晶體。 

4）氣相法

直接從氣體中凝固或利用氣相化學(xué)反應(yīng)制備單晶體的方法。包括升華法（如硫化鎘和硫化鋅單晶）、氣相反應(yīng)法（如氧化鋅、氮化鋁和氮化釩單晶）、氣相分解法（如低價氧化物和金屬單晶）、氣相外延法（如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦和磷化銦單晶）。

    化學(xué)氣相沉積合成石墨烯

應(yīng)用差距

國內(nèi)外各時期典型葉片材料的使用溫度對比            

羅.羅公司的Trent800發(fā)動機(jī)的渦輪葉片使用第三代單晶合金CMSX-10制造，工作溫度達(dá)1204℃。我國第一代單晶合金為DD3，于20世紀(jì)90年代用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片，該合金相當(dāng)于美國第一代單晶合金PWA1480。我國第二代單晶合金DD6也用于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片。

目前先進(jìn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)幾乎都采用單晶鑄造合金葉片。單晶高溫合金是迄今在先進(jìn)發(fā)動機(jī)中用作渦輪葉片的重要材料，承受著最苛刻的工作條件，從F100-PW-220發(fā)動機(jī)用于PWA1480第一代單晶合金到EJ200和F119采用的RR3000和CMXS10的第三代單晶，使渦輪進(jìn)口溫度提高了80℃，接近材料的初熔溫度。美國普惠公司建立了單晶葉片生產(chǎn)線，年產(chǎn)量達(dá)9萬片。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在至少有六種軍用機(jī)和民航機(jī)使用了單晶鑄造葉片，工作時數(shù)達(dá)960萬h，這些飛機(jī)包括F-16、波音767、空客A310、AH-1T直升機(jī)、米格-29、蘇-27等。

單晶渦輪葉片，目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、法國、中國等少數(shù)幾個國家能夠制造。近年來，國內(nèi)在單晶渦輪葉片制造中也取得了較大的進(jìn)步，研制并批量生產(chǎn)了高功重比渦軸發(fā)動機(jī)單晶渦輪葉片。   

展望未來

20世紀(jì)70年代以來,各國都對其他系列的高溫材料進(jìn)行過大量的研究,但是,迄今還沒有一類材料能像鑄造高溫合金這樣具有良好的綜合性能。在本世紀(jì),通過優(yōu)化的合金設(shè)計,再加上定向工藝的繼續(xù)進(jìn)步,將研究出超過現(xiàn)有合金強(qiáng)度和承溫能力的單晶高溫合金。在本世紀(jì)的相當(dāng)長時期內(nèi),單晶合金仍將是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)最重要的材料。目前正在大力開發(fā)陶瓷等新材料、新技術(shù)，估計在不遠(yuǎn)的將來，新的、性能更好的、采用陶瓷材料制造的渦輪工作葉片及用其他新技術(shù)裝備起來的航空發(fā)動機(jī)可望投入使用，到那時軍、民用飛機(jī)的性能必將有大幅度的提高。