在燃?xì)廨啓C和航空發(fā)動機中，渦輪葉片由于處在溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜榨降、環(huán)境最惡劣的部位，而被列為第一關(guān)鍵件顿豹，其性能水平是一個型號發(fā)動機先進(jìn)程度的重要標(biāo)志扇牢。為滿足性能水平的提升，從設(shè)計端采用了許多新材料跋擅、新結(jié)構(gòu)椰陋，這就要求制造端研發(fā)出新的更優(yōu)工藝來加以實現(xiàn)。通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)沪曙，多見渦輪葉片各專業(yè)單個技術(shù)難點突破的報道奕污，本文則著眼于燃?xì)廨啓C渦輪葉片制造全流程萎羔，以滿足設(shè)計需求為出發(fā)點，對渦輪制造的關(guān)鍵工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向進(jìn)行闡述碳默。

1贾陷、燃?xì)廨啓C渦輪葉片的設(shè)計與制造實現(xiàn)方式

1.1　燃?xì)廨啓C的發(fā)展與渦輪葉片的設(shè)計依據(jù)

20世紀(jì)中葉以來，燃?xì)廨啓C為現(xiàn)代航空動力奠定了基礎(chǔ)嘱根。如今髓废，燃?xì)廨啓C在世界不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了更多更廣泛的應(yīng)用。如圖1所示该抒，目前世界上正在服役與在研中的燃?xì)廨啓C可按結(jié)構(gòu)形式與用途分類慌洪，按結(jié)構(gòu)形式可分為重型、中型和微型燃?xì)廨啓C凑保；按用途主要可分為航空動力裝置用燃?xì)廨啓C蒋譬、艦船動力裝置用燃?xì)廨啓C與發(fā)電用燃?xì)廨啓C。其中愉适，發(fā)電用燃?xì)廨啓C占據(jù)了世界燃?xì)廨啓C市場的大部分寓蔼，而重型燃?xì)廨啓C（Heavy-duty Gas Turbine，HDGT）因其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高韩艾、污染排放少筛六、投資低、建設(shè)周期短吭芯、用地用水量少等優(yōu)點通溜，逐漸成為世界各國不可或缺的戰(zhàn)略能源裝備。

圖1-重型燃?xì)廨啓C渦輪前進(jìn)氣溫度與聯(lián)合循環(huán)效率

燃?xì)廨啓C是典型的高技術(shù)密集型產(chǎn)品兰歼，自1939年第一臺燃?xì)廨啓C在瑞士誕生以來溪毕，HDGT的渦輪前的進(jìn)氣溫度由最初的550 ℃提高到了現(xiàn)如今的1 600 ℃ ，單循環(huán)效率由17.4%提高到了40%以上廊擦，單機功率也由最初的4 MW提高到了470 MW穿汽。使用大于1 600 ℃ 渦輪前進(jìn)氣溫度的先進(jìn)燃?xì)廨啓C所能達(dá)到的聯(lián)合循環(huán)電廠效率可達(dá)62%以上。

大多數(shù)HDGT由壓氣機觉浦、燃燒室和高溫渦輪三大核心部件組成题束，基于此三大核心部件，HDGT的基本工作原理可分為絕熱壓縮院仿、定壓吸熱秸抚、絕熱膨脹和定壓放熱四個階段，其循環(huán)效率可由公式（1）得出歹垫。

式中：ηGT為HDGT的循環(huán)效率剥汤，K為絕熱指數(shù)，π是壓氣機壓縮比，τ為增溫比吭敢，ηturb為渦輪內(nèi)效率慈迈，ηcomb為壓氣機內(nèi)效率。由此式可以知道省有，通過提高壓縮比和增溫比可以顯著提高HDGT的循環(huán)效率痒留。當(dāng)今HDGT壓氣機壓縮比已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，只有不斷提高渦輪前的進(jìn)氣溫度才能不斷地有效提高HDGT的循環(huán)效率蠢沿。經(jīng)過70多年的發(fā)展伸头，先后研究生產(chǎn)了第一代E/D級HDGT（渦輪前進(jìn)氣溫度＜1 000 ℃ ），第二代F/G級HDGT（渦輪前進(jìn)氣溫度＜1 500 ℃ ）和第三代H/J級HDGT（渦輪前進(jìn)氣溫度＞1 600 ℃ ）舷蟀，目前基本形成了以GE恤磷、SIEMENS、三菱戈勾、安薩爾多公司為主的產(chǎn)品體系绷煎，代表了當(dāng)今世界燃?xì)廨啓C制造業(yè)的最高水平。

透平葉片是燃?xì)廨啓C的心臟户痒，承受最高的進(jìn)氣溫度火毕，為了保證燃?xì)廨啓C安全可靠地運行，必須保證渦輪葉片材料能在高溫下保持足夠的強度赠槽，在頻繁的熱振和高污染工況下保持較好的耐久性剃炬。這種要求給渦輪葉片的設(shè)計指明了方向：①耐高溫材料；②冷卻設(shè)計幢戳；③熱障涂層莫诲。

1.2　渦輪葉片的設(shè)計思路

20世紀(jì)50年代，為了滿足第一代航空燃?xì)廨啓C的使用需求外抓，開發(fā)了第一代鑄造高溫合金渦輪葉片撇涡，其使用溫度達(dá)到了800 ℃ 。后期蜓呀，隨著真空熔煉技術(shù)與精密鑄造工藝的蓬勃發(fā)展糜曲，一大批使用溫度更高、性能更好的高溫合金開始涌現(xiàn)出來昌罩，這期間鑄造高溫合金逐步成為燃?xì)廨啓C渦輪葉片的主選材料哭懈。隨后，定向凝固茎用、粉末冶金、單晶合金睬罗、等溫鍛造轨功、陶瓷凝固等一大批新工藝的應(yīng)用造就了高溫合金在燃汽輪機領(lǐng)域大放異彩的局面，尤其是定向凝固工藝的應(yīng)用造就了使用溫度接近合金熔點~90%的第三代鑄造高溫合金。現(xiàn)階段幾乎所有先進(jìn)發(fā)動機都采用第四代定向凝固單晶鑄造高溫合金來制作高溫區(qū)工作的葉片古涧。

燃機的熱效率和輸出功率隨著進(jìn)氣溫度的提升而大幅增加垂券，相關(guān)研究表明，渦輪進(jìn)口溫度每提高40 ℃羡滑，燃機熱效率可提高1.5%菇爪，功率相應(yīng)增加10%，隨著燃?xì)廨啓C渦輪進(jìn)口溫度的提高柒昏，渦輪葉片的工作溫度也不斷提高凳宙，但是葉片材料的耐熱溫度每年提高約8 ℃ 的速度小于燃?xì)廨啓C初始溫度提升的速度。這種材料性能供不應(yīng)求的局面倒逼渦輪葉片構(gòu)型設(shè)計轻调，催生了更為先進(jìn)的高效冷卻結(jié)構(gòu)和涂層技術(shù)尽诀，尤其是冷卻技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⑷~片的承溫能力提升300~500 ℃ ，而先進(jìn)的熱障涂層又能夠?qū)⑷~片的承溫能力提升150~200 ℃皮匪。

1.3　制造渦輪葉片的實現(xiàn)途徑

渦輪葉片發(fā)展至今是葉片設(shè)計陆宝、合金、鑄造工藝涮观、加工以及表面涂層工藝共同發(fā)展所做出的共同貢獻(xiàn)】幼矗現(xiàn)階段，先進(jìn)的渦輪葉片設(shè)計幾乎都采用了單晶梳让、空心刀雳、復(fù)合氣膜冷卻以及陶瓷層熱障涂層結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)渦輪葉片的制造生產(chǎn)須基于渦輪葉片的設(shè)計方案估曾，經(jīng)歷毛坯鑄件制備粪世，機械加工和涂層三大主要步驟。

在研在用的高溫合金有等軸鑄造高溫合金（國內(nèi)牌號通常以K開頭）黔章、定向鑄造高溫合金（國內(nèi)牌號通常以DZ開頭）和單晶合金（國內(nèi)牌號通常以DD開頭）胁塞。采用不同材料的渦輪葉片的鑄造工藝不盡相同，其中最復(fù)雜也是成本最高的是單晶合金的鑄造工藝压语。鑄造單晶高溫合金首先需經(jīng)過多次真空熔煉以嚴(yán)格控制合金中的雜質(zhì)元素啸罢，熔煉結(jié)束經(jīng)過定向凝固技術(shù)采用選晶法或籽晶法進(jìn)行熔模鑄造，最終經(jīng)過固溶與時效熱處理達(dá)到最終鑄件狀態(tài)胎食。

渦輪葉片的冷卻設(shè)計是構(gòu)型的核心扰才，需要采用熔模鑄造+加工的方式完成。在制備鑄件時應(yīng)按照設(shè)計模型鑄出葉片的內(nèi)腔復(fù)雜空心結(jié)構(gòu)厕怜，葉片表面的氣膜孔需借助電火花打孔衩匣、激光打孔方式加工，葉片構(gòu)型的其他關(guān)鍵尺寸需采用五軸緩進(jìn)強磨或銑加工的方式來實現(xiàn)粥航。

燃?xì)廨啓C渦輪葉片涂層主要包含抗氧化涂層與熱障涂層琅捏。其中抗氧化涂層包括MCrAlY涂層生百、鋁化物涂層與改性鋁化物涂層，制備MCrAlY涂層的工藝方法主要有PVD柄延、HVOF蚀浆、APS與VPS等，實現(xiàn)鋁化物涂層的制備方法主要有固體粉末包埋法搜吧、熱浸法箍伏、料漿法和化學(xué)氣相沉積（CVD）方法等，熱障涂層的陶瓷面層可采用APS乒踢、VPS和EB-PVD等方法制備揪馅。

2、復(fù)雜構(gòu)型渦輪葉片的制造工藝現(xiàn)狀

第一章節(jié)闡述的渦輪葉片設(shè)計的實現(xiàn)所要經(jīng)歷的工序可能多達(dá)上百道押辽，使用的加工技術(shù)也有幾十種卷撞。復(fù)雜的工序和先進(jìn)的加工技術(shù)構(gòu)成了渦輪葉片全流程制造工藝，其工序間的配合與加工技術(shù)的優(yōu)化開發(fā)是渦輪葉片滿足使用要求的有力保證饵忙，這對任何燃?xì)廨啓C渦輪葉片制造從業(yè)者而言都是不小的挑戰(zhàn)盐文。

典型的渦輪葉片的制造工藝路線如圖2所示，精密加工通常包含封堵與去密封岖疲、葉根裝配面加工咏摔、氣膜孔加工、鋁化物涂層极阴、組件焊接昙百、熱障涂層、流量檢測等多種以高新前沿技術(shù)為依托的關(guān)鍵工藝碟狞，這些加工工藝在發(fā)展和應(yīng)用過程中造就了燃?xì)廨啓C熱端渦輪葉片高附加值的特點啄枕，也體現(xiàn)了高端燃?xì)廨啓C制造工藝精湛化的總體要求。

圖2-典型渦輪葉片制造工藝路線

2.1　封堵與去密封工藝

燃?xì)廨啓C渦輪葉片通常具有復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)族沃，同時具有數(shù)量眾多的表面氣膜孔频祝。加工過程中的鐵屑、微小螺釘?shù)榷嘤辔镆坏┻M(jìn)入葉片的內(nèi)腔和氣膜孔脆淹，將很難被發(fā)現(xiàn)并清除常空，這些多余物將是燃?xì)廨啓C運行過程中的巨大隱患。因此盖溺，必須有一種工藝能夠很好地阻止多余物進(jìn)入渦輪葉片內(nèi)腔和氣膜孔漓糙，同時又不對加工過程產(chǎn)生任何不利影響。

封堵渦輪葉片內(nèi)腔有多種方法可以選擇烘嘱，比如膠帶遮蔽昆禽、封堵工裝夾具、填料封堵等拙友。其中填料封堵的方法應(yīng)用最廣为狸。封堵用填充料的種類有水溶性的鹽歼郭、水溶膠遗契、非水溶性膠臭膊、水溶性蠟和非水溶性蠟等〔脖啵可根據(jù)不同工藝階段選擇不同的填充料栏赋。

機加工工藝過程中產(chǎn)生的多余物多且難以控制，因此針對機加工工藝階段的封堵工藝作用巨大尸钢。機加工過程中需要使用水基切削液仙衩，不可采用水溶性的填充物，機加工過后需要將填充料清除干凈熔厌，同時要求填充料易去除篇挡。根據(jù)以上要求，可選用非水溶性的低熔點蠟作為填充料誉煎，同時選用合適的清洗劑去除填充料报葬，開發(fā)合適的去密封工藝。

如圖3所示痛贬，為提高工藝效率和產(chǎn)品質(zhì)量挺久，通常需要使用真空注蠟機與自動除蠟清洗裝備。封堵與去密封過程中注蠟機的注蠟壓力驻债、融蠟溫度乳规、清洗機的清洗時間、超聲功率合呐、清洗溫度等關(guān)鍵參數(shù)都會對封堵與去密封效果產(chǎn)生重要影響暮的。此外，清洗劑的選擇淌实、帶涂層渦輪葉片參數(shù)差異化開發(fā)冻辩、工序銜接等因素都會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。如若封堵與去密封工藝使用不當(dāng)翩伪，將可能產(chǎn)生多余物進(jìn)入內(nèi)腔微猖、殘蠟清洗不凈、葉片表面雜質(zhì)污染等問題缘屹。綜上凛剥，封堵與去密封工藝是渦輪葉片加工不可或缺的保障性工藝，可為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供堅實支撐轻姿。

圖3-真空注蠟機與自動除蠟清洗裝備

2.2　葉根及裝配面加工

渦輪葉片材料使用的高溫合金具有優(yōu)異的熱強性與熱穩(wěn)定性犁珠，這些優(yōu)異的力學(xué)性能也決定了其難加工的材料特性。渦輪葉片葉根榫齒及裝配面的切削加工過程中通常面臨刀具磨損祷骂、成本高雇牍、效率低的難題嗅呻，因此，目前難加工渦輪葉片的榫齒及裝配面大多采用磨削的方式乌心。

圖4所示為五軸緩進(jìn)強磨設(shè)備與渦輪葉片榫齒磨削效果圖导劝。緩進(jìn)強磨工藝技術(shù)的特點是大切深、接觸面積大匹羹、加工過程易振動齐皂、熱量散失慢，很容易導(dǎo)致加工面的表面質(zhì)量不過關(guān)糕但〗鎏基于以上因素，需要對緩進(jìn)強磨工藝持續(xù)優(yōu)化唠魏，目前大多數(shù)做法是從加工參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化蝉站。研究表明，磨削進(jìn)給速度vw例吹、砂輪線速度vs捧颅、磨削深度ap三個重要參數(shù)的組合可以對加工表面的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。另有研究針對單晶高溫合金的磨削工藝進(jìn)行研究瓶堕，結(jié)果表明隘道，沿單晶高溫合金不同晶體取向的磨削效果存在著一定差異，（111）面的磨削效果較（100）郎笆、（110）面要好谭梗，并且沿（111）面磨削產(chǎn)生的再結(jié)晶層也較小。

圖4-五軸緩進(jìn)強磨設(shè)備與渦輪葉片磨削效果

除優(yōu)化加工工藝參數(shù)外宛蚓，適當(dāng)增加工裝輔助和外場輔助也可以影響加工效果激捏。通過增強夾持工裝的剛性，改善優(yōu)化接觸面的阻尼特性凄吏，可在一定程度上減小加工振動远舅，從而提升加工面的表面光潔度。通過外加氣流痕钢、控制水流可以有效減小加工接觸面的熱量積累图柏，從而減少加工面再結(jié)晶與燒傷的風(fēng)險，提升表面質(zhì)量任连。

2.3　氣膜孔加工

現(xiàn)階段燃?xì)廨啓C渦輪葉片的主流冷卻設(shè)計多為氣膜孔冷卻蚤吹，要實現(xiàn)氣膜冷卻需要在葉片的表面加工圓形孔和異型孔。這些小孔孔徑約為0.2~0.8 mm划疟，空間角度復(fù)雜泡募，數(shù)量多，精度要求高苦恶，低重熔層票虎，無裂紋仆阶。

這對孔加工工藝提出了較高的要求，傳統(tǒng)的機械加工方法無法滿足摔色。目前驯祖，工藝方法主要有激光打孔、電液束打孔和電火花打孔等臣镜，三種加工方法各有優(yōu)缺點乙错，如表1所示题晌，綜合看來洁馒，由于電火花打孔產(chǎn)生的重熔層較薄、加工精度高儡皮、成本低的優(yōu)勢柱锹，其在燃?xì)廨啓C渦輪葉片氣膜孔加工方面的應(yīng)用較為廣泛。

表1-氣膜孔常見制備工藝優(yōu)劣勢對比

圖5為渦輪葉片電火花打孔工藝過程中使用的設(shè)備丰包、加工過程以及典型加工問題禁熏，目前國內(nèi)電火花打孔設(shè)備可以將重復(fù)定位精度控制在0.015 mm以內(nèi)，位置度公差控制在0.01 mm以內(nèi)邑彪。圖5c所示電火花打孔工藝加工異型孔時容易出現(xiàn)加工豁口缺陷瞧毙，這是由于氣膜孔一次加工不到位時通常需要補加工，二次加工很難做到完全重合定位寄症，此時容易產(chǎn)生二次放電宙彪，造成金屬表面重熔層加厚；此外有巧，氣膜孔內(nèi)腔斜孔銳角倒圓也難以做到释漆。批量加工時，由于每個零件的型面輪廓度存在差異篮迎，因此很難通過一次裝夾和編程保證每件產(chǎn)品加工都合格男图。針對以上問題，需要持續(xù)以加工需求為導(dǎo)向優(yōu)化電加工機床設(shè)備的使用性能甜橱，同時開發(fā)效率更高揭凭、再現(xiàn)性更好、更穩(wěn)定的加工工藝乞微。

圖5-渦輪葉片電火花打孔工藝

2.4　鋁化物涂層

高溫防護(hù)涂層是保障燃?xì)廨啓C性能和渦輪葉片壽命的關(guān)鍵核心技術(shù)俯重。目前，先進(jìn)鋁化物涂層既可作為燃?xì)廨啓C渦輪葉片的高溫抗氧化涂層霎挚，同時也可作為熱障涂層的粘結(jié)層缸舱。近年來，為彌補單一鋁化物涂層脆性大骗早，退化速度快和抗熱腐蝕性能差的不足把意，添加Co府塘、Cr、Si绿捶、Pt等有益元素一方面增強氧化膜與基體的結(jié)合力棚疏，另一方面降低維持鋁選擇性生長的臨界鋁含量，發(fā)展出了具有更好的綜合性能的改性鋁化物涂層婆精。

鋁及改性鋁化物涂層的制備方法主要有固體粉末包埋法继溯、熱浸法、料漿法和化學(xué)氣相沉積（CVD）方法沈条。粉末包埋法滲鋁的成本較低需忿，適合小零件的涂層制備，是使用最廣泛的蜡歹，但是其難以制備形狀復(fù)雜的工件屋厘、內(nèi)壁及氣孔處的鋁涂層；零件表面會附著顆粒月而，粗糙度差汗洒；配置滲劑時粉塵多，工作環(huán)境差父款。料漿法操作簡單溢谤，節(jié)省用料，不受工件形狀限制憨攒，是制備Si改性鋁化物涂層最常用的方法世杀，缺點就是料漿的涂覆和去除比較麻煩。CVD方法是非接觸式涂層制備方法浓恶，涂層厚度均勻玫坛，可控性高，適用于形狀復(fù)雜的零件沙涎，尤其能夠?qū)崿F(xiàn)空心渦輪葉片內(nèi)腔鋁化物涂層的制備傅慈，極大地滿足了先進(jìn)復(fù)合鋁化物涂層的開發(fā)與應(yīng)用。

圖6所示為某型渦輪葉片內(nèi)腔的CVD滲鋁涂層疼磺，該涂層與合金基體結(jié)合良好碘淘，涂層質(zhì)量優(yōu)異，可很好地滿足渦輪葉片的防護(hù)使用需求款腥。遮蔽環(huán)節(jié)是該工藝的難點所在惰采，不當(dāng)?shù)恼诒喂に嚾菀自斐赏繉勇B的情況，這嚴(yán)重影響渦輪葉片的服役性能综翠，因此栋锣，應(yīng)當(dāng)將遮蔽工藝作為CVD工藝的關(guān)鍵控制工藝進(jìn)行管理。

圖6-某型渦輪葉片內(nèi)腔的CVD滲鋁涂層

目前，滲鋁涂層向多元復(fù)合方向發(fā)展谍竿，CVD工藝方法為復(fù)合滲鋁涂層的發(fā)展提供了便利程悼。目前發(fā)展最為迅速也是應(yīng)用最為廣泛的多元復(fù)合涂層是以Pt-Al為基的涂層。雖然Pt-Al涂層體現(xiàn)出了優(yōu)異的抗氧化性與耐腐蝕性路影，但是多元復(fù)合涂層的作用機理目前尚沒有形成定論诬像，其設(shè)計方向依然不可控。

2.5　焊接

燃?xì)廨啓C渦輪葉片包含許多復(fù)雜組件闸婴，比如導(dǎo)流片坏挠、蓋板、蜂窩等邪乍，這些組件與葉片主體之間需要通過焊接工藝來連接降狠。

導(dǎo)流片、蓋板等鈑金件通常采用高溫合金板材溺欧，是典型的難變形材料喊熟，通過沖壓方式成形，并結(jié)合金屬鍍層姐刁、打孔、焊接等工序烦味，在產(chǎn)品實際制造過程中聂使，常出現(xiàn)鈑金件回彈、葉片與鈑金件的孔位置度差異和焊接變形等情況谬俄。同時柏靶，在進(jìn)行鈑金件與渦輪葉片焊接時常常因熱輸入不均勻?qū)е潞附幼冃危鉀Q問題的關(guān)鍵就是減少熱輸入以及合理優(yōu)化焊接順序贼匾。

蜂窩真空釬焊是渦輪葉片組件焊接工藝中的核心工藝铛田，其難點主要體現(xiàn)在：釬焊面積大，對釬料的預(yù)制均勻性要求高瞪栋；組件裝配要牢固嚣历，同時要保證釬焊工藝間隙；工裝固定階段不能損傷蜂窩荷焦。由于較大的工藝難度盟挤，蜂窩真空釬焊過程中容易出現(xiàn)各種缺陷，圖7展示了蜂窩真空釬焊工藝常見的缺陷掌范。通過優(yōu)化工裝設(shè)計腻俏，優(yōu)化工藝參數(shù)可完美解決這些缺陷。

圖7-蜂窩真空釬焊工藝常見的缺陷

2.6　熱障涂層

熱障涂層技術(shù)是先進(jìn)燃?xì)廨啓C制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一睦键，是目前保障渦輪葉片使用壽命切實可行的手段目尘。

熱障涂層由底層和面層構(gòu)成，底層通常分為兩類栗沫，一類是前述擴散鋁化物涂層诺秒，另一類是包覆金屬涂層磁携，后者的制備方法有很多，其中PVD和熱噴涂的應(yīng)用最多良风。面層通常是YSZ涂層谊迄，這種涂層具有2 700 ℃的熔點和較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，同時具有與高溫合金匹配良好的熱膨脹系數(shù)烟央，可達(dá)到180 ℃左右的隔熱效果统诺，熱障涂層的制備方法主要包括高速火焰噴涂（HVOF）、高頻脈沖爆炸噴涂（HFPD）疑俭、等離子體噴涂（PS）粮呢、電子束物理氣相沉積（EB-PVD），其中等離子體噴涂和電子束物理氣相沉積應(yīng)用最為廣泛钞艇，近年來啄寡，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了等離子激活電子束物理氣相沉積、懸浮等離子噴涂哩照、等離子噴涂-物理氣相沉積（PS-PVD）等新型制備工藝挺物，其工藝優(yōu)勢對比詳見表2。結(jié)合不同燃機的使用場景飘弧，熱障涂層的制備方法也有區(qū)別盘胯，通常APS或VPS制備的熱障涂層呈現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)，片層與片層之間存在20%左右的孔隙要尚，常應(yīng)用在地面燃?xì)廨啓C渦輪葉片上刚驶。EB-PVD方法制備的熱障涂層呈現(xiàn)柱狀晶結(jié)構(gòu)，具有很高的應(yīng)變?nèi)菹扌嗲埽鋲勖L牙吼，隔熱效果更好，但是其制備成本較高今搂，通常應(yīng)用在服役條件苛刻的航空發(fā)動機中柱称。中小型燃?xì)廨啓C一部分就是航改燃型，其熱障涂層的制備常以APS制備底層牡违，EB-PVD制備面層為主阎揪，重型燃?xì)廨啓C渦輪葉片所需的抗熱沖擊循環(huán)壽命有大幅提高，需要更厚的熱障涂層加以防護(hù)蛛最，其熱障涂層的制備以HVOF制備底層海庆，APS制備面層為主。

表2　熱障涂層常見制備工藝優(yōu)劣勢對比

圖8所示為采用VPS制備的YSZ涂層結(jié)構(gòu)磨镶，該涂層結(jié)構(gòu)良好溃蔫，與基體結(jié)合界面情況良好，且厚度均勻，能很好地滿足熱障涂層制備的質(zhì)量要求伟叛。

圖8-采用VPS制備的YSZ涂層結(jié)構(gòu)

熱障涂層制備過程中會面臨一系列的問題私痹，比如需嚴(yán)格控制噴涂參數(shù)來保證涂層的均勻性；帶有氣膜孔的葉片制備熱障涂層后氣膜孔會產(chǎn)生縮孔現(xiàn)象统刮；熱障涂層很難采用無損檢測的方法進(jìn)行檢測紊遵；一次涂層不成功很難進(jìn)行涂層的返工工作。這些問題是涂層技術(shù)工作者經(jīng)常面臨的問題侥蒙，需要通過不斷改進(jìn)技術(shù)裝備暗膜，優(yōu)化工藝路徑與方法來解決這些問題，從而保證熱障涂層的質(zhì)量合格鞭衩。

多年的發(fā)展学搜，熱障涂層在新材料、新結(jié)構(gòu)和新制備方法上競相發(fā)展论衍，如納米結(jié)構(gòu)熱障涂層瑞佩，大大降低陶瓷涂層的脆性；梯度功能結(jié)構(gòu)熱障涂層具有成分連續(xù)瓤计、孔隙率連續(xù)及多層機構(gòu)變化智谓，其抗熱震性能良好；液體注入等離子噴涂方法噴涂熱障涂層等新的制備方法缝聋。

2.7　流量檢測技術(shù)

帶有氣膜孔的渦輪葉片的流量檢測是判斷葉片加工是否合格的重要判定技術(shù)裂膛。一般流量檢測技術(shù)有氣流量檢測和水流量檢測，流量檢測的關(guān)鍵工作在于工裝的設(shè)計與制作废徙，好的工裝可以保證檢測時的氣密性，保證結(jié)果準(zhǔn)確狂嘉。

3爵孔、發(fā)展方向及思考

3.1　發(fā)展方向

隨著燃?xì)廨啓C進(jìn)氣溫度的提升，渦輪葉片在材料询蚊、結(jié)構(gòu)和制造工藝方面均發(fā)生著深刻的革新神阔，產(chǎn)生了很多值得關(guān)注的發(fā)展方向。

材料方面因震，目前第三吩捞、四代單晶高溫合金的研究仍在持續(xù)進(jìn)行中，但是受到其物理理論限制汁蝶，其工作溫度無法超過1 227 ℃渐扮，為了進(jìn)一步提高進(jìn)氣溫度，提升燃?xì)廨啓C性能掖棉，新型的陶瓷基復(fù)合材料逐漸進(jìn)入了葉片設(shè)計者的視線墓律。陶瓷基復(fù)合材料既擁有陶瓷耐高溫的特性，又具有較高的機械強度與抗熱裂性能，目前應(yīng)用較廣的陶瓷基復(fù)合材料主要是各種纖維增韌的SiC復(fù)合材料耻讽。先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度可以達(dá)到1 650 ℃察纯。由此可見，陶瓷基復(fù)合材料是一種非常理想的渦輪葉片材料针肥。

結(jié)構(gòu)方面饼记，更有效地增強氣膜冷卻效果，向著冷卻結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的方向發(fā)展慰枕，例如雙層壁結(jié)構(gòu)的發(fā)散冷卻具则。

成形工藝方面，新型制造技術(shù)也進(jìn)入了高速發(fā)展階段捺僻，目前在陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片的制造技術(shù)方面已經(jīng)發(fā)展出了3D打印金屬增韌骨架乡洼、氣相沉積陶瓷界面層、3D打印光固化樹脂膜嚼讹、化學(xué)腐蝕去樹脂扛焊、燒結(jié)多孔復(fù)合陶瓷、化學(xué)氣相沉積SiC脊腺、水射流崎绽、激光加工、超聲加工去余材的復(fù)雜工藝路線茉园。其中多項技術(shù)都是世界加工領(lǐng)域的前沿技術(shù)宅殿。

氣膜孔加工工藝方面，激光-電火花復(fù)合加工汁讹、電解-電火花復(fù)合氣膜孔加工技術(shù)诞书，充分發(fā)揮兩種工藝優(yōu)點，通過合理調(diào)整加工工序棋裳，會大大提高葉片氣膜孔的加工質(zhì)量及效率快檀，縮短加工周期，保證加工質(zhì)量凭协。

涂層制備工藝方面都晶，發(fā)展出了新的涂層材料體系、新的涂層結(jié)構(gòu)丸冕、開發(fā)新的涂層制備技術(shù)耽梅、并逐步建立涂層性能測試與評價的標(biāo)準(zhǔn)。如納米結(jié)構(gòu)和梯度

結(jié)構(gòu)熱障涂層胖烛，如采用液體注入等離子體法噴涂熱障涂層眼姐，以及元素?fù)诫s新型低熱導(dǎo)率熱障涂層。

3.2　思考

縱觀燃機行業(yè)發(fā)展實情洪己，以促進(jìn)行業(yè)健康持久發(fā)展為己任妥凳，提出如下措施建議竟贯。

設(shè)計理念體系化。設(shè)計端尚不成熟逝钥，不確定性多屑那，制造過程中常發(fā)生設(shè)計變更，需要設(shè)計和制造深度融合艘款，逐步形成成熟的燃?xì)廨啓C透平葉片精密鑄造和加工質(zhì)量控制和驗收規(guī)范持际。

葉片材料與葉片成形技術(shù)融合化。在研發(fā)葉片材料時關(guān)注葉片成形技術(shù)哗咆，在研發(fā)葉片成形技術(shù)時關(guān)注葉片材料技術(shù)搂物，通過材料與制造的融合和互動，促進(jìn)葉片材料及其制造技術(shù)共同快速協(xié)同發(fā)展读铁。

關(guān)鍵裝備自主化囱蕴。研發(fā)葉片制造所需的關(guān)鍵制造工藝裝備，降低高端制造裝備被國外“卡脖子”風(fēng)險砂两，提高自主保障能力朋堪。

過程管控規(guī)范化。與國外的熱部件制造相比汪汰，仍需努力提高合格率和批量一致性盹扮，加強渦輪葉片制造過程中的流轉(zhuǎn)防護(hù)與多余物控制，提高渦輪葉片制造的整體質(zhì)量水平步盼。

人才培養(yǎng)有序化字拒。加強專用型人才培養(yǎng)，完善燃機人才培養(yǎng)體系樊鲁，切實提高人才待遇投嫂，避免人才流失和斷層。

資源整合最優(yōu)化蔗彤。整合座泳、優(yōu)化國內(nèi)已有資源，避免盲目投資幕与，促進(jìn)熱端部件產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈均衡、有序镇防、健康發(fā)展啦鸣。

（《鑄造》雜志202202期 作者：崔慧然，馮相如来氧，任建偉）

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