制造渦輪葉片的新方法

郭長輝

摘 要：對于航空發動機來說，渦輪葉片是一個非常重要的結構，其設計和制造的質量將會直接對整個飛行器的運行造成影響。本文首先探討了航空發動機的渦輪葉片，介紹了其耐溫能力的影響因素，之后說明了如何提高其耐溫能力，進而對渦輪制造的技術在未來的展望進行了介紹。

關鍵詞：冷卻葉片；單晶高溫合金；機械合金

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

對于航空發動機來說，渦輪葉片是一個非常關鍵的零部件，可以說其溫度承受能力可以在很大程度上影響到一個發動機的性能，進而對其使用壽命造成影響。為了能夠讓渦輪葉片的耐溫能力得到提高，我們應該從兩個方面進行探討，一方面是葉片自身的材質性能，另一方面是制造工藝。在鑄造工藝方面，高效冷卻葉片目前制造已經十分復雜了，所以想要繼續提高鑄造水平難度是非常大的。對于葉面自身的性能來說，其改善可以從幾個不同方面入手，分別是合金成分、制作方法和處理方法。本文針對近年來渦輪葉片的耐高溫合金的應用情況進行了介紹。

1 渦輪葉片的性能

在燃氣輪機中，渦輪葉片是其中非常重要的一個零部件。渦輪葉片的工作環境是比較惡劣的，不僅葉片具有很高的工作溫度，在溫度最高的時候，燃氣溫度甚至可能會達到1400℃，甚至更高，所以這就給葉片的高溫耐性提出了很高的要求，要求其即便在高溫的條件下，也有足夠的韌性和抗疲勞的性能；在另一方面來看，葉片的受熱是不均勻的，所以一定會存在較為明顯的熱應力，在發動機啟動和停機的時候燃氣的溫度都會發生變化，這個過程中也會受到較大的熱沖擊，所以需要葉片具有足夠的耐沖擊性，保證結構內部不會產生過大的熱應力，進而保證剛度和強度，這對其工藝具有非常高的要求。

目前渦輪發動機正在不斷向大推力發展，效率也會不斷提高，這也給渦輪葉片的制造提出了更高的要求。為了適應這個現狀，需要我們不斷改進葉片的結構和葉片的材質，這樣才能提高葉片合金的價值，讓其耐溫效果更好地發揮出來。

2 渦輪葉片合金制造工藝簡介

正常來說，高溫合金在耐高溫特性上是具有明顯的優勢的，但是材料中的溫蠕變特性則存在著明顯的缺陷。如果使用了定向凝固，那么就直接可以決定晶粒的排列方式，讓其實現定向排列。主應力方向大多存在于垂直方向，在這個方向沒有晶界存在，這也會直接降低熱應力，讓材料在溫度不均勻情況下具有更好的應力，這也能大大提高材料的使用壽命。

為了獲得定向晶粒結構，合金凝固時液固界面應垂直于凝固方向，使熱量從凝固鑄件中導出，這個過程是在真空定向滬中完成的，即將熔化金屬澆入底部直接與水激冷板接觸的型腔中，模殼置于感應加熱爐中，以保證縱向的溫度梯度。在激冷板上形成激冷等軸晶，由干液固界面前沿溫度梯度作用和枝晶擇優生長的結果，形成沿片晶向定向排列的樹枝晶，控制模殼從加熱爐中抽出，則樹枝晶將長滿整個型腔，形成完整的定向葉片。實現以上過程，定向爐是關鍵設備。大量研究工作表明，葉片合金定向凝固時，提高液固界面前沿液相中的溫度梯度可以改善凝固組織，大幅度地提高定向葉片的性能，因此發展高溫度梯度定向爐是目前定向和單晶技術發展的一個重要方面。定向爐具有自動化程度高、性能可靠等特點。葉片制造工藝從等軸晶到定向柱晶和定向單晶，不僅在晶粒結構控制上取得了很大進展，鑄造性能也有了較大提高，已經能夠生產薄壁和具有復雜冷卻結構的渦輪葉片。對單晶葉片晶體取向的控制，將進一步發揮單晶的性能特點。

3 渦輪發動機葉片制造工藝的發展

經過了多年的發展，我國渦輪葉片的制造工藝已經有了長足的進步，從另一方面來看，目前用于制造渦輪葉片的多種合金都有自身的優勢，但同時也都存在著一些缺陷。所以這樣看來，最為理想的渦輪葉片材料就是復合結構葉片，其由不同材料組成，在不同 的區域分別由不同的材料構成，這樣才能在最大限度上發揮出各種材料的優勢，結合其所處的區域來選擇最需要的合金材料。目前來看，在符合葉片當中，最為符合這種結構的就是層板式葉片，雖然這種葉片冷卻效率很高，耐溫能力很強，但是其工藝非常復雜，并且成本較高，所以難以推廣使用。

在渦輪葉片制作的材料當中，單晶鎳基高溫合金這種材料的應用大幅提高了渦輪的進口溫度，并且隨著技術的改進和工藝的完善，這種合金的耐溫能力還會不斷提高，但是其在高溫狀態下會呈現出一定的不穩定特性，這也會在一定程度上限制其耐溫能力，所以在未來一段時間內，對其優化的方式仍然會以提高其耐溫性能為主。機械合金在高溫條件下穩定程度較高，但是其僅僅可以在較低應力的條件下發揮出正常作用，這直接會影響到應用范圍。在今后還會進一步針對溫蠕變強度和拉伸強度進行改善，這樣才能避免韌性對其造成影響。

在鎳基高溫合金當中，無論采用哪種合金成分或者加工工藝，鎳基合金的初融溫度都會直接決定合金整體的耐溫能力。如果想要達到更高的渦輪進口溫度，那么很多碳纖維材料和氮化硅陶瓷材料都可以發揮很好的效果。然而這種材料本身也存在著非常明顯的缺陷，那就是脆性非常明顯，如果結合具體的優化和設計，會在一定程度上克制這種脆性，同時對于壽命的測試也取得了一定的進展，在未來，這種材料的應用也會越來越廣泛。

4 渦輪葉片制造的新方法

目前德國已經有鑄造企業研制出了一種制造渦輪葉片的新方法，和舊有的外部加熱系統有所不同，這種方式在加工和制造的過程中可以更好地融入參數控制系統，這樣就能夠直接在結晶面形成熱流，給加工提供了很大的幫助。根據對該技術進行的研究我們發現，使用這種工藝，其在復雜零件的制造時，造價更為低廉，并且自由度更高，這種技術仍然會在未來一段時間內繼續發展和改進，將用于直升機的推進發動機之中。

結語

經過本文總結，我們已經知道，在當前渦輪葉片設計過程中，首要考慮到的因素就是熱應力和耐熱性，這也是由于渦輪發動機仍然會不斷提高效率，所以自然也就對各部件提出了分工的要求。在未來的一段時間內，葉片的材料還會不斷改進，制造過程中的要點也越來越多，隨著技術的改進，渦輪葉片的性能也會越來越高，而其成分也會產生一些非常關鍵的影響，本文首先介紹了渦輪葉片的特點，之后介紹了一些渦輪葉片制造的新工藝，希望可以給相關工作的開展提供一些參考。

參考文獻

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