導語

葉片是一種特殊的零件弊肢，它數(shù)量多躬摆，形狀復雜露龙，要求高扼希，加工難度大，而且是故障多發(fā)的零件一直以來各發(fā)動機廠的生產(chǎn)的關鍵寒圃，因此對其投入的人力、物力惶政、財力都是比較大的背涉，而且國內外發(fā)動機廠家正以最大的努力來提高葉片的性能，生產(chǎn)能力及質量移必，以滿足需要室谚。

測量

葉片作為發(fā)動機的相關重要部件之一，其在航空發(fā)動機制造中所占比重約為30%崔泵。

由于葉片形狀復雜秒赤、尺寸跨度大（長度從20mm~800mm）、受力惡劣憎瘸、承載最大入篮，且在高溫、高壓和高轉速的工況下運轉幌甘，使得發(fā)動機的性能在很大程度上取決于葉片型面的設計制造水平潮售。

為滿足發(fā)動機高性能、可靠性及壽命的要求锅风，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金酥诽、高溫合金等材料制成；同時由于葉片空氣動力學特性的要求皱埠，葉型必須具有精確的尺寸肮帐、準確的形狀和嚴格的表面完整性。

隨著航空發(fā)動機性能要求越來越高番搅，各大主機生產(chǎn)廠對葉片加工精度要求也越來越高代徒。目前，航空發(fā)動機的葉片制造方法主要有電解加工气弥、銑削加工驮荚、精密鍛造蔼紫、精密鑄造等。其中兆送，數(shù)控銑削加工由于加工精度高恒焕、切削穩(wěn)定、工藝成熟度高等優(yōu)點而被廣泛應用棺距。

然而由于葉片零件壁薄余二、葉身扭曲大、型面復雜榴蜻，容易產(chǎn)生變形秕肌，嚴重影響了葉片的加工精度和表面質量。如何嚴格控制葉片的加工誤差瞎喉，保證良好的型面精度好唯，成為檢測工作關注的重點。

葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規(guī)律形成的空間曲面燥翅，由于葉片形狀復雜特殊骑篙、尺寸眾多、公差要求嚴格森书，所以葉片型線的參數(shù)沒有固定的規(guī)律靶端，葉片型面的復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地指導葉片的生產(chǎn)加工凛膏，隨著汽輪機杨名、燃氣機等制造業(yè)的發(fā)展，要求發(fā)動機不斷更新?lián)Q代猖毫，提高發(fā)動機的安全性和可靠性台谍；先進技術的體現(xiàn)在于葉片的改進與創(chuàng)新，從而必須提高葉片制造技術水平鄙麦，同時要求葉片加工測量實現(xiàn)數(shù)字化典唇，體現(xiàn)其精準度，精確給出葉片各點實際數(shù)值與葉片理論設計的誤差胯府。

且隨著我國航空發(fā)動機制造企業(yè)的迅猛發(fā)展贾焊，發(fā)動機葉片數(shù)量大、種類多痪猛，檢測技術面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)占赤。

目前，在國內的葉片檢測過程中算换，傳統(tǒng)的標準樣板測量手段仍占主導地位嫩玻，效率低下、發(fā)展緩慢，嚴重制約著設計尘腕、制造和檢測的一體化進程

為適應快速高效檢測要求刨税，目前西方發(fā)達國家已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測。

由于航空發(fā)動機葉片的數(shù)量大摸马、檢測項目多筏所，三坐標檢測技術的引入很大程度地改善了葉片制造過程中檢測周期長、檢測結果不準確以及由于和外方檢測方式不一致所導致的檢測結果差異過大的問題五逢。

三坐標檢測所特有的適用性強蜀悯、適用面廣、檢測快速竹观、結果準確的這一優(yōu)點镐捧，使得三坐標測量機在葉片生產(chǎn)企業(yè)得到廣泛應用。

近年來臭增，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展懂酱，三坐標測量機在葉片生產(chǎn)主機廠家逐漸得到普及。

但由于葉片型面復雜誊抛、精度要求高玩焰，不同廠家的測量方式、測量流程和數(shù)據(jù)處理方式不同芍锚，導致葉片的測量結果不一致，測量工作反復蔓榄，嚴重制約著葉型檢測效率的提高并炮。

葉型檢測難點具體表現(xiàn)為：

（1）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甥郑，通常要求測量精度達到10μm逃魄，甚至1μm。

因此對測量環(huán)境要求嚴格苛刻澜搅，通常需要專門的測量室窄兜。葉片是批量生產(chǎn)零件，數(shù)量成千上萬屋犯，應盡可能提高測量速度和效率恤兴。生產(chǎn)車間和測量室之間的反復運輸和等待，使得檢測效率低下滑期。

（2）測量可靠性要求高闽但。葉片測量和數(shù)據(jù)處理結果應反映葉片的實際加工狀態(tài)，這樣才能保證葉片的制造質量账阳。

（3）數(shù)據(jù)處理過程復雜阁喉。葉片圖紙上不但有葉型、弦長狡氏、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求噪设，還有葉片的形狀輪廓碗挟、彎曲、扭轉乔墙、偏移等形位誤差要求竞谒。

利用三坐標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壳影，提取不同的尺寸和特征參數(shù)拱层；還需進行復雜的配準運算，迭代求解葉片的形位誤差宴咧。

其中算法選用不同得到的誤差評定結果各有差異根灯，導致整個處理過程復雜。

葉片測量新技術

（1）基于數(shù)字樣板葉型檢測方法掺栅。

標準樣板是根據(jù)葉片的理論型線設計制造的與葉型截面對應的母模量具烙肺，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準樣板和葉背標準樣板檢查葉盆氧卧、葉背型面間隙桃笙，并反復調整葉片空間位置，以型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據(jù)沙绝。

葉型設計圖多以透光度搏明，或相對誤差來表示，如±0.15mm闪檬。這個比對誤差實際上并不是單純的形狀誤差星著，而是形狀誤差、尺寸誤差坐署、位置誤差三者的綜合體良稽。

針對標準樣板法的特點和存在的缺點，西北工業(yè)大學研究了基于數(shù)字樣板的檢測方法玻岳。

數(shù)字樣板檢測方法是基于標準樣板法的原理坞裂，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)字樣板别孵，與實測的數(shù)據(jù)進行匹配声碴，在公差約束條件下達到最佳匹配。最后在該最佳姿態(tài)下葛窜，求解葉型各項形位誤差溺六。

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、匹配過程模型化达华、誤差評定過程自動化伪给。實物樣板數(shù)字化是將傳統(tǒng)的實物樣板轉換為CAD模型，以數(shù)字模型的方式進行樣板比對和誤差評定。

由葉片設計模型構造的三維CAD模型盲如，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息姓迅、基準信息，是數(shù)字樣板法誤差評定的模型基礎俊马，可以進行表面輪廓度分析丁存、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柴我，主要通過CMM測量獲得解寝。在數(shù)字樣板構造的基礎上，通過匹配過程的模型化對測量數(shù)據(jù)和數(shù)字樣板自動進行調整艘儒。

針對數(shù)字樣板法中的原始測量數(shù)據(jù)聋伦，通常需要進行數(shù)據(jù)預處理，獲取真實有效的型面測量數(shù)據(jù)參與數(shù)字樣板檢測界睁。

其中觉增，數(shù)據(jù)預處理包括測量點去噪、測頭半徑補償翻斟、坐標變換逾礁、測量點與曲面的配準、測量點排序等访惜。其中栗柴，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净彼，篩選有效的測量數(shù)據(jù)忙坡。

其次， CMM測量得到的數(shù)據(jù)是測頭球心數(shù)據(jù)燥纹，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)誤差琴邻，在樣板匹配前必須進行坐標系對齊來消除捍椎。

（2）葉片高速連續(xù)掃描技術。

為提高整體葉盤葉片的檢測效率赂燎，雷尼紹公司近年來開發(fā)了SPRINT高速掃描系統(tǒng)飞熙。

與傳統(tǒng)的機內測量技術相比，SPRINT葉片測量系統(tǒng)可以顯著縮短測量循環(huán)時間向膏，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結果豪纸，可以為葉片自適應加工、工序間檢測等提供很好的檢測數(shù)據(jù)逞迟。

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直接運行岩喷，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)點纱意，從而可以滿足葉片在機快速檢測的要求婶溯。

利用SPRINT系統(tǒng)進行測量時，在CNC機床上分別從四個方向對葉片進行測量偷霉，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迄委。

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)集类少。SPRINT系統(tǒng)可以用于加工過程中工序間的檢測叙身，以確保產(chǎn)品的加工過程正確。同時硫狞，還可以作為加工完之后的質量檢測使用信轿。

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量符合公差要求的必要手段。隨著測量技術的不斷發(fā)展妓忍，逐漸發(fā)展處快速虏两、簡易、高效的葉片測量與數(shù)據(jù)處理技術世剖。

同時充贿，隨著智能加工技術的發(fā)展，在機快速檢測技術將推動葉片加工質量與成品率的提升菲贝。在這一發(fā)展過程中差炮，需要重視和建立葉片在機測量和加工質量的評估標準，從而為這類技術的推廣使用奠定基礎威跟。

質量控制

航空發(fā)動機葉片是發(fā)動機的核心部件之一戴砍，發(fā)動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。

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往茄，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枯邓。 

圖1 JAT生產(chǎn)的航空發(fā)動機 

什么是發(fā)動機葉片

圖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計和制造水平（各類型葉片如圖2所示）乘占。

葉片是一類典型的自由曲面零件掰媚，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笔畜，

圖3為噴氣發(fā)動機的渦輪葉片习棋。

圖3噴氣發(fā)動機的渦輪葉片 

葉片質量為何如此重要 

在航空發(fā)動機中，葉片型面的復雜程度非常高呐粘，尺寸跨度大满俗，而且承載也比較大，如圖4作岖、5所示唆垃。

葉片的工作性能受到其幾何形狀和尺寸的直接影響五芝，當葉片型面的質量比較差時，發(fā)動機會承受二次流損耗降盹，進而影響能量轉換效率与柑。

基于此，在進行葉片型面制造時蓄坏，要對質量十分的注重价捧，通過檢測技術的有效應用，提升提高葉片型面制造的質量涡戳，并保證航空發(fā)動機的性能结蟋。

圖4復雜發(fā)動機葉片

圖5GE9X發(fā)動機的薄葉片

怎樣控制葉片質量

葉片質量控制的主要手段為檢測，當前渔彰，比較常用的發(fā)動機壓氣機葉片型面檢測技術比較多嵌屎，下面主要為大家介紹幾種葉片型面檢測技術，以便于提升檢測工作的有效性胯挚，保證葉片制造的質量滴督，提升航空發(fā)動機的性能。

圖6工程師檢查發(fā)動機葉片

圖7工程師檢查發(fā)動機葉片

 
圖8測量發(fā)動機葉片 

幾種葉片檢測技術

電感測量技術

對于機械位移量咨桶，通過電感方法對其進行轉換瘫碾，變成電量之后進行放大、處理椎敞，最后奴爷，將機械位移量顯示出來，這種測量方法就是電感測量配籽。

在利用電感測量方法檢測時擂门，不能單獨進行使用，需要配備相應的測量機械裝置飞席，以便于對被測零件進行定位自畔，并將傳感器固定。

優(yōu)點：簡便性比較高村秒，能夠實現(xiàn)直觀的測量杨匕，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雕擂，經(jīng)常使用此種方法。 

圖11渦輪葉片探傷

局限：從理論上來說贱勃，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井赌，不過，在使用加密測點方法后贵扰，檢測的復雜程度提升仇穗，尤其是葉片型面型線的測量流部，由于測量點比較多，測量無法有效的保證纹坐。

光學投影檢測技術

利用光學投影檢測技術對葉片型面進行檢測時枝冀，需要借助相應的光學投影設備，通常來說耘子，斷面投影儀以及光學跟蹤投影儀是比較常用的兩個設備果漾。

圖12光學投影檢測

優(yōu)點：通過光學投影設備的屏幕，檢測人員可以直接的觀看葉型谷誓；經(jīng)過放大之后绒障，將其與理想葉型對比，進而準確的發(fā)現(xiàn)實際葉型與理想葉型之間存在的差異蕾崔，從而有針對性的對實際葉型進行改進场恬，保證葉片制造的質量。

 
圖13光學投影檢測環(huán)路

局限：在進行檢查時氧蔼，葉片表面反射能力會在很大程度上影響檢測結果吝寒，導致檢測結果的準確性降低；另外夫蚜，屏幕也具備一定的限制性办煞，只有弦寬不大的葉子才能利用此種檢測技術進行檢測。

三坐標測量技術

在三坐標測量技術中奖卒，參考系為空間直角坐標系均膛，機械零件在利用此種技術檢測時，輪廓上各被測點的坐標值可以準確的測量出來淘巩，同時服英，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遇穷。 

 圖14三坐標測量技術測量葉片坐標 

優(yōu)點：測量對象數(shù)字化探橱；利用誤差補償技術，測量精度顯著提升绘证；利用算法靈活的軟件隧膏，提升檢測的有效性；自動化測量嚷那，減少人力使用胞枕，節(jié)約檢測成本，提升檢測質量魏宽，從設計到制造到檢測腐泻，實現(xiàn)一體化。 

圖15三坐標測量技術曲線偏差評估 

局限：測量機所需花費的成本比較高队询，對工作環(huán)境的要求比較高派桩，功能冗余的專業(yè)性比較差构诚，測量軟件需要進行二次開發(fā)，測量效率比較差铆惑，而且測量時間比較長范嘱。

標準樣板法

將標準樣板和實際葉片對應檢測截面靠近，在照明燈光的輔助下员魏，根據(jù)二者之間漏光間隙的大小斤间，來對實際葉片與標準樣板之間的誤差進行估計。

圖16獲得標準樣板 

圖17標準樣板

優(yōu)點：檢測時速度比較快沫跨，而且操作比較簡單仿扩，比較適合在現(xiàn)場使用。在進行葉片加工時祖销，標準樣板法得到了比較廣泛的應用种鳖。

圖18標準樣板用于模型比對

局限：零件合格與否的檢測為定性檢測，測量精度比較差夕荆；樣板與葉型型線之間具備對應關系哈滥，一個樣板只能檢測與其對應的葉片截面的一條型線，因此需要很多數(shù)量的標準樣板才能完成檢測添毒，花費的檢測成本比較高喷总。

因此，在當前的葉片型面檢測中植西，只有工序間型面檢測才會應用標準樣板法柳卒。

激光測量技術 

圖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主要有兩種，一種是四坐標激光測量宫屠，一種是激光掃描測量列疗。

四坐標激光測量的基礎為三坐標測量，增加精密轉臺浪蹂，通過非接觸式激光側頭完成測量抵栈；激光掃描測量為高速掃描葉片，借助激光光束坤次，在進行掃描時古劲，獲取葉片型面大量點云數(shù)據(jù)，形成點云圖缰猴，以標準葉片的CAD模型為參考依據(jù)产艾，進行對比分析，找出存在的誤差滑绒。

圖20接觸式激光三角測量

角

圖21激光測量葉片傾 

優(yōu)點：檢測速度比較快闷堡，采樣頻率比較高，具備比較高的檢測效果蹬挤。

局限：測量精度稍差缚窿。在實際的航空發(fā)動機壓氣機葉面型面檢測中，應用還比較少锤塘。

文章來源：航空制造網(wǎng)

葉片材料

一妨舟、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)動機伦够，Turbofan—渦輪風扇發(fā)動機邦叶，

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绅厘，基本原理大同小異尺笼，包括燃氣渦輪噴氣發(fā)動機等等都包含在內。

它主要由進氣道（Intake）缤纽、壓氣機（compressor）林下、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）讨绝、噴管（Exhaust）等部分構成（組成如圖2腋芜，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辛逞А）

它的工作原理是：新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機后花炭，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躲履，然后進入渦輪段推動渦輪见间，將燃氣的焓和動能轉換成機械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出工猜。

二米诉、渦輪發(fā)動機性能與葉片材料的關系

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域慷，可以使得航空燃氣渦輪發(fā)動機在尺寸小荒辕、重量輕的情況下獲得高性能；

 
圖4 燃氣渦輪的示意圖

例如犹褒，渦輪進口溫度每提高 100 ℃抵窒，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 ℃左右叠骑，預計未來新一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的渦輪進口溫度有望達到 1800 ℃左右李皇。

據(jù)報道，自 20世紀 60 年代中期至 80 年代中期宙枷，渦輪進口溫度平均每年提高 15 ℃掉房，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 所示昏个。

可見蟋扩，材料的發(fā)展對提高渦輪進口溫度起到了至關重要的作用捉肄。

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南翻，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常苍，使其使用溫度有一個飛躍的提高，達到了800 ℃水平绵布，掀起了渦輪葉片用材料的第一次革命鸵丸。

圖5 高溫合金材料及其微觀結構

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)展肪禾，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料贪焊。

 
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晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長袁羔，改善了合金的強度和塑性惦肴，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應力軸的橫向晶界挠疲，進一步減少了鑄造疏松链患、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 定向凝固高溫合金瓶您，在80K/cm的溫度梯度下麻捻，有和沒有0.5T的橫向磁場B的縱向微觀結構

圖8定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下呀袱，有和沒有0.5T的橫向磁場B的橫向微觀結構

單晶合金渦輪葉片定向凝固技術的進一步發(fā)展贸毕，其耐溫能力、蠕變度夜赵、熱疲勞強度明棍、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)動機界的普遍認可寇僧，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摊腋，成為二世紀 80 年代以來航空發(fā)動機的重大技術之一，掀了渦輪葉片用材料的第二次革命嘁傀。

 
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構

各代發(fā)動機渦輪葉片結構與選材發(fā)展歷程如圖11所示兴蒸。

 
圖11各代發(fā)動機渦輪葉片結構與選用材料的發(fā)展歷程

以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4细办，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间歌，通過加入3%的錸元素、適當增大了和鉬元素的含量认施，使其工作溫度提高了30 ℃鹅址，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)化妨谦，提高原子半徑大的難溶元素的總含量特別是加入高達5wt％以上的錸巡雄，顯著提高高溫蠕變強度，1150 ℃的持久壽命大于150小時显而，遠遠高于第一代單晶合金約10小時的壽命屠睡，并獲得高強度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能其摘。

美國和日本相繼開發(fā)出了第四代單晶合金，通過添加釕烘俱，進一步高了合金微觀結構的穩(wěn)定性均天，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倍绘辈，使用溫度達到了1200 ℃恢着。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年內持續(xù)改善财破，單晶合金鑄造技術成為現(xiàn)今的主流

四掰派、渦輪葉片設計思想簡述

完整的渦輪葉片選材工作主要包括：

葉片結構設計

葉片強度設計

葉片材料設計

葉片制造工藝設計

葉片使用過程中的故障模式分析

渦輪葉片結構設計是葉片選材的出發(fā)點，20 世紀 90 年代以來左痢，世界航空發(fā)動機設計與制造商在各種新型發(fā)動機渦輪葉片的設計上大都采用了先進的復合傾斜靡羡、端壁斜率和曲率控制等技術。

該技術的劣勢在于：

（1）給單晶生長控制帶來很大困難俊性；由于凝固過程中的溫度場與溫度梯度分布復雜略步，一旦結構的突變區(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)生分支或停滯定页，就容易形成新的晶粒而破壞葉片單晶生長的完整性趟薄，降低葉片局部的力學性能。

（2）單晶葉片制造工序繁多典徊，過程復雜杭煎，在表面處理、氣膜孔加工卒落、噴涂涂層等過程中非常容易產(chǎn)生外來應力枝徙，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顺丸。

圖13渦輪葉片的設計創(chuàng)新

 
圖14 渦輪葉片冷卻膜冷卻孔

從材料學的角度來看东呻，決定渦輪葉片材料破壞的主要參數(shù)是溫度、時間骂蒙、應力草吠、環(huán)境氣氛和材料的微觀結構狀態(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燎隅，而應力的參數(shù)則難以確定程堤，因為實際葉片都是在復雜應力狀態(tài)下工作的，材料的微觀結構狀態(tài)則是以上四種狀態(tài)變量的體現(xiàn)扁奔。

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谍线，不僅處于腐蝕性的燃氣包圍中，而且還承受高溫和高應力的作用暖谚；

因此工斤，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节猿，即具有高的持久強度極限和蠕變極限票从；

第二，要保證材料在使用壽命下具有良好的組織穩(wěn)定性滨嘱、再結晶傾向盡可能蟹灞伞；

第三太雨，要具有良好的物理性能吟榴，如較低的密度、良好的導熱性能囊扳、較小的線膨脹系數(shù)吩翻；

第四，要具有良好的工藝性能锥咸；

第五仿野，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她君。

五脚作、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 ℃狈合，與合金的初熔溫度相比僅有不足200 ℃的差距卓瞻，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捏描，采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計能夠使轉子質量減輕30%左右更扰。

缺點是：

（1）抗氧化性能差；

（2）高溫強度相對較低肘蜘。

總的來看装呢，目前以上兩種新型材料的技術成熟度都不能滿足未來新一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的設計使用要求，渦輪葉片用材料的第三次革命還須等待讽空，在未來的一段時間內乌烫，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材料。

六、結論

從航空發(fā)動機渦輪葉片的發(fā)展歷程來看忍症，材料蔑枣、工藝與設計一體化的趨勢越加明顯。發(fā)動機設計是由低水平向高水平發(fā)展稽及，葉片材料設計也是如此仿吞，設計階段不同，設計要求不同捡偏，設計方法不同唤冈，采用的材料和制造工藝也不相同。

因此银伟，必須根據(jù)葉片結構設計要求不斷開發(fā)新型高溫材料你虹，擴大葉片選材范圍，保證發(fā)動機性能的不斷提高枣申。

冷卻關鍵技術

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)動機性能看杭，如增大發(fā)動機推力忠藤，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。

然而楼雹，渦輪進口燃氣溫度卻受渦輪材料的耐熱能力所限制模孩。

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贮缅，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度榨咐，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。圖1給出了渦輪進口燃氣溫度的逐年變化趨勢焕鲸。

目前忿韧，渦輪葉片冷卻技術普遍應用于大型航空渦扇發(fā)動機，而在彈用渦扇發(fā)動機上的應用相對較少落寡。

但隨著國內外導彈的不斷發(fā)展進步成止，要求導彈飛的更高、更快痒仆、更遠揣蒿，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豪服，為了滿足導彈這種研制模式的需求刨德，彈用渦扇發(fā)動機采用渦輪葉片冷卻技術已成為一種必然的發(fā)展趨勢。

1吁巫、渦輪葉片冷卻技術的基本原理

能在高溫汰日、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。

對于氣流而言裕坊，溫度包竹、速度和壓力是密切相關的三個參量，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籍凝，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鍵性指標周瞎。

根據(jù)計算，渦輪進口燃氣溫度每提高55°C饵蒂，在發(fā)動機尺寸不變的條件下声诸，發(fā)動機推力約可提高10%⊥硕ⅲ可見彼乌，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渊迁，這就需要對渦輪葉片采用冷卻技術來提高這一指標慰照。

航空發(fā)動機冷卻技術很復雜，并且各個發(fā)動機制造廠采用的技術各不相同琉朽，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)毒租。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計要保證系統(tǒng)在運行時,葉片表面最高溫度和溫度梯度與設計壽命規(guī)定的最大葉片熱應力相適應。

冷卻工質太少會導致葉片溫度較高箱叁，從而降低熱部件工作可靠性凳渗，縮短熱部件壽命，但冷卻工質太多又會降低發(fā)動機性能裹依。

因而必須合理設計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)呢呕，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帐捺，達到最大效益框碾。

目前，國內外廣泛采用的是開式冷卻方法赫捕，即冷卻空氣從壓氣機引出惋蛉，冷卻渦輪后排入渦輪通道與燃氣混合。圖2為典型的發(fā)動機冷卻供氣系統(tǒng)脸鸿。

該方案比較簡單鹅但，結構上容易實現(xiàn)，而且不用額外負載大量的冷卻氣显艘；缺點是引走了部分經(jīng)過壓氣機壓縮的空氣协熙，消耗能量，而且隨著增壓比和飛行速度的增加炭庙，冷卻空氣本身溫度增高饲窿，冷卻效果變差煌寇。

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部逾雄，通過冷卻通道對葉片的內表面進行有效的冷卻阀溶，然后由葉片上的小孔流出對葉片外表面進行冷卻保護。

2鸦泳、國外研究現(xiàn)狀

由于渦輪進口燃氣溫度的重要性银锻，這一指標總是作為發(fā)動機發(fā)展的一個重要標志。

20世紀70年代做鹰，渦輪進口燃氣的溫度為1600K~1700K击纬；90年代末已達2112K；而本世紀初將要達到2300K~2400K钾麸；平均每年以15K~20K的速度遞增更振。

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饭尝，而且據(jù)估計肯腕，高溫合金的允許工作溫度不會超過1500K。

這樣坏表，除了發(fā)展新材料和新結構之外缆月，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折甸，唯一可行的便是采取冷卻和熱防護措施瑟哺。

事實證明颂梆，冷卻技術的效果極為顯著闷邑，20世紀60年代，采用冷卻技術而帶來的冷卻溫降為60K~100K览雁，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峦拥，冷卻溫降還有可能達到一個新的水平。

目前胜通，先進發(fā)動機的渦輪進口燃氣溫度已達到了2000K左右歧坚，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，可見冷卻設計的重要性和迫切性宅溃。

因此沛药，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，而且先進的冷卻設計能夠帶來巨大的經(jīng)濟和使用效益甚负，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)動機性能柬焕；

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梭域；

因減小了冷氣消耗量而提高了效率斑举；

因延長部件壽命進而延長了發(fā)動機的使用期限搅轿。

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主要有氣膜冷卻富玷、沖擊冷卻璧坟、發(fā)散冷卻、肋壁強化換熱赎懦、繞流柱強化換熱等雀鹃。圖3為常用典型渦輪葉片冷卻結構。

3铲敛、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(IHPTET)計劃制定了詳細明確的部件級目標褐澎。對于渦輪部件，其研究目標是渦輪進口燃氣溫度提高500K伐蒋，冷卻空氣減少60%工三，質量減少50%，單級載荷增加50%曲苛，生產(chǎn)成本和維修成本降低10%舍娜。

為實現(xiàn)這些目標，必須面臨一系列技術挑戰(zhàn)岖习。該計劃提及的三大技術難題是：在不增加損失和極限載荷的情況下提高級載荷谨敏；在不增加轉子質量的情況下為提高轉子的轉速而設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创撼。

英國也相應開展了“先進核心軍用發(fā)動機”（AC-ME）的研究考皂，計劃把推重比為20定為2020年的目標，到那時發(fā)動機的渦輪進口燃氣溫度將達到2400K曼中。

為了解決更高溫度帶來的一系列問題遗酷，在提高材料的耐熱性，發(fā)展高性能耐熱合金肯绅，并制造單晶葉片的同時笛驴，就要發(fā)展采用更先進的冷卻技術，以少量的冷卻空氣獲得更高的降溫效果芽接。

目前國外冷卻技術的發(fā)展方向是挖掘現(xiàn)有冷卻方式的潛力饵逐，精細組織冷卻氣流提高冷卻效果；發(fā)展新的冷卻結構和冷卻方式彪标。新型冷卻技術有層板冷卻和復合冷卻技術倍权。

3.1層板冷卻技術

層板冷卻技術始于Colladay提出的一個理論：在燃氣輪機高溫部件的冷卻中，為了有效利用冷氣捞烟，在形成氣膜之前一定要增強內部對流換熱薄声，即可以通過內部對流冷卻、沖擊冷卻坷襟、擾流柱奸柬、肋壁等強化換熱方式對葉片進行冷卻生年。

基于這種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結構。其基本原理類似于多孔發(fā)散冷卻廓奕。冷氣在層板內部許多細小的通道內流過并吸收熱量抱婉，然后從氣膜孔流出。圖4給出了層板冷卻的結構示意圖桌粉。

3.2復合冷卻技術

復合冷卻技術（見圖5)就是在渦輪葉片上同時使用多種冷卻技術蒸绩，但并不是簡單的組合，因為不同冷卻方式之間會產(chǎn)生相互的影響铃肯，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—定的影響独溯。

因此，復合冷卻的研究相對比較復雜宦逃，目前國內外在這方面的研究還不是很多葬爽。

3.3冷卻葉片設計優(yōu)化

在發(fā)展冷卻技術的同時，渦輪冷卻葉片的設計優(yōu)化也非常重要柄哀。目前嘱董，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科優(yōu)化技術（MDO)，包括優(yōu)化理論與算法把丹、計算流體力學方法图兑、多學科耦合分析等，取得了很大的進步躯法，出現(xiàn)了多種MDO軟件蔫卦。

4、關鍵技術

渦輪冷卻技術的研究在國外已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史滚蚪，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了顯著的成果桨座，總結出了一些渦輪冷卻設計方面的經(jīng)驗和方法。

但是由于渦輪冷卻技術具有多學科的復雜性拷肌，至今并不算十分完善到旦，還有許多關鍵技術需要解決旨巷，以進一步提高渦輪冷卻的效率巨缘。

在后續(xù)渦輪冷卻技術的研究中如下關鍵技術和研究方向有待關注：

研究合理的渦輪冷卻葉片結構設計方法。選擇合理的冷卻結構采呐，降低冷卻結構對葉片強度若锁、氣流流動的影響;

設計有效的渦輪葉片冷卻系統(tǒng)，必須充分了解渦輪內部詳細的燃氣流動特性斧吐，準確預測葉片的冷卻效果和熱分布又固，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煤率。目的是減小所需的冷卻空氣流量和所用的能量仰冠，以及附加損失乏冀；

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)，應用渦輪導向器裝置等）洋只，以及發(fā)動機工作在低負荷時辆沦，關閉冷卻系統(tǒng)；

研究冷卻結構和工藝方法驮尘，以提高渦輪冷卻效率丛滋。如在葉片上涂隔熱涂層、冷卻氣路設計等温辉。

5技窝、結束語

本文通過對國外的渦輪葉片冷卻技術發(fā)展及相關關鍵技術的研究，認為采用渦輪葉片冷卻技術能夠大幅度提高渦扇發(fā)動機的性能亡铺，并且具有廣泛的應用前景叙冕。

目前，國外先進的航空發(fā)動機基本均已采用此項技術厕猴。對于彈用渦扇發(fā)動機而言梢跳，隨著導彈的不斷發(fā)展，對發(fā)動機的要求越來越高十旗，采用渦輪葉片冷卻技術將是一個必然的發(fā)展趨勢仲峡。

圖6 渦輪葉片的發(fā)展歷程

因此，加大研究力度溯内，注重吸取國外的先進技術和經(jīng)驗酵逾，強調理論研究和試驗相結合。相信渦輪葉片冷卻技術的發(fā)展必將把彈用渦扇發(fā)動機推向一個新的高度闷畸。

單晶葉片

概述

渦輪葉片也稱動葉片尝盼，是渦輪發(fā)動機中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉動部件佑菩。

在航空發(fā)動機熱端部件中盾沫，渦輪葉片承受發(fā)動機起動、停車循環(huán)的高溫燃氣沖刷殿漠、溫度交變赴精，轉子葉片受高轉速下的離心力作用，要求材料在高溫下具有一定蠕變強度绞幌、熱機械疲勞強度蕾哟、抗硫化介質腐蝕等。

先進航空發(fā)動機的燃氣進口溫度達1380℃莲蜘，推力達226KN谭确。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應力大約140MPa票渠；葉根部分承受平均應力為280~560MPa,相應的葉身承受溫度為650~980℃逐哈，葉根部分約為760℃芬迄。

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)水平的顯著標志蒙玩。

因此谷娇，渦輪葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強度乞而、持久強度和蠕變強度番官，要有良好的疲勞強度及抗氧化、耐燃氣腐蝕性能和適當?shù)乃苄陨选４送夥部€要求長期組織穩(wěn)定性孙悦、良好的抗沖擊強度、可鑄性及較低的密度幅瑞。

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疤巩。

除了高溫條件,熱端葉片的工作環(huán)境還處在高壓、高負荷蒙便、高震動狮屏、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。

復雜單晶空心渦輪葉片已經(jīng)成為當前高推重比發(fā)動機的核心技術,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的出現(xiàn), 使單晶制備技術在當今最先進的軍用和商用航空發(fā)動機發(fā)揮關鍵作用仓陆。

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瞎嬉。    

發(fā)展歷史

20世紀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厚柳，使合金的晶粒沿熱流流失方向定向排列氧枣，基本消除垂直于應力軸的薄弱的橫向晶界，這使鑄造合金的力學性能又上一個新臺階别垮。

70～80年代便监，又由鑄造的多品結構發(fā)展為定向結晶結構，現(xiàn)在已實現(xiàn)能將整個葉片鑄成一個晶體碳想，即單晶葉片烧董，單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠胧奔，都由毫無缺陷的多相單晶體組成逊移。

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葡盗。

渦輪葉片合金的承溫能力

20世紀70年代螟左，美國首先用在軍用發(fā)動機上啡浊，然后在民用飛機上使用PWA1422定向葉片觅够，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)動機的重要特色扳辆，定向凝固技術的發(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尽由，渦輪葉片開始用第一代單晶高溫合金PWA1480和RenéN4等爹蒋。

隨后采用第二代單晶合金PWA1484，在1100℃野戏、100h持久強度達140MPa遵非。20世紀90年代后研制第三代單晶合金有RenéN6、CMRX-10哺挺、添加錸(5%～7%)或鎢和鉭等元素华媳，提高合金的熔點、初熔溫度暴姓、使用溫度娇紊。

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)勢湿儡。通過葉片內孔冷卻 (≥ 400℃)和表面隔熱涂層(≥150℃)触茎，從而使渦輪前溫度達到1650℃。

導向葉片用金屬間化合物合金在1200℃处榔，100h持久強度達100MPa希俩。1550℃以下陶瓷復合材料及1650℃以上C/C 復合材料是渦輪葉片和導向葉片的后繼材料。

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℃纲辽。

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)颜武，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公司拖吼、GE公司盒刚、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,品種包括渦輪葉片绿贞、導向葉片因块、葉片內外環(huán)、噴嘴扇形段籍铁、封嚴塊涡上、燃油噴嘴等,用于軍用和商用飛機、坦克拒名、艦船吩愧、工業(yè)燃氣輪機、導彈增显、火箭慎瓮、航天飛機等。 

渦輪葉片制造技術

渦輪葉片的發(fā)展經(jīng)歷了細晶強化伊丘、定向凝固和鑄造單晶三個階段捧法。

半個多世紀以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀 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℃裹五，而每提高 25℃從工作效率的角度來說就相當于提高葉片工作壽命 3 倍之多卦须。

應該說，這一巨大成就是葉片合金捅县、鑄造工藝摊壳、葉片設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猪晰，F(xiàn)119 發(fā)動機渦輪前溫度高達 1900~2050K粒颂，傳統(tǒng)工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至會被熔化状寨，無法有效地工作风捌。

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妄迁，從而消除了等軸晶和定向結晶葉片多晶體結構造成晶界間在高溫性能方面的缺陷寝蹈。

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、周期最長登淘、合格率最低箫老、國外封鎖和壟斷最為嚴格的發(fā)動機零件。

制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯黔州、修芯耍鬓、型芯燒結、型芯檢驗流妻、型芯與外型模具的匹配牲蜀、蠟模壓注、蠟模X 光檢驗绅这、蠟模壁厚檢測涣达、蠟模修整、蠟模組合证薇、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)及澆冒口組合度苔、涂料撤砂、殼型干燥猬肖、殼型脫蠟余窖、殼型焙燒、葉片澆注函以、單晶凝固森片、清殼吹砂、初檢轨畏、熒光檢查毯炊、脫芯令袒、打磨、弦寬測量答海、葉片X 光檢查捷嘁、X 光底片檢查绵盔、型面檢查壁万、精修葉片、葉片壁厚檢測璃璧、終檢等制造環(huán)節(jié)荔鸵。

除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設計和制造工作踊跟。

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

從加工工藝上來分踩验，高溫合金有變形、鑄造和粉末高溫合金商玫。從上世紀 40年代起至今箕憾，鑄造高溫合金有了很大的發(fā)展。

包括鎳基和鈷基合金拳昌，經(jīng)常使用的合金不下幾十種袭异。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炬藤、改善枝晶偏析和冶金缺陷御铃。

各種渦輪工作葉片的晶體結構

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

1）液相法

液相法是從液體中結晶出單晶體的方法。

基本原理是設法使液體結晶時只有一個晶核形成并長大缰寻，它可以是事先制備好的籽晶（小尺寸單晶）脯黎，也可以是在液體中析出的晶核。

液體可以是水溶液忆帐，但更多的是高溫下的熔體兵正。

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梢纫，將籽晶放在籽晶桿上窖硝，下降到與熔體接觸，然后使坩堝溫度緩慢下降汤浊，并向上旋轉提拉籽晶桿邓晃，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。

為保證材料純度纤票，避免非均勻形核嗓钦，全部操作應在真空或惰性氣體保護下進行。 

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

          
 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啄巧。

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性能。

通常把常見的單晶選晶器歸納為 4 種類型: 轉折型掌栅、傾斜型秩仆、尺度限制型(縮頸選晶器)和螺旋型。螺旋型選晶器是目前應用最廣泛也是最成功的選晶器類型猾封。

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澄耍。

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)或加工后的殘余應力引發(fā)的再結晶所造成的等軸晶形核。

同時忘衍，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逾苫。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反應制備單晶體的方法枚钓。包括升華法（如硫化鎘和硫化鋅單晶）馅块、氣相反應法（如氧化鋅、氮化鋁和氮化釩單晶）喳卫、氣相分解法（如低價氧化物和金屬單晶）吨争、氣相外延法（如砷化鎵、磷化鎵硫红、砷化銦和磷化銦單晶）绊蚯。

       化學氣相沉積合成石墨烯

應用差距 

國內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℃综姜。我國第一代單晶合金為DD3箭堆，于20世紀90年代用于航空發(fā)動機渦輪葉片，該合金相當于美國第一代單晶合金PWA1480挽钧。

我國第二代單晶合金DD6也用于航空發(fā)動機渦輪葉片猿异。

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熊朵，承受著最苛刻的工作條件兢涡，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的第三代單晶赛喊，使渦輪進口溫度提高了80℃，接近材料的初熔溫度局待。美國普惠公司建立了單晶葉片生產(chǎn)線斑响，年產(chǎn)量達9萬片。

據(jù)統(tǒng)計钳榨，現(xiàn)在至少有六種軍用機和民航機使用了單晶鑄造葉片舰罚，工作時數(shù)達960萬h，這些飛機包括F-16重绷、波音767沸停、空客A310膜毁、AH-1T直升機昭卓、米格-29、蘇-27等瘟滨。

單晶渦輪葉片候醒，目前世界上只有美國、俄羅斯杂瘸、英國倒淫、法國、中國等少數(shù)幾個國家能夠制造败玉。近年來祭静，國內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)動機單晶渦輪葉片爵路。   

展望未來

20世紀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姻粱。

在本世紀,通過優(yōu)化的合金設計,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。

在本世紀的相當長時期內,單晶合金仍將是燃氣渦輪發(fā)動機最重要的材料你浸。

目前正在大力開發(fā)陶瓷等新材料研镀、新技術，估計在不遠的將來节暇，新的焙檀、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裝備起來的航空發(fā)動機可望投入使用忿奈，到那時軍辟瞄、民用飛機的性能必將有大幅度的提高。

（藍色碳能 ）

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