-轉(zhuǎn)自 “航空制造網(wǎng)”

空心渦輪葉片是航空發(fā)動機的核心部件，長期服役在高熱沖擊和復雜的循環(huán)熱應力的工況下，其制造工作量占整個發(fā)動機的30%。

隨著設計結(jié)構(gòu)的復雜化，傳統(tǒng)的Bridgman鑄造技術(shù)低效率、無法滿足大尺寸單晶葉片鑄造、低溫度梯度等缺陷不斷被放大，無法滿足現(xiàn)代先進航空發(fā)動機及燃氣輪機對單晶葉片的需求。因此新的鑄造技術(shù)LMC 逐漸發(fā)展起來。

單晶葉片生產(chǎn)及運輸過程中，普通的磕碰會引起局部的應力集中，同時產(chǎn)生輕微的塑性變形，導致該區(qū)域在熱處理過程中發(fā)生再結(jié)晶。此外，由于葉片結(jié)構(gòu)設計中的需要，增中部分過渡連接區(qū)域不可避免地留下了一些應力相對集中的區(qū)域，這些區(qū)域在固溶處理時也會誘發(fā)再結(jié)晶的形成。

隨著葉片結(jié)構(gòu)復雜程度的增加，其制造技術(shù)難度成倍增加，其中再結(jié)晶的消除逐漸成為發(fā)動機單晶渦輪葉片生產(chǎn)過程中的關鍵問題。

單晶葉片制造技術(shù)發(fā)展

1 單晶葉片結(jié)構(gòu)研究

伴隨著先進作戰(zhàn)飛機高推重比的要求，渦輪前進氣口溫度顯著提高，單晶葉片由于其良好的承溫能力、抗蠕變、抗熱疲勞、抗氧化性以及抗腐蝕性等能力，在航空發(fā)動機及燃氣能機上得到廣泛應用。

近40 年來航空發(fā)動機的材料從普通的高溫合金發(fā)展到第五代鎳基單晶高溫合金，其結(jié)構(gòu)也從最初的實心葉片鑄件過度到雙層壁超冷/ 鑄冷渦輪葉片（圖1）。自20世紀80年代第一代單晶高溫合金（PW A1480 等）成功應用于F100 航空發(fā)動機，在過去的30 年里，單晶高溫合金的研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，在全球范圍能夠生產(chǎn)用于航空航天葉片的企業(yè)主要集中于美、英、日等國。

目前傳統(tǒng)的采用渦流、沖擊和氣膜冷卻的空心葉片逐漸向雙壁復合冷卻的高效冷卻葉片發(fā)展。Alison 公司應用Lamilloy 技術(shù)，將帶有復雜冷卻回路的Lamilloy 多孔層板用擴散連接方法成形的冷卻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的關鍵制造技術(shù)在于復雜冷卻回路的計算機輔助設計和繪制、“照相- 腐蝕”或“照相- 電解”工藝，也可用激光和電子束等特種工藝加工。美國GE 公司也將這種技術(shù)應用到單晶葉片的生產(chǎn)過程中 。目前，該技術(shù)生產(chǎn)的超冷葉片已應用于F119（美）發(fā)動機上。針對推重比15的發(fā)動機，研究超級冷卻結(jié)構(gòu)的單晶腹板空心葉片。

2 單晶葉片鑄造技術(shù)發(fā)展

伴隨著鑄造技術(shù)與材料的發(fā)展，單晶渦輪葉片的性能得到極大提高。單晶材料的制造技術(shù)自1926年傳統(tǒng)的Bridgman定向凝固工藝研發(fā)以來，單晶鑄造技術(shù)的發(fā)展主要集中于提高凝固前沿的溫度梯度。

根據(jù)這一發(fā)展方向，1974年Laux 等研發(fā)了高速定向凝固技術(shù)（HRS），隨后1976 年Giamei 等研發(fā)了液態(tài)金屬冷卻技術(shù)（LMC）。進入近代Konter 等發(fā)展了氣體冷卻鑄造技術(shù)（GCC）, 此后，根據(jù)鑄件的成形要求，研究者在定向凝固基礎上又相繼發(fā)展了區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻定向凝固法（ZLMC）、電磁約束成形技術(shù)等新的定向凝固技術(shù)。

盡管近年來定向凝固技術(shù)的裝備得到極大的發(fā)展，但應用于單晶葉片實際生產(chǎn)的定向凝固技術(shù)，仍只有傳統(tǒng)的Bridgman 方式發(fā)展起來的有限的幾種鑄造技術(shù)。

單晶葉片的組織中消除了所有的晶界，使葉片的性能實現(xiàn)了最優(yōu)化。目前世界上一直在使用傳統(tǒng)的Bridgman方式生產(chǎn)單晶葉片。這種鑄造技術(shù)的特點是，澆注后的模殼從爐子的高溫區(qū)穿過輻射擋板抵達低溫區(qū)，鑄造設備結(jié)構(gòu)簡單，工藝穩(wěn)定可靠，且發(fā)展相當成熟，特別適合航空發(fā)動機葉片等小型鑄件。在此基礎上，工程研究人員進一步開發(fā)了液態(tài)金屬冷卻，這種方法與Bridgman工作方式基本類似，只是將鑄型按照一定的速度拉出爐體，浸入液態(tài)金屬液中，常見的液態(tài)金屬有Ga-In 合金和Sn 液。前者熔點低但是價格貴，只適用于實驗室小尺寸試樣。相較于傳統(tǒng)的Bridgman 工藝，這種液態(tài)金屬冷卻工藝即LMC 工藝，極大地提高了溫度梯度。兩種工藝方式具體形式如圖2 所示。Carter 等通過對CMSX-4 合金定性凝固的實際測試表明，激冷板附近的溫度梯度可達200K/cm 以上，而距離25cm 的葉片端部則降為20K/cm。然而單純增加溫度梯度雖然達到提高凝固速率的目的，但是并不能滿足鑄件各處對凝固條件的不同需求。因此LMC工藝目前仍主要應用于大型葉片的定向凝固而非制備單晶。目前Bridgman方式仍是單晶葉片制備過程的首選。

由于Bridgman 定向凝固技術(shù)的設備結(jié)構(gòu)簡單，工藝穩(wěn)定，因此國內(nèi)其他類型的葉片也多采用這種技術(shù)的爐子進行生產(chǎn)。

此外，伴隨著大尺寸工業(yè)燃氣輪機葉片制備的發(fā)展，Bridgman 技術(shù)暴露出溫度梯度隨凝固過程進行很快下降的固有缺陷，使大尺寸工業(yè)燃氣輪機葉片很難在定向凝固設備上實現(xiàn)。

3 單晶葉片定向凝固選晶技術(shù)發(fā)展

單晶定向凝固過程中的凝固結(jié)晶過程是單晶葉片生產(chǎn)中的重要問題，常見的生成單晶的方式包括籽晶法與選晶法。目前工業(yè)生產(chǎn)中應用較多的為選晶法。選晶法中選晶器結(jié)構(gòu)是影響選晶效果的重要因素。傳統(tǒng)的選晶器包括縮頸型、轉(zhuǎn)折型、傾斜型和螺旋型等多種結(jié)構(gòu)。鄭啟等對螺旋選晶器和多重縮頸結(jié)構(gòu)選晶方式進行研究，結(jié)果表明在螺旋選晶器中，晶體橫向擇優(yōu)生長與螺旋結(jié)構(gòu)的耦合作用，形成連續(xù)選晶過程，而在縮頸選晶器中，幾乎只存在單一的機械阻隔選晶行為，多重縮頸結(jié)構(gòu)對于改善選晶作用并不明顯，選晶效果不好。目前根據(jù)工程實際調(diào)研，單晶生產(chǎn)過程中主要通過螺旋選晶的方式進行單晶生產(chǎn)。金屬研究所通過大量試驗研究表明，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素對選晶結(jié)果均有影響，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。西北工業(yè)大學傅恒志團隊結(jié)合試驗及元胞自動機模擬技術(shù)基本實現(xiàn)了單晶葉片選晶工藝的產(chǎn)業(yè)化。實際生產(chǎn)中，由于凝固條件的復雜性以及選晶器的形狀差異，選晶器的選晶行為會有所差別，穩(wěn)定性有待提高。

單晶葉片的再結(jié)晶研究

1 單晶渦輪葉片再結(jié)晶缺陷

鎳基單晶高溫合金鑄造完成后，由于結(jié)構(gòu)影響，在熱應力作用下部分應力集中區(qū)域會處于一種亞穩(wěn)態(tài)的高能量狀態(tài)，在熱激活的情況下，會經(jīng)歷一系列的顯微組織變化過程，從亞穩(wěn)的高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的低能量狀態(tài)。這期間金屬經(jīng)歷回復、再結(jié)晶和晶粒長大等變化逐漸成為一個新的完整的晶粒，這一變化即為再結(jié)晶。隨著單晶材料在航空航天以及地面燃氣輪機上的廣泛應用，再結(jié)晶逐漸成為一個不可忽視的問題，由于葉片結(jié)構(gòu)的復雜性，在生產(chǎn)及服役過程中易發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，嚴重制約著國內(nèi)鎳基單晶葉片的生產(chǎn)質(zhì)量（圖4）。

 單晶葉片再結(jié)晶控制方法研究

當前國外的研究主要分為兩個部分，一為通過控制合金及涂層成分達到抑制或控制再結(jié)晶的目的；二為控制工藝條件實現(xiàn)抑制再結(jié)晶的方法。其中控制合金及涂層成分抑制再結(jié)晶的方法，是目前研究的熱點之一。目前通過工藝的方式控制或抑制再結(jié)晶主要包含3 種方式：

（1）預回復熱處理，利用回復熱處理方法避免PW1480 鎳基單晶高溫合金在固溶處理過程中發(fā)生再結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)回復熱處理溫度及時間與試樣表面變形程度相關。對不同噴丸強度試樣進行不同的回復熱處理后，結(jié)果顯示，隨著噴丸強度的提高，對應的回復熱處理溫度也需要提高。

（2）變形層的預處理。定向凝固的單晶高溫合金一般不經(jīng)歷冷變形過程，但是其在生產(chǎn)過程中易發(fā)生偶然的磕碰、吹砂及機械加工等冷變形，而這些變形層在隨后的熱處理過程中易發(fā)生再結(jié)晶。因此熱處理前通過去除或緩解其變形層的方法可以在一定程度上消除或抑制該區(qū)域的再結(jié)晶。

（3）通過管理控制工藝的方式，調(diào)整鑄造過程中產(chǎn)生的能量集中區(qū)域的應力，最終實現(xiàn)抑制再結(jié)晶的目的。