航空發動機葉片關鍵技術發展現狀分析

【摘要】在航空發動機中，渦輪葉片由于處于溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件，并被譽為“王冠上的明珠”。渦輪葉片的性能水平，特別是承溫能力，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，本文就航空發動機葉片的關鍵技術發展現狀做一分析。

【關鍵詞】航空發動機葉片高溫合金鑄造單晶涂層

航空發動機不斷追求高推重比，使得變形高溫合金和鑄造高溫合金難以滿足其越來越高的溫度及性能要求，因而國外自上世紀70年代以來紛紛開始研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優異高溫性能的新材料；單晶高溫合金已經發展到了第3代。上世紀80年代，又開始研制了陶瓷葉片材料，在葉片上開始采用防腐、隔熱涂層等技術。

1.變形高溫合金葉片

1.1葉片材料

變形高溫合金發展有50多年的歷史，國內飛機發動機葉片常用變形高溫合金中隨著鋁、鈦和鎢、鉬含量增加，材料性能持續提高，但熱加工性能下降；加入昂貴的合金元素鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩定性。其中最常用的是鉻鎳變形高溫合金葉片。

1.2制造技術

葉片是航空發動機關鍵零件它的制造量占整機制造量的三分之一左右。航空發動機葉片屬于薄壁易變形零件。如何控制其變形并高效、高質量地加工是目前葉片制造行業研究的重要課題之一。隨著數控機床的出現，葉片制造工藝發生重大變化，采用精密數控加工技術加工的葉片精度高，制造周期短，國內一般6～12個月（半精加工）；國外一般3～6個月（無余量加工）。

2.鑄造高溫合金葉片

2.1葉片材料

半個多世紀來，鑄造渦輪葉片的承溫能力從1940s年代的750℃左右提高到1990s年代的1700℃左右，應該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及表面涂層各方面共同發展所作出的共同貢獻。北京航空材料研究所、鋼鐵研究總院、沈陽金屬所是鑄造高溫合金的研制單位。

2005年，國內在一些新材料（如定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、金屬間化合物基高溫合金等）的研制和應用上，也逐步跟上了世界先進水平的步伐。但是與之相關的材料性能數據較為缺乏，給材料應用、航空發動機選材與設計帶來極大的困難。

2.2制造技術

真空熔煉技術。真空熔煉可顯著降低高溫合盒中有害于力學性能的雜質和氣體含量，而且可以精確控制合金成分.使合金性能穩定。

熔模鑄造工藝。國內外熔模鑄造技術的發展使鑄造葉片不斷進步，從最初的實心葉片到空心葉片，從有加工余量葉片到無余量葉片，再到定向（單晶）空心無余量葉片，葉片的外形和內腔也越來越復雜；空心氣冷葉片的出現既減輕了葉片重量，又提高了葉片的承溫能力。

定向凝固技術。該技術的發展使鑄造高溫合金承溫能力大幅度提高從承溫能力最高的等軸晶合金到最高的第三代單晶合金，其承溫能力約提高l50℃。

鑄造合金固有的較低屈服強度和疲勞性能，往往不能滿足葉片設計要求，近年來，出現了“細晶鑄造工藝”等技術，即利用鑄型及澆鑄溫度控制、凝固過程中機械電磁叫板、旋轉鑄造以及加入形核劑等方法，實現晶粒細化的。

3.超塑性成形鈦合金葉片

3.1葉片材料

目前，Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo及其他鈦合金，是超塑性成形葉片等最為常用的鈦合金。飛機發動機葉片等旋轉件用鈦合金作為材料。

對于CO2排放及全球石油資源枯竭的擔心，促使人們提高飛機效率、降低飛機重量。盡管復合材料的應用有增長趨勢，卻有制造費用高、不能回收、高溫性能較差等不足。鈦合金仍將是飛機發動機葉片等超塑性成形部件的主要材料。

我國耐熱鈦合金開發和應用方面也落后于其他發達國家，英國的600℃高溫鈦合金IMI834已正式應用于多種航空發動機，美國的Ti-1100也開始用于T55-712改型發動機，而我國用于制造壓氣機盤、葉片的高溫鈦合金尚正在研制當中。其它像纖維增強鈦基復合材料、抗燃燒鈦合金、Ti-Al金屬間化合物等雖都立項開展研究，但離實際應用還有一個過程。

3.2制造技術

早在上世紀70年代，鈦合金超塑性成形技術就在美國軍用飛機和歐洲協和飛機中得到了應用。在隨后的十年中，又開發了軍用飛機骨架和發動機用新型超塑性鈦合金和鋁合金。在軍用飛機及先進的民用渦扇發動機葉片等，均用超塑性成形技術制造，并采用擴散連接組裝。

4.新型材料葉片

4.1碳纖維/鈦合金復合材料葉片

美國通用公司生產的GE90-115B發動機，葉身是碳纖維聚合物材料，葉片邊緣是鈦合金材料，共有渦扇葉片22片，單重30～50磅，總重2000磅。能夠提供最好的推重比，是目前最大的飛機噴氣發動機葉片，用于波音777飛機，2010年9月在美國紐約現代藝術館展出。

4.2金屬間化合物葉片

盡管高溫合金用于飛機發動機葉片已經50多年了，這些材料有優異的機械性能，材料研究人員，仍然在改進其性能，使設計工程師能夠發展研制可在更高溫度下工作的、效率更高的噴氣發動機。不過，一種新型的金屬間化合物材料正在浮現，它有可能徹底替代高溫合金。

因為高溫合金在高溫工作下時會生成一種γ相，它是使材料具有高溫強度、抗蠕變性能和耐高溫氧化的主要原因。因此，人們開始了金屬間化合物材料的研究，金屬間化合物，密度只有高溫合金一半，至少可以用于低壓分段，用于取代高溫合金。

2010年，美國通用公司、精密鑄件公司等申請了一項由NASA支持的航空工業技術項目（AITP），通過驗證和評定鈦鋁金屬間化合物（TiAl，Ti-47Al-2Nb-2Cr，原子分數）以及現在用于低壓渦輪葉片的高溫合金，使其投入工業生產中。與鎳基高溫合金相比，TiAl金屬間化合物的耐沖擊性能較差；將通過疲勞試驗等，將技術風險降至最低。

參考文獻：

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作者簡介：周剛（1981.3—）男，裝備承制單位資格審查高級審查員，國家注冊質量管理體系審核員，2003年畢業于國防科技大學自動化控制專業，長期從事轉裝備承制與質量管理體系審核工作。