關于鑄造單晶葉片的專利技術綜述

萬鋒

摘 要：航空發動機是飛機的心臟，而渦輪葉片是航空發動機核心部件之一，被譽為“皇冠上的明珠”。渦輪葉片的制備工藝從早期的擠壓、鍛造發展為鑄造，經歷了等軸晶葉片、定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片三個發展階段。作為最為先進的單晶葉片，其性能水平成為一種型號發動機先進程度的重要標志，在一定意義上，也是一個國家航空工業水平的顯著標志[1-4]。文章通過檢索國內外鑄造單晶葉片的專利文獻，分析發現，鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進行冷卻，逐漸發展為空冷法、液態金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發展為現在主流的銅盤冷卻方式；選晶方式主要有轉折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主。

關鍵詞：專利；單晶葉片；鑄造

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0024-03

1 單晶葉片的概述

典型的單晶葉片制備裝置如圖1所示，葉片型殼設置于結晶器銅盤上，至于加熱區中，鑄造時鑄件以一定的速度從爐中移出，以形成一定的溫度梯度，從而制備形成單晶葉片[5]。

目前，我國將航空發動機列為國家戰略，涌現了J20、運20、C919等一批航空設備，振奮人心。通過對國內外專利文獻進行梳理，發現對鑄造單晶葉片的研究主要集中于冷卻方式、啟晶方式、選晶方式、型殼上的改進以及熱處理方式等內容。本文針對上述內容，對國內外鑄造單晶葉片的專利文獻進行檢索和分析。

2 鑄造單晶葉片的專利申請分析

筆者對涉及單晶葉片的鑄造的分類號進行了查詢，其主要涉及分類號：B22C9/04（用熔模方法）、B22C9/22（鑄型或型芯）、B22D27/04（影響金屬溫度，如用加熱或冷卻鑄型）、C30B11/00（正常凝固法或溫度梯度凝固法的單晶生長）。此外，筆者結合關鍵詞：葉片、渦輪、燃氣輪機、燃氣機、發動機等以及vane、blade、impeller、paddle、fan、single crystal等進行檢索。檢索截止日期為2017年06月08日，初步獲得1000余篇中外文專利，通過篩選，得到的有效樣本350余篇；經過數據整理，利用Excel對獲取的樣本數據的專利申請狀況進行統計分析。

2.1 國內專利申請

通過檢索以及篩選，獲得國內申請有效樣本共142篇，下面從樣本數據分析國內申請的特點。

國內專利申請的歷年分布：

由圖2可以看出，國內鑄造單晶葉片專利申請始于1985年，而2000年以后進入蓬勃發展時期，特別是2010年后，專利申請量迅速增加。

由圖3可以看出，國內申請主要是我國申請人，但也有四分之一以上為外國申請人的申請，國外申請以PCT、巴黎公約等形式進入中國，在中國進行專利布局，國內申請人應該對此有一定的警覺性。

2.2 國外專利申請

通過篩選后獲得207篇涉及鑄造單晶葉片的外文專利，通過對其進行分析，有如下結論：

2.2.1 國外專利申請的歷年分布

由圖4可以看出，鑄造單晶葉片始于1965年，20世紀80年代后申請量有所增加，90年代中期最多，隨后趨于平穩，稍有減少。

2.2.2國外專利申請人的公開國家分布

由圖5的國外專利申請的公開國家分布可以看出鑄造單晶葉片的專利布局，第一梯隊為美國、日本，申請量為20%左右，第二梯隊為德國、歐盟，第三梯隊為英國、加拿大、法國、俄羅斯。

3 鑄造單晶葉片的技術發展路線

3.1 冷卻方式

單晶的形成過程中冷卻方式很重要，根據冷卻形式不同，可以分為功率降低法、空冷法、噴霧冷卻法以及液態金屬冷卻法。

美國聯合飛機公司（NITED AIRCRAFT CORP）在US354

2120A中率先使用了功率降低法，鑄型固定于加熱區內，提供加熱裝置以保證從頂部至冷卻銅盤之間形成所需的溫度梯度。功率降低法因其提供的冷卻速度不大，因此，現在單純使用功率降低法的已經很少，一般會采用加熱區多段加熱以形成溫度梯度再配合抽拉后的空冷、水冷、液態金屬冷卻等多手段冷卻技術。1970年美國聯合飛機公司在IL37248D0中采用桿18控制鑄件撤離加熱區，進行空氣冷卻以加快冷卻速度以及結晶速度。1996年，西門子公司開始使用液態金屬3冷卻鑄件以進一步增大冷卻速率，如DE19647313A。1999年，俄羅斯航空材料科學研究所采用噴射惰性氣體結合水冷以增大冷卻的溫度梯度，如RU2152844C。

3.2 啟晶方式

啟晶是指熔融金屬首先開始凝固形成晶體。鑄造單晶葉片的啟晶方式主要有兩種，一種為水冷銅盤強制冷卻啟晶，另一種為預制晶籽啟晶。1965年，美國聯合飛機公司在US3542120A中率先使用了水冷銅盤配合起晶器進行啟晶。隨著工藝發展，雖然啟晶方式各異，但是基本上都是在這種水冷銅盤配合起晶器的基礎上進行的改進。1978年美國聯合飛機公司在DE2949446A開始使用晶種啟晶。相關采用晶種啟晶的專利申請還有：EP0496978B1、RU2167029C1、US2005025613

A1、RU2587116C1、US2009078390A1等。

由圖6可以看出，水冷銅盤加以起晶器的啟晶方式自誕生以來申請量穩步提升，而晶種啟晶的方式相對來說專利申請數量上要少許多，主要是以銅盤冷卻為主要的啟晶方式。

3.3 選晶方式

晶粒取向主要是通過選晶器選擇的，選晶器在單晶葉片鑄造過程中起著舉足輕重的地位。選晶器可以分為傾斜式、轉折式和螺旋式等。早在1965年，美國聯合飛機公司在US3542120A中就發明了傾斜式和轉折式選晶器。轉折型的選晶器的專利申請有：GB2030233A、GB9121364D0、DE69316251endprint

T2、GB2260284A、JPH09317402A等。1970年美國聯合飛機公司在IL36489D0中開始使用螺旋式選晶器。

圖7為兩種形式的選晶方式的專利申請量隨時間分布，可以看出，20世紀90年代開始，螺旋式選晶器開始增多，而轉折式選晶器則逐漸減少。在螺旋式選晶器中，晶體橫向擇優生長于螺旋結構耦合作用，形成連續選晶過程。目前，單晶生產過程中主要通過螺旋選晶的方式進行單晶生產，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素均對選晶結果有影響，涉及的相關專利申請有：GB2003063B、GB2112309A、DE4209227C1、JPH11207451A、US2005205002A1等。

3.4 熱處理方式

為了使得鑄得的葉片具備更加持久強度極限和蠕變極限，一般需要對其進行熱處理，經過多年的熱處理工藝發展，基本上形成了固溶+時效的熱處理方式，或者在其基礎上為了獲得所需性能采用回復退火（CN103451736A）、高溫時效+低溫時效（CN103436740A、CN103382536A）等。

4 結束語

通過對鑄造單晶葉片的國內國外專利技術文獻進行檢索、篩選、梳理，通過梳理其技術分支，理清了鑄造單晶葉片的技術發展脈路。鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進行冷卻，逐漸發展為空冷法、液態金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發展為現在主流的銅盤冷卻方式；選晶方式主要有轉折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主；經過多年的熱處理工藝發展，基本上形成了固溶+時效的熱處理方式。

參考文獻：

[1]卜昆，等.鎳基單晶葉片制造技術及再結晶研究進展[J].航空制造技術，2016（21）：34-40.

[2]劉林.高溫合金精密鑄造技術研究進展[J].鑄造，2012（11）：1273-1285.

[3]陳榮章.航空鑄造渦輪葉片合金和工藝發展的回顧與展望[J].航空制造技術，2002（2）：19-23.

[4]許慶彥，等.數值模擬技術在航空發動機高溫單晶葉片制造中的應用[J].航空制造技術，2011（4）：26-31.

[5]張光明，等.高溫合金定向凝固技術研究歷程及展望[J].鑄造技術，2013，34（7）：866-868.endprint