“微觀”航空發動機葉片

滕超逸

中國航發北京航空材料? ? ? ? ?研究院

每朵雪花中蘊藏了萬千變化，每片葉子同樣也不遑多讓。今天，讓我們來欣賞一款特殊的葉子：航空發動機葉片。別看這小小的葉片，內有大乾坤，它幾乎見證了我國幾代航空人近百年的篳路藍縷與不懈奮斗。

走進新時代，習近平總書記站在實現兩個一百年奮斗目標的戰略全局發出了建設世界航空強國的偉大號召。什么能夠標志一個國家的航空實力甚至整個國家的工業實力呢？那就是航空發動機制造技術！作為現代工業皇冠上的明珠和工業之花，航空發動機是飛機的動力，是飛機的心臟！

發動機當中最重要、數量最龐大的一款零件就是航空發動機葉片。按照功能和工作部件，葉片可分為風扇葉片、壓氣機葉片和渦輪葉片。而無論哪款葉片，它們都面臨一個共同的問題，那就是工作環境極為嚴苛。

正是通過葉片的高速旋轉，將高溫高壓氣體吸入燃燒室內，才能維持整個發動機的正常運轉，給飛行器提供足夠的動力。而且，葉片在工作過程中，長期經受著各種機油、冷卻液的沖刷。因此，航空發動機葉片的工作環境可總結為“三高一腐蝕”，即高溫、高速、高壓、腐蝕。在這樣的惡劣環境下，葉片損傷乃至失效的案例時有發生，例如因高溫產生的燒蝕，因外力或者內應力而造成的開裂、斷裂，或是因液體工作環境導致的腐蝕等。

因此，提升整個航空發動機性能的關鍵，在于如何賦予發動機葉片更高的耐熱能力。為了實現這一目標，航空人在葉片的微觀組織中一個叫作晶界的地方發現了解決辦法。

回顧整個航空發動機葉片的發展歷程，對于晶界的控制貫穿始終。那晶界究竟是什 么？

以初代高溫合金葉片——等軸晶葉片為例，它由多個大小相近的晶粒組成，等軸晶葉片就好比一塊水泥與許多石子隨機混合的混凝土，石子是晶粒，晶粒與晶粒之間的水泥便是晶界。在高溫條件下，水泥強度低于內部石子，于是遇上高溫，晶界開始軟化，再遇上發動機運作時巨大的離心力，葉片就會在晶界的位置出現開裂。在等軸晶葉片發展初期，其承溫能力大概在800攝氏度，看起來似乎已經很高了，但航空發動機運轉過程中，燃燒室內的最高溫度可達到2000攝氏度，顯然，這樣的葉片還無法滿足要求。

為了提高葉片的耐熱性，20世紀60年代，定向凝固技術應運而生，也成就了定向晶葉片。沿用之前的比喻，定向晶葉片中就不再是小石子了，而是一個個沿著徑向方向接近條狀的石頭，石頭與石頭間同樣由水泥粘合。這種結構極大地削弱了發動機葉片高速旋轉過程中離心力對葉片的破壞作用，因此定向晶葉片可承載接近1000攝氏度的高溫。然而，這種葉片對橫向的力仍然沒有足夠的抵抗能力。

為了進一步改善葉片性能，20世紀70年代，終于迎來了我們的第一片單晶高溫合金葉片。單晶，顧名思義，一個葉片只有一個晶粒。這下葉片就不再是混凝土，而是一整塊沒有任何水泥摻雜的長條形的石頭，其性能可想而知。時至今日，我國航空發動機葉片已經進入第五代單晶葉片的研制階段，其承溫能力直指1200攝氏度，這將極大推進我國航空強國建設，創造航空事業新的輝煌。