航空发动机

随着社会的不断发展，飞行器的性能正日新月异提升，航空发动机作为飞行器的核心，在现代航空飞行器的发展中扮演的角色也越来越重要。航空发动机和地面燃气轮机被誉为现代工业的“皇冠”, 是国家综合实力的重要标志之一。提高航空发动机的性能就必须提升其关键部件——涡轮叶片的性能。涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“皇冠上的明珠”。


概述

涡轮叶片也称动叶片，是涡轮发动机中工作条件最恶劣的部件，又是最重要的转动部件。在航空发动机热端部件中，涡轮叶片承受发动机起动、停车循环的高温燃气冲刷、温度交变，转子叶片受高转速下的离心力作用，要求材料在高温下具有一定蠕变强度、热机械疲劳强度、抗硫化介质腐蚀等。先进航空发动机的燃气进口温度达1380℃，推力达226KN。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶片部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为280~560MPa,相应的叶身承受温度为650~980℃，叶根部分约为760℃。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为一种型号发动机先进程度的重要标志,从某种意义上说，未来发动机叶片的铸造工艺直接决定了发动机的性能 ,也是一个国家航空工业水平的显著标志。因此，涡轮叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度、可铸性及较低的密度。


燃机功率的不断提高,是靠提高透平进气温度来实现的, 需要采用承温能力愈来愈高的先进叶片。除了高温条件,热端叶片的工作环境还处在高压、高负荷、高震动、高腐蚀的极端状态, 因而要求叶片具有极高的综合性能,这就需要叶片采用特殊的合金材料(高温合金),利用特殊的制造工艺(精密铸造加定向凝固)制成特殊的基体组织(单晶组织), 才能最大可能地满足需要。复杂单晶空心涡轮叶片已经成为当前高推重比发动机的核心技术,正是先进单晶合金材料的研究使用和双层壁超气冷单晶叶片制造技术的出现, 使单晶制备技术在当今最先进的军用和商用航空发动机发挥关键作用。目前, 单晶叶片不仅早已安装在所有先进航空发动机上,也越来也多地用在了重型燃气轮机上。     

         
发展历史

20世纪60年代中期，美国PW公司的F.L.Varsnyder及同事们发明了高温合金定向凝固技术，使合金的晶粒沿热流流失方向定向排列，基本消除垂直于应力轴的薄弱的横向晶界，这使铸造合金的力学性能又上一个新台阶。70～80年代，又由铸造的多品结构发展为定向结晶结构，现在已实现能将整个叶片铸成一个晶体，即单晶叶片，单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。这种改进不仅可提高叶片的耐高温性能，还能延长叶片在高温条件下的工作寿命。

                 
涡轮叶片合金的承温能力

20世纪70年代，美国首先用在军用发动机上，然后在民用飞机上使用PWA1422定向叶片，到80年代又在F100发动机上使用PWA1480单晶叶片.从此，定向和单晶叶片成为各类先进发动机的重要特色，定向凝固技术的发展使铸造高温合金承温能力大幅度提高.80年代后发动机推重比由8提高至10，涡轮叶片开始用第一代单晶高温合金PWA1480和RenéN4等。随后采用第二代单晶合金PWA1484，在1100℃、100h持久强度达140MPa。20世纪90年代后研制第三代单晶合金有RenéN6、CMRX-10、添加铼(5%～7%)或钨和钽等元素，提高合金的熔点、初熔温度、使用温度。研究表明，第3代单晶高温合金CMSX-10比第 2 代单晶合金CMSX-4 具有十分明显的蠕变强度优势。通过叶片内孔冷却 (≥ 400℃)和表面隔热涂层(≥150℃)，从而使涡轮前温度达到1650℃。导向叶片用金属间化合物合金在1200℃，100h持久强度达100MPa。1550℃以下陶瓷复合材料及1650℃以上C/C 复合材料是涡轮叶片和导向叶片的后继材料。

英国RR公司近年研制的第四代单晶合金RR3010的承温能力比定向柱晶合金约高100℃。目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色,正在研制中的推重比为10的发动机F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。美国的Howmet公司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及英国RR公司,法国的CNECMA公司,俄罗斯的SALUT发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件,品种包括涡轮叶片、导向叶片、叶片内外环、喷嘴扇形段、封严块、燃油喷嘴等,用于军用和商用飞机、坦克、舰船、工业燃气轮机、导弹、火箭、航天飞机等。

涡轮叶片制造技术

涡轮叶片的发展经历了细晶强化、定向凝固和铸造单晶三个阶段。


半个多世纪以来，涡轮叶片的承温能力从上世纪 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而镍基高温合金单晶叶片与定向凝固叶片相比可提高工作温度 25℃~50℃，而每提高 25℃从工作效率的角度来说就相当于提高叶片工作寿命 3 倍之多。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展所做出的共同贡献。
   
现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119 发动机涡轮前温度高达 1900~2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度，甚至会被熔化，无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比 10 一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能主要取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷。


单晶叶片的凝固缺陷

单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严格的发动机零件。制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模X 光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X 光检查、X 光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检等制造环节。除此之外，还必须完成涡轮叶片精铸模具设计和制造工作。

砂尘冲蚀测试

叶片三维数据型面检测

高温合金单晶化工艺

从加工工艺上来分，高温合金有变形、铸造和粉末高温合金。从上世纪 40年代起至今，铸造高温合金有了很大的发展。包括镍基和钴基合金，经常使用的合金不下几十种。为了满足实际生产的需要和充分发挥铸造合金的综合性能，采用了一些措施来控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。


各种涡轮工作叶片的晶体结构

高温合金单晶化的方法通常分为液相法，气相法，和固相法三种。概括起来就是控制形核和抑制生长。为了使铸件单晶化，必须严格控制凝固时间的温度梯度。

1）液相法

液相法是从液体中结晶出单晶体的方法。基本原理是设法使液体结晶时只有一个晶核形成并长大，它可以是事先制备好的籽晶（小尺寸单晶），也可以是在液体中析出的晶核。液体可以是水溶液，但更多的是高温下的熔体。其中垂直提拉法是制备大尺寸单晶硅（重达十几公斤）的主要方法。先将材料放入坩埚熔化，将籽晶放在籽晶杆上，下降到与熔体接触，然后使坩埚温度缓慢下降，并向上旋转提拉籽晶杆，这样液体以籽晶为核心不断长大，形成单晶体。为保证材料纯度，避免非均匀形核，全部操作应在真空或惰性气体保护下进行。
另一种方法是尖端形核法，其原理是将材料放入具有尖底的容器中熔化，然后使容器从加热炉中缓慢退出，让尖端部分先冷却，形成第一个晶核，并不断长大，形成单晶体。
      
尖端形核法示意图

2）选晶法

选晶法的原理是具有狭窄截面的选晶器只允许一个品粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个铸型型腔,从而得到整体只有一个晶粒的单晶部件。选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法,选晶行为对单晶凝固组织以及单晶缺陷的形成有重要影响,最终作用于合金的力学性能。通常把常见的单晶选晶器归纳为 4 种类型: 转折型、倾斜型、尺度限制型(缩颈选晶器)和螺旋型。螺旋型选晶器是目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型。
     

3）籽晶法

制取单晶的另一种方法是籽晶法材料和要铸造部件相同的籽晶安放在模壳的最底端,它是金属和水冷却铜板接触的唯一部分。具有一定过热的熔融金属液在籽晶的上部流过,使籽晶部分熔化,这就避免了由于籽晶表面不连续或加工后的残余应力引发的再结晶所造成的等轴晶形核。同时，过热熔融金属的热量把模壳温度升高到了合金的熔点以上,防止了在模壳壁上形成新的晶粒。金属熔液就从剩余的籽晶部分发生外延生长,凝固成三维取向和籽晶相同的单晶体。
       

4）气相法

直接从气体中凝固或利用气相化学反应制备单晶体的方法。包括升华法（如硫化镉和硫化锌单晶）、气相反应法（如氧化锌、氮化铝和氮化钒单晶）、气相分解法（如低价氧化物和金属单晶）、气相外延法（如砷化镓、磷化镓、砷化铟和磷化铟单晶）。


          化学气相沉积合成石墨烯

应用差距


国内外各时期典型叶片材料的使用温度对比            

罗.罗公司的Trent800发动机的涡轮叶片使用第三代单晶合金CMSX-10制造，工作温度达1204℃。我国第一代单晶合金为DD3，于20世纪90年代用于航空发动机涡轮叶片，该合金相当于美国第一代单晶合金PWA1480。我国第二代单晶合金DD6也用于航空发动机涡轮叶片。


目前先进的燃气涡轮发动机几乎都采用单晶铸造合金叶片。单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片的重要材料，承受着最苛刻的工作条件，从F100-PW-220发动机用于PWA1480第一代单晶合金到EJ200和F119采用的RR3000和CMXS10的第三代单晶，使涡轮进口温度提高了80℃，接近材料的初熔温度。美国普惠公司建立了单晶叶片生产线，年产量达9万片。据统计，现在至少有六种军用机和民航机使用了单晶铸造叶片，工作时数达960万h，这些飞机包括F-16、波音767、空客A310、AH-1T直升机、米格-29、苏-27等。


单晶涡轮叶片，目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数几个国家能够制造。近年来，国内在单晶涡轮叶片制造中也取得了较大的进步，研制并批量生产了高功重比涡轴发动机单晶涡轮叶片。   

展望未来

20世纪70年代以来,各国都对其他系列的高温材料进行过大量的研究,但是,迄今还没有一类材料能像铸造高温合金这样具有良好的综合性能。在本世纪,通过优化的合金设计,再加上定向工艺的继续进步,将研究出超过现有合金强度和承温能力的单晶高温合金。在本世纪的相当长时期内,单晶合金仍将是燃气涡轮发动机最重要的材料。目前正在大力开发陶瓷等新材料、新技术，估计在不远的将来，新的、性能更好的、采用陶瓷材料制造的涡轮工作叶片及用其他新技术装备起来的航空发动机可望投入使用，到那时军、民用飞机的性能必将有大幅度的提高。

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随着社会的不断发展，飞行器的性能正日新月异提升，航空发动机作为飞行器的核心，在现代航空飞行器的发展中扮演的角色也越来越重要。航空发动机和地面燃气轮机被誉为现代工业的“皇冠”, 是国家综合实力的重要标志之一。提高航空发动机的性能就必须提升其关键部件——涡轮叶片的性能。涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“皇冠上的明珠”。


概述

涡轮叶片也称动叶片，是涡轮发动机中工作条件最恶劣的部件，又是最重要的转动部件。在航空发动机热端部件中，涡轮叶片承受发动机起动、停车循环的高温燃气冲刷、温度交变，转子叶片受高转速下的离心力作用，要求材料在高温下具有一定蠕变强度、热机械疲劳强度、抗硫化介质腐蚀等。先进航空发动机的燃气进口温度达1380℃，推力达226KN。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用，叶片部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为280~560MPa,相应的叶身承受温度为650~980℃，叶根部分约为760℃。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为一种型号发动机先进程度的重要标志,从某种意义上说，未来发动机叶片的铸造工艺直接决定了发动机的性能 ,也是一个国家航空工业水平的显著标志。因此，涡轮叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度、可铸性及较低的密度。


燃机功率的不断提高,是靠提高透平进气温度来实现的, 需要采用承温能力愈来愈高的先进叶片。除了高温条件,热端叶片的工作环境还处在高压、高负荷、高震动、高腐蚀的极端状态, 因而要求叶片具有极高的综合性能,这就需要叶片采用特殊的合金材料(高温合金),利用特殊的制造工艺(精密铸造加定向凝固)制成特殊的基体组织(单晶组织), 才能最大可能地满足需要。复杂单晶空心涡轮叶片已经成为当前高推重比发动机的核心技术,正是先进单晶合金材料的研究使用和双层壁超气冷单晶叶片制造技术的出现, 使单晶制备技术在当今最先进的军用和商用航空发动机发挥关键作用。目前, 单晶叶片不仅早已安装在所有先进航空发动机上,也越来也多地用在了重型燃气轮机上。     

         
发展历史

20世纪60年代中期，美国PW公司的F.L.Varsnyder及同事们发明了高温合金定向凝固技术，使合金的晶粒沿热流流失方向定向排列，基本消除垂直于应力轴的薄弱的横向晶界，这使铸造合金的力学性能又上一个新台阶。70～80年代，又由铸造的多品结构发展为定向结晶结构，现在已实现能将整个叶片铸成一个晶体，即单晶叶片，单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。这种改进不仅可提高叶片的耐高温性能，还能延长叶片在高温条件下的工作寿命。

                 
涡轮叶片合金的承温能力

20世纪70年代，美国首先用在军用发动机上，然后在民用飞机上使用PWA1422定向叶片，到80年代又在F100发动机上使用PWA1480单晶叶片.从此，定向和单晶叶片成为各类先进发动机的重要特色，定向凝固技术的发展使铸造高温合金承温能力大幅度提高.80年代后发动机推重比由8提高至10，涡轮叶片开始用第一代单晶高温合金PWA1480和RenéN4等。随后采用第二代单晶合金PWA1484，在1100℃、100h持久强度达140MPa。20世纪90年代后研制第三代单晶合金有RenéN6、CMRX-10、添加铼(5%～7%)或钨和钽等元素，提高合金的熔点、初熔温度、使用温度。研究表明，第3代单晶高温合金CMSX-10比第 2 代单晶合金CMSX-4 具有十分明显的蠕变强度优势。通过叶片内孔冷却 (≥ 400℃)和表面隔热涂层(≥150℃)，从而使涡轮前温度达到1650℃。导向叶片用金属间化合物合金在1200℃，100h持久强度达100MPa。1550℃以下陶瓷复合材料及1650℃以上C/C 复合材料是涡轮叶片和导向叶片的后继材料。

英国RR公司近年研制的第四代单晶合金RR3010的承温能力比定向柱晶合金约高100℃。目前几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色,正在研制中的推重比为10的发动机F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。美国的Howmet公司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及英国RR公司,法国的CNECMA公司,俄罗斯的SALUT发动机制造厂等厂商均大量生产单晶零件,品种包括涡轮叶片、导向叶片、叶片内外环、喷嘴扇形段、封严块、燃油喷嘴等,用于军用和商用飞机、坦克、舰船、工业燃气轮机、导弹、火箭、航天飞机等。

涡轮叶片制造技术

涡轮叶片的发展经历了细晶强化、定向凝固和铸造单晶三个阶段。


半个多世纪以来，涡轮叶片的承温能力从上世纪 40 年代的 750℃提高到了 90 年代的 1500℃左右再到目前的2000℃左右。而镍基高温合金单晶叶片与定向凝固叶片相比可提高工作温度 25℃~50℃，而每提高 25℃从工作效率的角度来说就相当于提高叶片工作寿命 3 倍之多。应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各方面共同发展所做出的共同贡献。
   
现代航空发动机涡轮前温度大大提升，F119 发动机涡轮前温度高达 1900~2050K，传统工艺铸造的涡轮叶片根本无法承受如此高的温度，甚至会被熔化，无法有效地工作。单晶涡轮叶片成功解决了推重比 10 一级发动机涡轮叶片耐高温的问题，单晶涡轮叶片优异的耐高温性能主要取决于整个叶片只有一个晶体，从而消除了等轴晶和定向结晶叶片多晶体结构造成晶界间在高温性能方面的缺陷。


单晶叶片的凝固缺陷

单晶涡轮叶片是目前航空发动机所有零件中制造工序最多、周期最长、合格率最低、国外封锁和垄断最为严格的发动机零件。制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模X 光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X 光检查、X 光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检等制造环节。除此之外，还必须完成涡轮叶片精铸模具设计和制造工作。

砂尘冲蚀测试

叶片三维数据型面检测

高温合金单晶化工艺

从加工工艺上来分，高温合金有变形、铸造和粉末高温合金。从上世纪 40年代起至今，铸造高温合金有了很大的发展。包括镍基和钴基合金，经常使用的合金不下几十种。为了满足实际生产的需要和充分发挥铸造合金的综合性能，采用了一些措施来控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。


各种涡轮工作叶片的晶体结构

高温合金单晶化的方法通常分为液相法，气相法，和固相法三种。概括起来就是控制形核和抑制生长。为了使铸件单晶化，必须严格控制凝固时间的温度梯度。

1）液相法

液相法是从液体中结晶出单晶体的方法。基本原理是设法使液体结晶时只有一个晶核形成并长大，它可以是事先制备好的籽晶（小尺寸单晶），也可以是在液体中析出的晶核。液体可以是水溶液，但更多的是高温下的熔体。其中垂直提拉法是制备大尺寸单晶硅（重达十几公斤）的主要方法。先将材料放入坩埚熔化，将籽晶放在籽晶杆上，下降到与熔体接触，然后使坩埚温度缓慢下降，并向上旋转提拉籽晶杆，这样液体以籽晶为核心不断长大，形成单晶体。为保证材料纯度，避免非均匀形核，全部操作应在真空或惰性气体保护下进行。
另一种方法是尖端形核法，其原理是将材料放入具有尖底的容器中熔化，然后使容器从加热炉中缓慢退出，让尖端部分先冷却，形成第一个晶核，并不断长大，形成单晶体。
      
尖端形核法示意图

2）选晶法

选晶法的原理是具有狭窄截面的选晶器只允许一个品粒长出它的顶部,然后这个晶粒长满整个铸型型腔,从而得到整体只有一个晶粒的单晶部件。选晶法是单晶高温合金叶片制备中最基本的工艺方法,选晶行为对单晶凝固组织以及单晶缺陷的形成有重要影响,最终作用于合金的力学性能。通常把常见的单晶选晶器归纳为 4 种类型: 转折型、倾斜型、尺度限制型(缩颈选晶器)和螺旋型。螺旋型选晶器是目前应用最广泛也是最成功的选晶器类型。
     

3）籽晶法

制取单晶的另一种方法是籽晶法材料和要铸造部件相同的籽晶安放在模壳的最底端,它是金属和水冷却铜板接触的唯一部分。具有一定过热的熔融金属液在籽晶的上部流过,使籽晶部分熔化,这就避免了由于籽晶表面不连续或加工后的残余应力引发的再结晶所造成的等轴晶形核。同时，过热熔融金属的热量把模壳温度升高到了合金的熔点以上,防止了在模壳壁上形成新的晶粒。金属熔液就从剩余的籽晶部分发生外延生长,凝固成三维取向和籽晶相同的单晶体。
       

4）气相法

直接从气体中凝固或利用气相化学反应制备单晶体的方法。包括升华法（如硫化镉和硫化锌单晶）、气相反应法（如氧化锌、氮化铝和氮化钒单晶）、气相分解法（如低价氧化物和金属单晶）、气相外延法（如砷化镓、磷化镓、砷化铟和磷化铟单晶）。


          化学气相沉积合成石墨烯

应用差距


国内外各时期典型叶片材料的使用温度对比            

罗.罗公司的Trent800发动机的涡轮叶片使用第三代单晶合金CMSX-10制造，工作温度达1204℃。我国第一代单晶合金为DD3，于20世纪90年代用于航空发动机涡轮叶片，该合金相当于美国第一代单晶合金PWA1480。我国第二代单晶合金DD6也用于航空发动机涡轮叶片。


目前先进的燃气涡轮发动机几乎都采用单晶铸造合金叶片。单晶高温合金是迄今在先进发动机中用作涡轮叶片的重要材料，承受着最苛刻的工作条件，从F100-PW-220发动机用于PWA1480第一代单晶合金到EJ200和F119采用的RR3000和CMXS10的第三代单晶，使涡轮进口温度提高了80℃，接近材料的初熔温度。美国普惠公司建立了单晶叶片生产线，年产量达9万片。据统计，现在至少有六种军用机和民航机使用了单晶铸造叶片，工作时数达960万h，这些飞机包括F-16、波音767、空客A310、AH-1T直升机、米格-29、苏-27等。


单晶涡轮叶片，目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数几个国家能够制造。近年来，国内在单晶涡轮叶片制造中也取得了较大的进步，研制并批量生产了高功重比涡轴发动机单晶涡轮叶片。   

展望未来

20世纪70年代以来,各国都对其他系列的高温材料进行过大量的研究,但是,迄今还没有一类材料能像铸造高温合金这样具有良好的综合性能。在本世纪,通过优化的合金设计,再加上定向工艺的继续进步,将研究出超过现有合金强度和承温能力的单晶高温合金。在本世纪的相当长时期内,单晶合金仍将是燃气涡轮发动机最重要的材料。目前正在大力开发陶瓷等新材料、新技术，估计在不远的将来，新的、性能更好的、采用陶瓷材料制造的涡轮工作叶片及用其他新技术装备起来的航空发动机可望投入使用，到那时军、民用飞机的性能必将有大幅度的提高。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... HKInIEnTTROdRdoB#rd