在當(dāng)今高度工業(yè)化的時代，精密特種加工技術(shù)正逐漸成為制造業(yè)的新寵，以其高精度、高效率和高靈活性的特點，引領(lǐng)著制造業(yè)向更高層次邁進。精密特種加工技術(shù)究竟有何魅力？它又是如何改變我們的生產(chǎn)和生活方式的呢？接下來，就讓我們一起走進精密特種加工的世界，探索它的奧秘和前景。
精密特種加工技術(shù)，是指在傳統(tǒng)機械加工基礎(chǔ)上，采用先進的工藝方法、高精度的設(shè)備和工具，對難加工材料或復(fù)雜形狀零件進行高精度、高效率的加工技術(shù)。它涵蓋了激光加工、電火花加工、超聲波加工等多種加工方式，具有加工精度高、加工質(zhì)量好、適用范圍廣等顯著特點。
二、精密特種加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
精密特種加工技術(shù)在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，精密特種加工技術(shù)可用于制造高精度、高可靠性的零部件，如發(fā)動機葉片、導(dǎo)軌等；在汽車制造領(lǐng)域，它可用于制造復(fù)雜形狀的零部件，提高汽車的性能和安全性；在醫(yī)療器械領(lǐng)域，精密特種加工技術(shù)可用于制造高精度的醫(yī)療設(shè)備和器械，提高醫(yī)療水平。
三、精密特種加工技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
精密特種加工技術(shù)的優(yōu)勢在于其高精度、高效率和高靈活性。通過采用先進的工藝方法和設(shè)備，可以實現(xiàn)微米級甚至納米級的加工精度，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。同時，精密特種加工技術(shù)還具有加工速度快、加工成本低等優(yōu)勢，能夠顯著提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
然而，精密特種加工技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，精密特種加工技術(shù)需要高度專業(yè)化的設(shè)備和操作人員，對技術(shù)和人才的需求較高；其次，精密特種加工技術(shù)通常涉及到高精度、高難度的加工過程，對工藝控制和質(zhì)量控制的要求非常嚴(yán)格；此外，隨著制造業(yè)的快速發(fā)展和市場競爭的加劇，精密特種加工技術(shù)還需要不斷創(chuàng)新和提升，以滿足不斷變化的市場需求。
四、精密特種加工技術(shù)的發(fā)展前景
盡管面臨著一些挑戰(zhàn)，但精密特種加工技術(shù)的發(fā)展前景依然廣闊。隨著科技的不斷進步和制造業(yè)的不斷升級，精密特種加工技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。未來，精密特種加工技術(shù)將更加智能化、自動化和柔性化，實現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)、更靈活的生產(chǎn)方式。同時，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，精密特種加工技術(shù)也將不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和加工能力。
發(fā)動機葉片精密加工：技術(shù)之巔，匠心獨運
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機作為核心動力裝置，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到整個機械設(shè)備的運行效率和穩(wěn)定性。而發(fā)動機葉片作為發(fā)動機的關(guān)鍵部件，其精密加工技術(shù)更是重中之重。本文將帶您領(lǐng)略發(fā)動機葉片精密加工的魅力，探尋其背后的技術(shù)秘密。
發(fā)動機葉片作為發(fā)動機中的“心臟”，承受著高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)等多重考驗。因此，對葉片的精密加工要求極高，不僅要求葉片表面光滑如鏡，更要求其在復(fù)雜的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。這就需要采用先進的加工設(shè)備和工藝，確保每一片葉片都能達到最高的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
在精密加工領(lǐng)域，數(shù)控加工技術(shù)成為主流。通過高精度的數(shù)控機床和編程軟件，可以實現(xiàn)對葉片的微米級加工，確保葉片的尺寸精度和形狀精度。同時，采用先進的刀具材料和切削技術(shù)，可以有效減少加工過程中的摩擦和熱量，避免葉片變形和損傷。
除了數(shù)控加工技術(shù)，特種加工技術(shù)也在發(fā)動機葉片加工中發(fā)揮著重要作用。如激光加工、電火花加工等，這些技術(shù)可以在難以加工的材料上實現(xiàn)高精度、高效率的加工。特別是在處理復(fù)雜曲面和微小結(jié)構(gòu)時，特種加工技術(shù)更是展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢。
然而，精密加工并非一蹴而就。它需要加工人員具備豐富的經(jīng)驗和精湛的技術(shù)，每一個細節(jié)都需要精益求精。從原材料的選擇到加工參數(shù)的設(shè)定，從刀具的磨損檢測到加工質(zhì)量的監(jiān)控，每一個環(huán)節(jié)都容不得半點馬虎。正是這種對技術(shù)的執(zhí)著和對品質(zhì)的堅守，才使得發(fā)動機葉片的精密加工成為一項令人敬畏的技藝。
隨著科技的進步，發(fā)動機葉片精密加工技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。未來，我們可以預(yù)見，這一領(lǐng)域?qū)懈嗟男录夹g(shù)、新工藝涌現(xiàn)，推動發(fā)動機性能的不斷提升。同時，隨著智能制造和工業(yè)4.0的推進，發(fā)動機葉片的精密加工也將實現(xiàn)更高的自動化和智能化，為整個工業(yè)領(lǐng)域的進步貢獻力量。
發(fā)動機葉片的精密加工是一項集技術(shù)、工藝和匠心于一體的綜合性工程。它不僅要求加工設(shè)備的高度精密和加工技術(shù)的不斷創(chuàng)新，更要求加工人員的精湛技藝和對品質(zhì)的極致追求。在這個充滿挑戰(zhàn)和機遇的時代，我們有理由相信，在精密加工技術(shù)的推動下，發(fā)動機的性能將不斷攀升，為人類的工業(yè)發(fā)展寫下更加輝煌的篇章。
測量
葉片作為發(fā)動機的相關(guān)重要部件之一，其在航空發(fā)動機制造中所占比重約為30%。
由于葉片形狀復(fù)雜、尺寸跨度大（長度從20mm~800mm）、受力惡劣、承載最大，且在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速的工況下運轉(zhuǎn)，使得發(fā)動機的性能在很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計制造水平。
為滿足發(fā)動機高性能、可靠性及壽命的要求，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金、高溫合金等材料制成；同時由于葉片空氣動力學(xué)特性的要求，葉型必須具有精確的尺寸、準(zhǔn)確的形狀和嚴(yán)格的表面完整性。
隨著航空發(fā)動機性能要求越來越高，各大主機生產(chǎn)廠對葉片加工精度要求也越來越高。目前，航空發(fā)動機的葉片制造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄造等。其中，數(shù)控銑削加工由于加工精度高、切削穩(wěn)定、工藝成熟度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。
然而由于葉片零件壁薄、葉身扭曲大、型面復(fù)雜，容易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響了葉片的加工精度和表面質(zhì)量。如何嚴(yán)格控制葉片的加工誤差，保證良好的型面精度，成為檢測工作關(guān)注的重點。
葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規(guī)律形成的空間曲面，由于葉片形狀復(fù)雜特殊、尺寸眾多、公差要求嚴(yán)格，所以葉片型線的參數(shù)沒有固定的規(guī)律，葉片型面的復(fù)雜性和多樣性使葉片的測量變得較為困難。
傳統(tǒng)的檢測方法無法科學(xué)地指導(dǎo)葉片的生產(chǎn)加工，隨著汽輪機、燃氣機等制造業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)動機不斷更新?lián)Q代，提高發(fā)動機的安全性和可靠性；先進技術(shù)的體現(xiàn)在于葉片的改進與創(chuàng)新，從而必須提高葉片制造技術(shù)水平，同時要求葉片加工測量實現(xiàn)數(shù)字化，體現(xiàn)其精準(zhǔn)度，精確給出葉片各點實際數(shù)值與葉片理論設(shè)計的誤差。
且隨著我國航空發(fā)動機制造企業(yè)的迅猛發(fā)展，發(fā)動機葉片數(shù)量大、種類多，檢測技術(shù)面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。
目前，在國內(nèi)的葉片檢測過程中，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)樣板測量手段仍占主導(dǎo)地位，效率低下、發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約著設(shè)計、制造和檢測的一體化進程。
為適應(yīng)快速高效檢測要求，目前西方發(fā)達國家已普遍采用三坐標(biāo)測量機對葉片進行檢測。
由于航空發(fā)動機葉片的數(shù)量大、檢測項目多，三坐標(biāo)檢測技術(shù)的引入很大程度地改善了葉片制造過程中檢測周期長、檢測結(jié)果不準(zhǔn)確以及由于和外方檢測方式不一致所導(dǎo)致的檢測結(jié)果差異過大的問題。
三坐標(biāo)檢測所特有的適用性強、適用面廣、檢測快速、結(jié)果準(zhǔn)確的這一優(yōu)點，使得三坐標(biāo)測量機在葉片生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
近年來，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量機在葉片生產(chǎn)主機廠家逐漸得到普及。
但由于葉片型面復(fù)雜、精度要求高，不同廠家的測量方式、測量流程和數(shù)據(jù)處理方式不同，導(dǎo)致葉片的測量結(jié)果不一致，測量工作反復(fù)，嚴(yán)重制約著葉型檢測效率的提高。
葉型檢測難點具體表現(xiàn)為：
?。?）測量精度和效率要求高。葉片型面的測量精度直接反映制造精度，通常要求測量精度達到10μm，甚至1μm。
因此對測量環(huán)境要求嚴(yán)格苛刻，通常需要專門的測量室。葉片是批量生產(chǎn)零件，數(shù)量成千上萬，應(yīng)盡可能提高測量速度和效率。生產(chǎn)車間和測量室之間的反復(fù)運輸和等待，使得檢測效率低下。
?。?）測量可靠性要求高。葉片測量和數(shù)據(jù)處理結(jié)果應(yīng)反映葉片的實際加工狀態(tài)，這樣才能保證葉片的制造質(zhì)量。
?。?）數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜。葉片參考紙上不但有葉型、弦長、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求，還有葉片的形狀輪廓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、偏移等形位誤差要求。
利用三坐標(biāo)測量機獲取的測量數(shù)據(jù)存在噪點，通常需要對原始的測量點集進一步簡化，提取不同的尺寸和特征參數(shù)；還需進行復(fù)雜的配準(zhǔn)運算，迭代求解葉片的形位誤差。
其中算法選用不同得到的誤差評定結(jié)果各有差異，導(dǎo)致整個處理過程復(fù)雜。
葉片測量新技術(shù)
?。?）基于數(shù)字樣板葉型檢測方法。
標(biāo)準(zhǔn)樣板是根據(jù)葉片的理論型線設(shè)計制造的與葉型截面對應(yīng)的母模量具，使用葉片固定座（即型面測具）把葉片固定后，用處于理想位置的葉盆標(biāo)準(zhǔn)樣板和葉背標(biāo)準(zhǔn)樣板檢查葉盆、葉背型面間隙，并反復(fù)調(diào)整葉片空間位置，以型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據(jù)。
葉型設(shè)計參考多以透光度，或相對誤差來表示，如±0.15mm。這個比對誤差實際上并不是單純的形狀誤差，而是形狀誤差、尺寸誤差、位置誤差三者的綜合體。
針對標(biāo)準(zhǔn)樣板法的特點和存在的缺點，西北工業(yè)大學(xué)研究了基于數(shù)字樣板的檢測方法。
數(shù)字樣板檢測方法是基于標(biāo)準(zhǔn)樣板法的原理，利用數(shù)字化測量手段獲取測量數(shù)據(jù)，然后利用虛擬的數(shù)字樣板，與實測的數(shù)據(jù)進行匹配，在公差約束條件下達到最佳匹配。最后在該最佳姿態(tài)下，求解葉型各項形位誤差。
下文將數(shù)字樣板檢測方法歸納為三個主要過程：實物樣板數(shù)字化、匹配過程模型化、誤差評定過程自動化。實物樣板數(shù)字化是將傳統(tǒng)的實物樣板轉(zhuǎn)換為CAD模型，以數(shù)字模型的方式進行樣板比對和誤差評定。
由葉片設(shè)計模型構(gòu)造的三維CAD模型，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息、基準(zhǔn)信息，是數(shù)字樣板法誤差評定的模型基礎(chǔ)，可以進行表面輪廓度分析、葉型特征參數(shù)和形位誤差的分析和評定。
對于數(shù)字樣板法的原始測量點集，主要通過CMM測量獲得。在數(shù)字樣板構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過匹配過程的模型化對測量數(shù)據(jù)和數(shù)字樣板自動進行調(diào)整。
針對數(shù)字樣板法中的原始測量數(shù)據(jù)，通常需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，獲取真實有效的型面測量數(shù)據(jù)參與數(shù)字樣板檢測。
其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括測量點去噪、測頭半徑補償、坐標(biāo)變換、測量點與曲面的配準(zhǔn)、測量點排序等。其中，數(shù)據(jù)處理的第一步，就是對得到的型面測量點進行去噪，篩選有效的測量數(shù)據(jù)。
其次，CMM測量得到的數(shù)據(jù)是測頭球心數(shù)據(jù)，必須進行測頭半徑補償。對于葉片測量時的裝夾引起的系統(tǒng)誤差，在樣板匹配前必須進行坐標(biāo)系對齊來消除。
（2）葉片高速連續(xù)掃描技術(shù)。
為提高整體葉盤葉片的檢測效率，雷尼紹公司近年來開發(fā)了SPRINT高速掃描系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)的機內(nèi)測量技術(shù)相比，SPRINT葉片測量系統(tǒng)可以顯著縮短測量循環(huán)時間，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結(jié)果，可以為葉片自適應(yīng)加工、工序間檢測等提供很好的檢測數(shù)據(jù)。
葉片測量分析軟件可通過數(shù)控機床控制器上的Productivity+?CNC plug-in直接運行，因此測量數(shù)據(jù)可通過宏變量自動提供給數(shù)控機床，也可以自動提供給連接的計算機進行下游數(shù)據(jù)處理。
SPRINT系統(tǒng)配備的OSP60 SPRINT測頭每秒可以采集1000個3D數(shù)據(jù)點，從而可以滿足葉片在機快速檢測的要求。
利用SPRINT系統(tǒng)進行測量時，在CNC機床上分別從四個方向?qū)θ~片進行測量，從而避免在測量過程中發(fā)生測頭與工件之間的碰撞干涉。
在測量之后，四部分的測量數(shù)據(jù)將被拼合成一個完整的葉片測量數(shù)據(jù)集。SPRINT系統(tǒng)可以用于加工過程中工序間的檢測，以確保產(chǎn)品的加工過程正確。同時，還可以作為加工完之后的質(zhì)量檢測使用。
加工過程中以及加工后的型面誤差檢測是確保葉片加工質(zhì)量符合公差要求的必要手段。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸發(fā)展處快速、簡易、高效的葉片測量與數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
同時，隨著智能加工技術(shù)的發(fā)展，在機快速檢測技術(shù)將推動葉片加工質(zhì)量與成品率的提升。在這一發(fā)展過程中，需要重視和建立葉片在機測量和加工質(zhì)量的評估標(biāo)準(zhǔn)，從而為這類技術(shù)的推廣使用奠定基礎(chǔ)。
質(zhì)量控制
航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的核心部件之一，發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計和制造水平。
發(fā)動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強大的動力來推動飛機前進的工作，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發(fā)動機的推進效率的大小。
參考1 JAT生產(chǎn)的航空發(fā)動機
什么是發(fā)動機葉片
參考2各類型葉片
航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的核心部件之一，發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計和制造水平（各類型葉片如參考2所示）。
葉片是一類典型的自由曲面零件，發(fā)動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產(chǎn)生強大的動力來推動飛機前進的工作，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發(fā)動機的推進效率的大小，
參考3為噴氣發(fā)動機的渦輪葉片。
參考3噴氣發(fā)動機的渦輪葉片
葉片質(zhì)量為何如此重要
在航空發(fā)動機中，葉片型面的復(fù)雜程度非常高，尺寸跨度大，而且承載也比較大，如參考4、5所示。
葉片的工作性能受到其幾何形狀和尺寸的直接影響，當(dāng)葉片型面的質(zhì)量比較差時，發(fā)動機會承受二次流損耗，進而影響能量轉(zhuǎn)換效率。
基于此，在進行葉片型面制造時，要對質(zhì)量十分的注重，通過檢測技術(shù)的有效應(yīng)用，提升提高葉片型面制造的質(zhì)量，并保證航空發(fā)動機的性能。
參考4復(fù)雜發(fā)動機葉片
參考5GE9X發(fā)動機的薄葉片
怎樣控制葉片質(zhì)量
葉片質(zhì)量控制的主要手段為檢測，當(dāng)前，比較常用的發(fā)動機壓氣機葉片型面檢測技術(shù)比較多，下面主要為大家介紹幾種葉片型面檢測技術(shù)，以便于提升檢測工作的有效性，保證葉片制造的質(zhì)量，提升航空發(fā)動機的性能。
參考6工程師檢查發(fā)動機葉片
參考7工程師檢查發(fā)動機葉片
參考8測量發(fā)動機葉片
幾種葉片檢測技術(shù)
電感測量技術(shù)
對于機械位移量，通過電感方法對其進行轉(zhuǎn)換，變成電量之后進行放大、處理，最后，將機械位移量顯示出來，這種測量方法就是電感測量。
在利用電感測量方法檢測時，不能單獨進行使用，需要配備相應(yīng)的測量機械裝置，以便于對被測零件進行定位，并將傳感器固定。
優(yōu)點：簡便性比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的測量，而且測量的精度和效率都比較高。在進行航空發(fā)動機壓氣機葉片型面檢測時，經(jīng)常使用此種方法。
參考11渦輪葉片探傷
局限：從理論上來說，檢測時葉片各個部位的形狀可以通過加密測點的方法來進行，不過，在使用加密測點方法后，檢測的復(fù)雜程度提升，尤其是葉片型面型線的測量，由于測量點比較多，測量無法有效的保證。
光學(xué)投影檢測技術(shù)
利用光學(xué)投影檢測技術(shù)對葉片型面進行檢測時，需要借助相應(yīng)的光學(xué)投影設(shè)備，通常來說，斷面投影儀以及光學(xué)跟蹤投影儀是比較常用的兩個設(shè)備。
參考12光學(xué)投影檢測
優(yōu)點：通過光學(xué)投影設(shè)備的屏幕，檢測人員可以直接的觀看葉型；經(jīng)過放大之后，將其與理想葉型對比，進而準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)實際葉型與理想葉型之間存在的差異，從而有針對性的對實際葉型進行改進，保證葉片制造的質(zhì)量。
參考13光學(xué)投影檢測環(huán)路
局限：在進行檢查時，葉片表面反射能力會在很大程度上影響檢測結(jié)果，導(dǎo)致檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性降低；另外，屏幕也具備一定的限制性，只有弦寬不大的葉子才能利用此種檢測技術(shù)進行檢測。
三坐標(biāo)測量技術(shù)
在三坐標(biāo)測量技術(shù)中，參考系為空間直角坐標(biāo)系，機械零件在利用此種技術(shù)檢測時，輪廓上各被測點的坐標(biāo)值可以準(zhǔn)確的測量出來，同時，還可以處理數(shù)據(jù)群，將零件各個幾個元素形位尺寸計算出來。
參考14三坐標(biāo)測量技術(shù)測量葉片坐標(biāo)
優(yōu)點：測量對象數(shù)字化；利用誤差補償技術(shù)，測量精度顯著提升；利用算法靈活的軟件，提升檢測的有效性；自動化測量，減少人力使用，節(jié)約檢測成本，提升檢測質(zhì)量，從設(shè)計到制造到檢測，實現(xiàn)一體化。
參考15三坐標(biāo)測量技術(shù)曲線偏差評估
局限：測量機所需花費的成本比較高，對工作環(huán)境的要求比較高，功能冗余的專業(yè)性比較差，測量軟件需要進行二次開發(fā)，測量效率比較差，而且測量時間比較長。
標(biāo)準(zhǔn)樣板法
將標(biāo)準(zhǔn)樣板和實際葉片對應(yīng)檢測截面靠近，在照明燈光的輔助下，根據(jù)二者之間漏光間隙的大小，來對實際葉片與標(biāo)準(zhǔn)樣板之間的誤差進行估計。
參考16獲得標(biāo)準(zhǔn)樣板
參考17標(biāo)準(zhǔn)樣板
優(yōu)點：檢測時速度比較快，而且操作比較簡單，比較適合在現(xiàn)場使用。在進行葉片加工時，標(biāo)準(zhǔn)樣板法得到了比較廣泛的應(yīng)用。
參考18標(biāo)準(zhǔn)樣板用于模型比對
局限：零件合格與否的檢測為定性檢測，測量精度比較差；樣板與葉型型線之間具備對應(yīng)關(guān)系，一個樣板只能檢測與其對應(yīng)的葉片截面的一條型線，因此需要很多數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)樣板才能完成檢測，花費的檢測成本比較高。
因此，在當(dāng)前的葉片型面檢測中，只有工序間型面檢測才會應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)樣板法。
激光測量技術(shù)
參考19激光振動計檢測發(fā)動機葉片
比較典型的激光測量技術(shù)主要有兩種，
一種是四坐標(biāo)激光測量，一種是激光掃描測量。
四坐標(biāo)激光測量的基礎(chǔ)為三坐標(biāo)測量，增加精密轉(zhuǎn)臺，通過非接觸式激光側(cè)頭完成測量；激光掃描測量為高速掃描葉片，借助激光光束，在進行掃描時，獲取葉片型面大量點云數(shù)據(jù)，形成點云參考，以標(biāo)準(zhǔn)葉片的CAD模型為參考依據(jù)，進行對比分析，找出存在的誤差。
參考20接觸式激光三角測量
參考21激光測量葉片傾角
優(yōu)點：檢測速度比較快，采樣頻率比較高，具備比較高的檢測效果。
局限：測量精度稍差。在實際的航空發(fā)動機壓氣機葉面型面檢測中，應(yīng)用還比較少。
文章來源：航空制造網(wǎng)
葉片材料
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參考1所示：
參考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（組成如參考2，參考3所示）。
參考2航空燃氣輪機
參考3燃氣渦輪噴射機引擎的示意參考（參考中我們可以看到不同部位的能量大?。?br /> 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；
參考4燃氣渦輪的示意參考
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(jì)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(jì)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。
參考5高溫合金材料及其微觀結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)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。
參考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。
參考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)
參考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(jì)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。
參考9單晶合金葉片的有限元分析
參考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)展歷程如參考11所示。
參考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。
參考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(jì)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：
?。?）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。
?。?）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。
參考13渦輪葉片的設(shè)計創(chuàng)新
參考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(yán)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??；
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：
?。?）抗氧化性能差；
?。?）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。
冷卻關(guān)鍵技術(shù)
對于渦扇發(fā)動機而言，提高渦輪進口燃氣溫度對于改善發(fā)動機性能，如增大發(fā)動機推力，提高發(fā)動機的效率和發(fā)動機的推重比都具有極其重要的意義。
然而，渦輪進口燃氣溫度卻受渦輪材料的耐熱能力所限制。
目前，先進航空渦扇發(fā)動機的渦輪進口燃氣溫度已經(jīng)達到1800K~2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁面溫度。參考1給出了渦輪進口燃氣溫度的逐年變化趨勢。
目前，渦輪葉片冷卻技術(shù)普遍應(yīng)用于大型航空渦扇發(fā)動機，而在彈用渦扇發(fā)動機上的應(yīng)用相對較少。
但隨著國內(nèi)外導(dǎo)彈的不斷發(fā)展進步，要求導(dǎo)彈飛的更高、更快、更遠，同時又不能過多增加發(fā)動機的尺寸和重量，這就對彈用發(fā)動機的性能提出了更高的要求，為了滿足導(dǎo)彈這種研制模式的需求，彈用渦扇發(fā)動機采用渦輪葉片冷卻技術(shù)已成為一種必然的發(fā)展趨勢。
1、渦輪葉片冷卻技術(shù)的基本原理
能在高溫、高速、高壓（簡稱“三高”條件下穩(wěn)定工作是現(xiàn)代渦扇發(fā)動機對渦輪性能提出的最基本要求。
對于氣流而言，溫度、速度和壓力是密切相關(guān)的三個參量，于是“三高”要求最終就體現(xiàn)在盡可能提高渦輪進口燃氣溫度上面，而渦輪進口燃氣溫度也就成了衡量發(fā)動機性能好壞的一個關(guān)鍵性指標(biāo)。
根據(jù)計算，渦輪進口燃氣溫度每提高55°C，在發(fā)動機尺寸不變的條件下，發(fā)動機推力約可提高10%?？梢?，提高渦輪進口燃氣溫度有很高的實用價值，但由于渦輪葉片材料可承受的溫度有限，這就需要對渦輪葉片采用冷卻技術(shù)來提高這一指標(biāo)。
航空發(fā)動機冷卻技術(shù)很復(fù)雜，并且各個發(fā)動機制造廠采用的技術(shù)各不相同，甚至相同的發(fā)動機制造廠為各種不同型號的發(fā)動機使用了不同的冷卻系統(tǒng)。
發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要保證系統(tǒng)在運行時,葉片表面最高溫度和溫度梯度與設(shè)計壽命規(guī)定的最大葉片熱應(yīng)力相適應(yīng)。
冷卻工質(zhì)太少會導(dǎo)致葉片溫度較高，從而降低熱部件工作可靠性，縮短熱部件壽命，但冷卻工質(zhì)太多又會降低發(fā)動機性能。
因而必須合理設(shè)計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，以使冷卻用的壓氣機抽氣量最小，同時能提高渦輪進口燃氣溫度，達到最大效益。
目前，國內(nèi)外廣泛采用的是開式冷卻方法，即冷卻空氣從壓氣機引出，冷卻渦輪后排入渦輪通道與燃氣混合。參考2為典型的發(fā)動機冷卻供氣系統(tǒng)。
該方案比較簡單，結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)，而且不用額外負載大量的冷卻氣；缺點是引走了部分經(jīng)過壓氣機壓縮的空氣，消耗能量，而且隨著增壓比和飛行速度的增加，冷卻空氣本身溫度增高，冷卻效果變差。
對于不同的冷卻方式，其基本的冷卻原理是冷氣從葉片下部進入葉片內(nèi)部，通過冷卻通道對葉片的內(nèi)表面進行有效的冷卻，然后由葉片上的小孔流出對葉片外表面進行冷卻保護。
2、國外研究現(xiàn)狀
由于渦輪進口燃氣溫度的重要性，這一指標(biāo)總是作為發(fā)動機發(fā)展的一個重要標(biāo)志。
20世紀(jì)70年代，渦輪進口燃氣的溫度為1600K~1700K；90年代末已達2112K；而本世紀(jì)初將要達到2300K~2400K；平均每年以15K~20K的速度遞增。
然而，高溫合金耐溫程度的發(fā)展速度卻遠遠滯后于這一水平，而且據(jù)估計，高溫合金的允許工作溫度不會超過1500K。
這樣，除了發(fā)展新材料和新結(jié)構(gòu)之外，在不改變目前可用金屬材料的情況下，要保證燃燒室和燃氣渦輪這兩個主要的熱端部件可靠地工作并達到要求的使用壽命，唯一可行的便是采取冷卻和熱防護措施。
事實證明，冷卻技術(shù)的效果極為顯著，20世紀(jì)60年代，采用冷卻技術(shù)而帶來的冷卻溫降為60K~100K，70年代中期冷卻溫降為300K,目前冷卻溫降已達400K~600K;而且隨著冷卻方法的不斷改進，冷卻溫降還有可能達到一個新的水平。
目前，先進發(fā)動機的渦輪進口燃氣溫度已達到了2000K左右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，可見冷卻設(shè)計的重要性和迫切性。
因此，國外很多航空航天先進國家都在大力研究發(fā)展冷卻技術(shù)，而且先進的冷卻設(shè)計能夠帶來巨大的經(jīng)濟和使用效益，主要體現(xiàn)在以下5個方面：
因提高渦輪進口燃氣溫度而提高了發(fā)動機性能；
因允許使用更簡單的材料而降低了成本；
因減少金屬壁厚度而減輕了重量；
因減小了冷氣消耗量而提高了效率；
因延長部件壽命進而延長了發(fā)動機的使用期限。
目前，國外廣泛用于航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻的基本冷卻技術(shù)主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻、肋壁強化換熱、繞流柱強化換熱等。參考3為常用典型渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)。
3、發(fā)展趨勢
美國國防部開展的綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)計劃制定了詳細明確的部件級目標(biāo)。對于渦輪部件，其研究目標(biāo)是渦輪進口燃氣溫度提高500K，冷卻空氣減少60%，質(zhì)量減少50%，單級載荷增加50%，生產(chǎn)成本和維修成本降低10%。
為實現(xiàn)這些目標(biāo)，必須面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。該計劃提及的三大技術(shù)難題是：在不增加損失和極限載荷的情況下提高級載荷；在不增加轉(zhuǎn)子質(zhì)量的情況下為提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速而設(shè)計渦輪盤和葉片附件；在減少冷氣流量的情況下提高燃氣進口溫度的困難。
英國也相應(yīng)開展了“先進核心軍用發(fā)動機”（AC-ME）的研究，計劃把推重比為20定為2020年的目標(biāo)，到那時發(fā)動機的渦輪進口燃氣溫度將達到2400K。
為了解決更高溫度帶來的一系列問題，在提高材料的耐熱性，發(fā)展高性能耐熱合金，并制造單晶葉片的同時，就要發(fā)展采用更先進的冷卻技術(shù)，以少量的冷卻空氣獲得更高的降溫效果。
目前國外冷卻技術(shù)的發(fā)展方向是挖掘現(xiàn)有冷卻方式的潛力，精細組織冷卻氣流提高冷卻效果；發(fā)展新的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻方式。新型冷卻技術(shù)有層板冷卻和復(fù)合冷卻技術(shù)。
3.1層板冷卻技術(shù)
層板冷卻技術(shù)始于Colladay提出的一個理論：在燃氣輪機高溫部件的冷卻中，為了有效利用冷氣，在形成氣膜之前一定要增強內(nèi)部對流換熱，即可以通過內(nèi)部對流冷卻、沖擊冷卻、擾流柱、肋壁等強化換熱方式對葉片進行冷卻。
基于這種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。其基本原理類似于多孔發(fā)散冷卻。冷氣在層板內(nèi)部許多細小的通道內(nèi)流過并吸收熱量，然后從氣膜孔流出。參考4給出了層板冷卻的結(jié)構(gòu)示意參考。
3.2復(fù)合冷卻技術(shù)
復(fù)合冷卻技術(shù)（見參考5)就是在渦輪葉片上同時使用多種冷卻技術(shù)，但并不是簡單的組合，因為不同冷卻方式之間會產(chǎn)生相互的影響，比如冷卻氣流經(jīng)過肋的擾動形成的二次流會對氣膜孔的出流產(chǎn)生—定的影響。
因此，復(fù)合冷卻的研究相對比較復(fù)雜，目前國內(nèi)外在這方面的研究還不是很多。
3.3冷卻葉片設(shè)計優(yōu)化
在發(fā)展冷卻技術(shù)的同時，渦輪冷卻葉片的設(shè)計優(yōu)化也非常重要。目前，美國等西方發(fā)達國家正在努力發(fā)展航空發(fā)動機及渦輪冷卻葉片的多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)（MDO)，包括優(yōu)化理論與算法、計算流體力學(xué)方法、多學(xué)科耦合分析等，取得了很大的進步，出現(xiàn)了多種MDO軟件。
4、關(guān)鍵技術(shù)
渦輪冷卻技術(shù)的研究在國外已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了顯著的成果，總結(jié)出了一些渦輪冷卻設(shè)計方面的經(jīng)驗和方法。
但是由于渦輪冷卻技術(shù)具有多學(xué)科的復(fù)雜性，至今并不算十分完善，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，以進一步提高渦輪冷卻的效率。
在后續(xù)渦輪冷卻技術(shù)的研究中如下關(guān)鍵技術(shù)和研究方向有待關(guān)注：
研究合理的渦輪冷卻葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。選擇合理的冷卻結(jié)構(gòu)，降低冷卻結(jié)構(gòu)對葉片強度、氣流流動的影響;
設(shè)計有效的渦輪葉片冷卻系統(tǒng)，必須充分了解渦輪內(nèi)部詳細的燃氣流動特性，準(zhǔn)確預(yù)測葉片的冷卻效果和熱分布，防止出現(xiàn)局部熱斑；
完善冷卻系統(tǒng)和向流通通道放氣的方法。目的是減小所需的冷卻空氣流量和所用的能量，以及附加損失；
減少冷卻系統(tǒng)的空氣泄流（采用的方法有密封冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用渦輪導(dǎo)向器裝置等），以及發(fā)動機工作在低負荷時，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)；
研究冷卻結(jié)構(gòu)和工藝方法，以提高渦輪冷卻效率。如在葉片上涂隔熱涂層、冷卻氣路設(shè)計等。
5、結(jié)束語
本文通過對國外的渦輪葉片冷卻技術(shù)發(fā)展及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，認為采用渦輪葉片冷卻技術(shù)能夠大幅度提高渦扇發(fā)動機的性能，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。
目前，國外先進的航空發(fā)動機基本均已采用此項技術(shù)。對于彈用渦扇發(fā)動機而言，隨著導(dǎo)彈的不斷發(fā)展，對發(fā)動機的要求越來越高，采用渦輪葉片冷卻技術(shù)將是一個必然的發(fā)展趨勢。
參考6渦輪葉片的發(fā)展歷程
因此，加大研究力度，注重吸取國外的先進技術(shù)和經(jīng)驗，強調(diào)理論研究和試驗相結(jié)合。相信渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展必將把彈用渦扇發(fā)動機推向一個新的高度。
單晶葉片
概述
渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發(fā)動機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)動機熱端部件中，渦輪葉片承受發(fā)動機起動、停車循環(huán)的高溫燃氣沖刷、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度、熱機械疲勞強度、抗硫化介質(zhì)腐蝕等。
先進航空發(fā)動機的燃氣進口溫度達1380℃，推力達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)動機先進程度的重要標(biāo)志,從某種意義上說，未來發(fā)動機葉片的鑄造工藝直接決定了發(fā)動機的性能,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度、持久強度和蠕變強度，要有良好的疲勞強度及抗氧化、耐燃氣腐蝕性能和適當(dāng)?shù)乃苄?。此外，還要求長期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強度、可鑄性及較低的密度。
燃機功率的不斷提高,是靠提高透平進氣溫度來實現(xiàn)的,需要采用承溫能力愈來愈高的先進葉片。
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)動機的核心技術(shù),正是先進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)今最先進的軍用和商用航空發(fā)動機發(fā)揮關(guān)鍵作用。
目前,單晶葉片不僅早已安裝在所有先進航空發(fā)動機上,也越來也多地用在了重型燃氣輪機上。
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)動機上，然后在民用飛機上使用PWA1422定向葉片，到80年代又在F100發(fā)動機上使用PWA1480單晶葉片.
從此，定向和單晶葉片成為各類先進發(fā)動機的重要特色，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持久強度達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、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到1650℃。
導(dǎo)向葉片用金屬間化合物合金在1200℃，100h持久強度達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℃。
目前幾乎所有先進航空發(fā)動機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F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型發(fā)動機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、坦克、艦船、工業(yè)燃氣輪機、導(dǎo)彈、火箭、航天飛機等。
渦輪葉片制造技術(shù)
渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細晶強化、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。
現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪前溫度大大提升，F(xiàn)119發(fā)動機渦輪前溫度高達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?、蠟?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下進行。
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。
尖端形核法示意參考
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)動機的渦輪葉片使用第三代單晶合金CMSX-10制造，工作溫度達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)動機渦輪葉片。
目前先進的燃氣渦輪發(fā)動機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發(fā)動機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9萬片。
據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在至少有六種軍用機和民航機使用了單晶鑄造葉片，工作時數(shù)達960萬h，這些飛機包括F-16、波音767、空客A310、AH-1T直升機、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步，研制并批量生產(chǎn)了高功重比渦軸發(fā)動機單晶渦輪葉片。
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)進步,將研究出超過現(xiàn)有合金強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),單晶合金仍將是燃氣渦輪發(fā)動機最重要的材料。
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)動機可望投入使用，到那時軍、民用飛機的性能必將有大幅度的提高。
HPT葉片俗稱航空工業(yè)皇冠上的明珠，技術(shù)含量極高，可以說代表了一個國家航空工業(yè)水平的高低，就算報廢不裝機使用的退役葉片都具有較高的收藏價值和教學(xué)科研價值，而且市場流通的量非常有限，價值不菲。
五、結(jié)語
精密特種加工技術(shù)作為未來制造業(yè)的重要發(fā)展方向之一，正以其高精度、高效率和高靈活性的特點引領(lǐng)著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。我們有理由相信，在不久的將來，精密特種加工技術(shù)www.xhdly.top將為我們帶來更多驚喜和變革，推動制造業(yè)邁向更加美好的未來。
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