發(fā)動機是航空裝備的“心臟”勃提，發(fā)動機的性能決定了飛機的飛行速度瓣硼、機動性、航程苹动、有效載重等一系列性能柬乓。發(fā)動機主要包括風扇、壓縮系統(tǒng)蠢涝、燃燒系統(tǒng)玄呛、渦輪系統(tǒng)和噴管系統(tǒng)等。高溫燃氣經(jīng)過燃燒室充分燃燒后和二，由燃燒室排出并流經(jīng)渦輪系統(tǒng)徘铝。一部分燃氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，推動渦輪轉(zhuǎn)動惯吕，同時帶動壓氣機繼續(xù)吸入大量空氣惕它；另一部分燃氣直接從尾噴管噴出，巨大反作用力推動飛機向前飛行。在燃氣渦輪發(fā)動機中淹魄，渦輪是極其關(guān)鍵的部件郁惜。渦輪的設(shè)計、制造與用材水平關(guān)乎到整個發(fā)動機的性能水平和使用可靠性甲锡。

圖1-1 Leap-1C發(fā)動機      

渦輪轉(zhuǎn)子葉片是將發(fā)動機的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件兆蕉，其工作環(huán)境最為苛刻。在工作過程中缤沦，轉(zhuǎn)子葉片需要承受高溫高壓虎韵、離心載荷、振動載荷赎冶、熱應力扣飘、燃氣腐蝕及高溫氧化的綜合作用。嚴苛的服役環(huán)境幌舍，導致轉(zhuǎn)子葉片失效的概率最高杀蝌。統(tǒng)計表明發(fā)動機零部件失效事件中，轉(zhuǎn)子葉片占70%以上屋孕。渦輪葉片的服役環(huán)境主要分為三類：工作溫度高惯醇、工作應力復雜和工作環(huán)境腐蝕性高。  

工作溫度高且分布不均勻裸悟。隨著渦輪發(fā)動機的發(fā)展，其推重比不斷增加妙声，航空發(fā)動機的推重比每提高10%绕时，渦輪進氣口溫度需提高100 °C左右。為了不斷提高發(fā)動機的推重比年铝，渦輪前進氣口溫度也不斷增加株捌，目前已知的第四代軍用發(fā)動機渦輪前溫度已達到1850-2000 K。不僅如此蟀架，葉片不同部位的溫度分布還極不均勻瓣赂，圖1-2為某渦輪葉片服役過程中溫度分布模擬結(jié)果圖。葉片縱向方向上榫頭和葉根的溫度最低片拍，中間段至葉尖處于高溫區(qū)（圖1-2（a））煌集。葉片橫截面方向上進氣邊和排氣邊均屬高溫區(qū)，但排氣邊溫度更高（圖1-2（b））捌省。  

圖1-2 某渦輪葉片服役過程中溫度分布模擬結(jié)果    (a) 葉身縱向溫度分布苫纤；(b) 橫截面溫度分布      

轉(zhuǎn)速高，應力大纲缓。渦輪轉(zhuǎn)子葉片工作時的轉(zhuǎn)速通常在12000 r/ min左右卷拘。高速旋轉(zhuǎn)的情況下，渦輪葉片由于自身質(zhì)量的作用祝高，會產(chǎn)生很大的離心力栗弟。服役過程中葉身部分可能承受大約140 MPa的離心拉應力污筷，而葉根部分承受的平均離心拉應力達到280~560 MPa：同時，服役葉片應力分布不均勻乍赫。圖1-3為某渦輪葉片服役過程中應力分布模擬結(jié)果圖瓣蛀。葉片在服役過程中無論沿著葉尖到葉根的縱向方向還是葉片的橫截面方向，應力分布均存在較大梯度（圖1-3（a））灰深。在葉片橫截面方向上饵卸，葉片的進氣邊、排氣邊及葉背處所受綜合應力最大（圖1-3（b））彰饭。  

工作環(huán)境腐蝕性強驻奇。渦輪葉片要經(jīng)受高溫燃氣引起的氧化以及熱腐蝕。航空發(fā)動機即使使用高品質(zhì)航空煤油肤贮，燃油中依然含有微量硫峰抽。當飛機在沿海或海洋上空飛行搭艺，發(fā)動機吸入含NaCl的空氣榛开，會形成Na2SO4并沉積在渦輪葉片表面。熔化狀態(tài)的鹽膜導致渦輪葉片遭受熱腐蝕啤兆，其腐蝕程度要比純氧化嚴重得多姚锥，促使葉片過早失效。  

除了環(huán)境因素外桶棍，渦輪葉片本身的復雜結(jié)構(gòu)也增加了葉片失效的幾率凉逛。目前渦輪葉片普遍空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在很多細小的管道群井。高壓冷空氣通過這些管道流經(jīng)葉片状飞，起到強制冷卻的作用。為了提高冷卻效率书斜，渦輪葉片的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)越來越復雜诬辈，壁厚變得越來越薄。相較于實心葉片荐吉，空心葉片復雜的結(jié)構(gòu)及較薄的壁厚焙糟，使得服役葉片中溫度和應力的分布更不均勻∩耘鳎空心結(jié)構(gòu)也減少了有效承載面積酬荞，從而增加了葉片失效的風險。  

圖1-3 某渦輪葉片服役過程中應力分布模擬結(jié)果    (a) 葉身縱向溫度分布瞧哟；(b) 橫截面溫度分布                                        

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渦輪葉片對材料的要求

由于航空發(fā)動機渦輪葉片（包括渦輪工作葉片和導向葉片）服役環(huán)境極其惡劣混巧，因而對所用材料的要求也極為苛刻。自20世紀四五十年代，國內(nèi)外對航空發(fā)動機渦輪葉片用材料的研究都投入了大量的人力和物力猎蚀。渦輪工作葉片的材料主要需要滿足以下要求：

（1）渦輪葉片材料應具有良好的力學性能糠牍，包括高溫蠕變性能、機械疲勞性能竖杂、熱疲勞性能和抗沖擊性能卑我，以及良好的高溫塑性。

（2）渦輪葉片材料應具有良好的抗熱腐蝕和抗氧化的性能雕乃，同時其表面適合涂覆各種防護涂層桌强，如Al-Si涂層、MCrAlY涂層和熱障涂層等侯旬。

（3）渦輪葉片應具有良好的工藝性能浴营，如鑄造性能、焊接性能擂冷、盡可能高的導熱系數(shù)和盡可能低的熱膨脹系數(shù)以及較小的密度等良好的物理性能磁不。

（4）渦輪葉片材料應具有較高的初熔溫度，能夠承受短時超溫砂裹。

（5）渦輪葉片材料應具有較好的組織穩(wěn)定性贬池，在長期使用過程中，能夠保持組織相對穩(wěn)定文黎，避免析出TCP相等有害相惹苗。

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渦輪葉片用高溫合金的發(fā)展

航空發(fā)動機的發(fā)展和高溫合金的發(fā)展是齊頭并進、密不可分的耸峭，前者是后者的主要動力鸽粉，后者是前者的重要保證。圖1-4為航空發(fā)動機渦輪葉片材料及工藝發(fā)展歷程圖抓艳。自上世紀40年代以來，渦輪葉片材料經(jīng)歷了變形（鍛造）高溫合金帚戳、普通鑄造等軸晶高溫合金玷或、定向凝固高溫合金和單晶高溫合金四個階段，合金的承溫承載能力不斷提升片任。關(guān)注公眾號: 兩機動力先行偏友，免費獲取海量兩機資料，聚焦兩機關(guān)鍵技術(shù)对供！

圖1-4 航空發(fā)動機渦輪葉片材料及工藝發(fā)展歷程

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變形高溫合金

為滿足渦輪噴氣式發(fā)動機熱端部件的要求位他，上世紀三十年代末鎳基高溫合金開始發(fā)展。1939年英國Mond鎳公司首先在20%Cr-80% Ni電熱合金中添加了少量C和Ti研制出了鎳基合金Nimonic75产场，隨后又研究出一種含有Al和Ti合金元素的Nimonic80合金亡谭，并于1942年將Nimonic80合金成功地用作渦輪發(fā)動機葉片材料，是最早應用γ’-Ni3(Al，Ti)相強化的渦輪葉片材料奶堵。該合金與Nimonic75合金相比衙地，蠕變性能在應力和持續(xù)時間相同的條件下，蠕變溫度至少可以提高50℃啸业。

后來洗筛，人們在合金中加入B、Zr合金元素宿柜，開發(fā)出了Nimonic80A合金凸窖。隨后加入Co元素提高γ’相固溶溫度得到Nimonic90合金。在此基礎(chǔ)上添加Mo霹补，以及添加更多的Al和Ti元素來提高固溶體強度天证，從而發(fā)展成Nimonic95、Nimonic100漾群、Nimonic115等合金懊湾，形成了Nimonic系列合金。美國和前蘇聯(lián)高溫合金發(fā)展與英國相似禽篱。

美國Halliwell于40年代中期開發(fā)出K42B合金用于制造活塞式航空發(fā)動機的增壓渦輪畜伐。隨后，美國的PW公司躺率、CE公司和特殊金屬公司于50年代分別開發(fā)出了Waspalloy玛界、M252和Udimet500等合金，并在這些合金的基礎(chǔ)上形成Inconel悼吱、Mar-M和Udimet等一系列牌號的合金慎框。這些合金都是通過鍛造、軋制等加工成渦輪噴氣式發(fā)動機所需的渦輪葉片等部件后添。因此笨枯，這一階段的合金稱為變形高溫合金。然而遇西，隨著航空工業(yè)的發(fā)展馅精，葉片需要滿足具有更高的工作溫度和強度，以及葉片結(jié)構(gòu)復雜程度的增加粱檀，致使通過鍛造成型的變形高溫合金已無法滿足要求洲敢，鑄造高溫合金孕育而生。

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等軸晶鑄造高溫合金

20世紀50年代牙饲，真空熔煉和熔模精密鑄造技術(shù)的先后出現(xiàn)摆采，使合金的性能和鑄件的質(zhì)量大幅度提高，從而使高溫合金進入了“鑄造時代”舀鼎。鑄造高溫合金得到迅速發(fā)展选从，并逐漸成為高溫合金的主流呜颓，許多高性能鎳基鑄造合金如：IN100、B1900猖右、ЖC6К颗酷、MAR-M200、IN713稽橱、MAR-M002和René125等相繼出現(xiàn)戏丽。鑄造鎳基高溫合金發(fā)展可以分為三個階段，在鎳基高溫合金發(fā)展的初期谷庐，通過適當調(diào)整和添加合金成分完全能夠滿足渦輪葉片材料的設(shè)計要求耙屹，而鑄造過程對改善葉片性能貢獻不大，因此拘绳，第一階段被認為是合金成分占主導地位的發(fā)展階段抗俄。

隨著鎳基高溫合金發(fā)展，僅僅靠合金成分的發(fā)展不能適應葉片材料性能的進一步要求世舰，于是合金的鑄造過程控制也成為材料技術(shù)的一個關(guān)鍵动雹，所以第二階段被認為是合金成分和鑄造過程共同決定葉片材料性能階段。隨著鎳基高溫合金繼續(xù)發(fā)展跟压，高溫合金的使用溫度已經(jīng)接近極限胰蝠，通過調(diào)整合金成分的發(fā)展來調(diào)高合金的使用性能的空間已變得已非常小，因此震蒋，必須通過采用新工藝茸塞，以提高合金的使用性能，所以第三階段即鑄造技術(shù)占主導地位的發(fā)展階段查剖，如定向凝固和單晶技術(shù)钾虐。

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定向凝固和單晶高溫合金

普通鑄造高溫合金在提高強度的同時，由于其自身是由多個晶粒組成的特點笋庄，存在多個晶界效扫，而晶界處雜質(zhì)較多、原子擴散較快直砂、原子排列不規(guī)則穗狞，成為合金高溫服役過程中的薄弱環(huán)節(jié)。在較高服役溫度下客净，裂紋往往首先在垂直于應力方向上的橫向晶界上萌生并擴展。在針對Mar-M200等軸晶合金的研究過程中發(fā)現(xiàn)脏诈，該合金中溫性能尤其是中溫塑性很低冀烘，出現(xiàn)所謂“塑性低谷”問題。

為了克服橫向晶界的有害作用锯政，進一步提高葉片的高溫力學性能纬惶，通過開發(fā)定向凝固技術(shù)避免了橫向晶界的產(chǎn)生子宵。在定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，人們相繼開發(fā)出了消除橫向晶界的定向凝固高溫合金和消除所有晶界的單晶高溫合金诽闲。目前彪性，定向凝固高溫合金發(fā)展至今已有四代，且每代定向合金的承溫能力均比上一代提高近30℃科请；而單晶高溫合金已發(fā)展至第六代稍记。一代又一代單晶高溫合金的相繼出現(xiàn)和應用，為航空發(fā)動機和燃氣輪機的性能大幅度提升作出了重大貢獻峡竣，成為最具潛力的先進燃氣渦輪用材料靠抑。

（模具制造）

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