一、航空燃氣渦輪發(fā)動機簡述
航空燃氣渦輪發(fā)動機是屬于熱機的一種發(fā)動機，常見的燃氣渦輪機類型如圖1所示：
圖1 Turbojet—渦輪噴氣發(fā)動機，Turbofan—渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，
Turboprop—渦輪螺旋槳發(fā)動機，Afterburning Turbojet—加力渦輪噴氣機
燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼，基本原理大同小異，包括燃氣渦輪噴氣發(fā)動機等等都包含在內(nèi)。
它主要由進氣道（Intake）、壓氣機（compressor）、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）、噴管（Exhaust）等部分構(gòu)成（組成如圖2，圖3所示）。
圖2航空燃氣輪機
圖3燃氣渦輪噴射機引擎的示意圖（圖中我們可以看到不同部位的能量大小）
它的工作原理是：新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機后，首先由壓氣機加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓燃氣，然后進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的焓和動能轉(zhuǎn)換成機械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出。
二、渦輪發(fā)動機性能與葉片材料的關(guān)系
燃氣渦輪是航空燃氣渦輪發(fā)動機的重要部件之一，我們通過采用更高的燃氣溫度，可以使得航空燃氣渦輪發(fā)動機在尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能；
圖4 燃氣渦輪的示意圖
例如，渦輪進口溫度每提高 100 ℃，航空發(fā)動機的推重比能夠提高 10%左右，國外現(xiàn)役最先進第四代推重比 10 一級發(fā)動機的渦輪進口平均溫度已經(jīng)達到了 1600 ℃左右，預(yù)計未來新一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的渦輪進口溫度有望達到 1800 ℃左右。
據(jù)報道，自 20世紀 60 年代中期至 80 年代中期，渦輪進口溫度平均每年提高 15 ℃，其中材料所做出的貢獻在 7 ℃左右。各代發(fā)動機渦輪葉片選用材料發(fā)展如表 1 所示。
可見，材料的發(fā)展對提高渦輪進口溫度起到了至關(guān)重要的作用。
三、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，掀起了渦輪葉片用材料的第一次革命。
圖5 高溫合金材料及其微觀結(jié)構(gòu)
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。
圖6 高溫合金真空鑄造航空發(fā)動機葉片
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，提高了合金的熱疲勞性能，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。
圖7 定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下，
有和沒有0.5T的橫向磁場B的縱向微觀結(jié)構(gòu)
圖8定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下，
有和沒有0.5T的橫向磁場B的橫向微觀結(jié)構(gòu)
單晶合金渦輪葉片定向凝固技術(shù)的進一步發(fā)展，其耐溫能力、蠕變度、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顯著提高，從而很快得到了航燃氣渦輪發(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，成為二世紀 80 年代以來航空發(fā)動機的重大技術(shù)之一，掀了渦輪葉片用材料的第二次革命。
圖9單晶合金葉片的有限元分析
圖10三個不同的渦輪葉片的顯微結(jié)構(gòu)
各代發(fā)動機渦輪葉片結(jié)構(gòu)與選材發(fā)展歷程如圖11所示。
圖11各代發(fā)動機渦輪葉片結(jié)構(gòu)與選用材料的發(fā)展歷程
以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30 ℃，持強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。
在第三單晶合金Rene N6和CMSX-10中，合金成分進行一步優(yōu)化，提高原子半徑大的難溶元素的總含量特別是加入高達5wt％以上的錸，顯著提高高溫蠕變強度，1150 ℃的持久壽命大于150小時，遠遠高于第一代單晶合金約10小時的壽命，并獲得高強度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。
美國和日本相繼開發(fā)出了第四代單晶合金，通過添加釕，進一步高了合金微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加了長時間高溫露下的蠕變強度。其1100 ℃下的持久壽命比第二單晶合金提高了10倍，使用溫度達到了1200 ℃。同代的單晶成分如表2所示。
圖12 渦輪葉片的性能在過去50年內(nèi)持續(xù)改善，
單晶合金鑄造技術(shù)成為現(xiàn)今的主流
四、渦輪葉片設(shè)計思想簡述
完整的渦輪葉片選材工作主要包括：
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
葉片使用過程中的故障模式分析
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)。
該技術(shù)的劣勢在于：
（1）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(dāng)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。
（2）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。
圖13渦輪葉片的設(shè)計創(chuàng)新
圖14 渦輪葉片冷卻膜冷卻孔
從材料學(xué)的角度來看，決定渦輪葉片材料破壞的主要參數(shù)是溫度、時間、應(yīng)力、環(huán)境氣氛和材料的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)等。
發(fā)動機工作的溫度、時間和環(huán)境氣氛能簡單地確定，而應(yīng)力的參數(shù)則難以確定，因為實際葉片都是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作的，材料的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)則是以上四種狀態(tài)變量的體現(xiàn)。
發(fā)動機渦輪葉片是渦輪部件中溫度最高和承受熱沖擊最嚴重的零件，不僅處于腐蝕性的燃氣包圍中，而且還承受高溫和高應(yīng)力的作用；
因此，對于葉片材料的要求也是全方位的
第一，必須在較高的工作溫度下具有高的熱強度，即具有高的持久強度極限和蠕變極限；
第二，要保證材料在使用壽命下具有良好的組織穩(wěn)定性、再結(jié)晶傾向盡可能?。?/span>
第三，要具有良好的物理性能，如較低的密度、良好的導(dǎo)熱性能、較小的線膨脹系數(shù)；
第四，要具有良好的工藝性能；
第五，要求在長期使用溫度下有高的抗氧化和抗熱腐蝕的能力，良好的抗熱疲勞性與抗熱沖擊的性能。
五、渦輪葉片用新型材料展望
從單晶合金的發(fā)展來看，使用溫度已經(jīng)超過了1200 ℃，與合金的初熔溫度相比僅有不足200 ℃的差距，鎳鋁金屬間化合物與鈮-硅基合金是二種有希望成為新一代超高溫材料的新型高溫合金，
它們的密度不足鎳基高溫合金的4/5，采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計能夠使轉(zhuǎn)子質(zhì)量減輕30%左右。
缺點是：
（1）抗氧化性能差；
（2）高溫強度相對較低。
總的來看，目前以上兩種新型材料的技術(shù)成熟度都不能滿足未來新一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的設(shè)計使用要求，渦輪葉片用材料的第三次革命還須等待，在未來的一段時間內(nèi)，先進單晶合金仍然是高性能航空燃氣渦輪發(fā)動機渦輪葉片的主導(dǎo)材料。
六、結(jié)論
從航空發(fā)動機渦輪葉片的發(fā)展歷程來看，材料、工藝與設(shè)計一體化的趨勢越加明顯。發(fā)動機設(shè)計是由低水平向高水平發(fā)展，葉片材料設(shè)計也是如此，設(shè)計階段不同，設(shè)計要求不同，設(shè)計方法不同，采用的材料和制造工藝也不相同。
因此，必須根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計要求不斷開發(fā)新型高溫材料，擴大葉片選材范圍，保證發(fā)動機性能的不斷提高。
