制造涡轮叶片的新方法

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郭长辉

摘 要：对于航空发动机来说，涡轮叶片是一个非常重要的结构，其设计和制造的质量将会直接对整个飞行器的运行造成影响。本文首先探讨了航空发动机的涡轮叶片，介绍了其耐温能力的影响因素，之后说明了如何提高其耐温能力，进而对涡轮制造的技术在未来的展望进行了介绍。

关键词：冷却叶片；单晶高温合金；机械合金

中图分类号：TP391 文献标志码：A

对于航空发动机来说，涡轮叶片是一个非常关键的零部件，可以说其温度承受能力可以在很大程度上影响到一个发动机的性能，进而对其使用寿命造成影响。为了能够让涡轮叶片的耐温能力得到提高，我们应该从两个方面进行探讨，一方面是叶片自身的材质性能，另一方面是制造工艺。在铸造工艺方面，高效冷却叶片目前制造已经十分复杂了，所以想要继续提高铸造水平难度是非常大的。对于叶面自身的性能来说，其改善可以从几个不同方面入手，分别是合金成分、制作方法和处理方法。本文针对近年来涡轮叶片的耐高温合金的应用情况进行了介绍。

1 涡轮叶片的性能

在燃气轮机中，涡轮叶片是其中非常重要的一个零部件。涡轮叶片的工作环境是比较恶劣的，不仅叶片具有很高的工作温度，在温度最高的时候，燃气温度甚至可能会达到1400℃，甚至更高，所以这就给叶片的高温耐性提出了很高的要求，要求其即便在高温的条件下，也有足够的韧性和抗疲劳的性能；在另一方面来看，叶片的受热是不均匀的，所以一定会存在较为明显的热应力，在发动机启动和停机的时候燃气的温度都会发生变化，这个过程中也会受到较大的热冲击，所以需要叶片具有足够的耐冲击性，保证结构内部不会产生过大的热应力，进而保证刚度和强度，这对其工艺具有非常高的要求。

目前涡轮發动机正在不断向大推力发展，效率也会不断提高，这也给涡轮叶片的制造提出了更高的要求。为了适应这个现状，需要我们不断改进叶片的结构和叶片的材质，这样才能提高叶片合金的价值，让其耐温效果更好地发挥出来。

2 涡轮叶片合金制造工艺简介

正常来说，高温合金在耐高温特性上是具有明显的优势的，但是材料中的温蠕变特性则存在着明显的缺陷。如果使用了定向凝固，那么就直接可以决定晶粒的排列方式，让其实现定向排列。主应力方向大多存在于垂直方向，在这个方向没有晶界存在，这也会直接降低热应力，让材料在温度不均匀情况下具有更好的应力，这也能大大提高材料的使用寿命。

为了获得定向晶粒结构，合金凝固时液固界面应垂直于凝固方向，使热量从凝固铸件中导出，这个过程是在真空定向沪中完成的，即将熔化金属浇入底部直接与水激冷板接触的型腔中涡轮叶片，模壳置于感应加热炉中，以保证纵向的温度梯度。在激冷板上形成激冷等轴晶，由干液固界面前沿温度梯度作用和枝晶择优生长的结果，形成沿片晶向定向排列的树枝晶，控制模壳从加热炉中抽出，则树枝晶将长满整个型腔，形成完整的定向叶片。实现以上过程，定向炉是关键设备。大量研究工作表明，叶片合金定向凝固时，提高液固界面前沿液相中的温度梯度可以改善凝固组织，大幅度地提高定向叶片的性能，因此发展高温度梯度定向炉是目前定向和单晶技术发展的一个重要方面。定向炉具有自动化程度高、性能可靠等特点。叶片制造工艺从等轴晶到定向柱晶和定向单晶，不仅在晶粒结构控制上取得了很大进展涡轮叶片，铸造性能也有了较大提高，已经能够生产薄壁和具有复杂冷却结构的涡轮叶片。对单晶叶片晶体取向的控制，将进一步发挥单晶的性能特点。

3 涡轮发动机叶片制造工艺的发展

经过了多年的发展，我国涡轮叶片的制造工艺已经有了长足的进步，从另一方面来看，目前用于制造涡轮叶片的多种合金都有自身的优势，但同时也都存在着一些缺陷。所以这样看来，最为理想的涡轮叶片材料就是复合结构叶片，其由不同材料组成，在不同 的区域分别由不同的材料构成，这样才能在最大限度上发挥出各种材料的优势，结合其所处的区域来选择最需要的合金材料。目前来看，在符合叶片当中，最为符合这种结构的就是层板式叶片，虽然这种叶片冷却效率很高，耐温能力很强，但是其工艺非常复杂，并且成本较高，所以难以推广使用。

在涡轮叶片制作的材料当中，单晶镍基高温合金这种材料的应用大幅提高了涡轮的进口温度，并且随着技术的改进和工艺的完善，这种合金的耐温能力还会不断提高，但是其在高温状态下会呈现出一定的不稳定特性，这也会在一定程度上限制其耐温能力，所以在未来一段时间内，对其优化的方式仍然会以提高其耐温性能为主。机械合金在高温条件下稳定程度较高，但是其仅仅可以在较低应力的条件下发挥出正常作用，这直接会影响到应用范围。在今后还会进一步针对温蠕变强度和拉伸强度进行改善，这样才能避免韧性对其造成影响。

在镍基高温合金当中，无论采用哪种合金成分或者加工工艺，镍基合金的初融温度都会直接决定合金整体的耐温能力。如果想要达到更高的涡轮进口温度，那么很多碳纤维材料和氮化硅陶瓷材料都可以发挥很好的效果。然而这种材料本身也存在着非常明显的缺陷，那就是脆性非常明显，如果结合具体的优化和设计，会在一定程度上克制这种脆性，同时对于寿命的测试也取得了一定的进展，在未来，这种材料的应用也会越来越广泛。

4 涡轮叶片制造的新方法

目前德国已经有铸造企业研制出了一种制造涡轮叶片的新方法，和旧有的外部加热系统有所不同，这种方式在加工和制造的过程中可以更好地融入参数控制系统，这样就能够直接在结晶面形成热流，给加工提供了很大的帮助。根据对该技术进行的研究我们发现，使用这种工艺，其在复杂零件的制造时，造价更为低廉，并且自由度更高，这种技术仍然会在未来一段时间内继续发展和改进，将用于直升机的推进发动机之中。

结语

经过本文总结，我们已经知道，在当前涡轮叶片设计过程中，首要考虑到的因素就是热应力和耐热性，这也是由于涡轮发动机仍然会不断提高效率，所以自然也就对各部件提出了分工的要求。在未来的一段时间内，叶片的材料还会不断改进，制造过程中的要点也越来越多，随着技术的改进，涡轮叶片的性能也会越来越高，而其成分也会产生一些非常关键的影响，本文首先介绍了涡轮叶片的特点，之后介绍了一些涡轮叶片制造的新工艺，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。

参考文献

[1]李涤尘，吴海华，卢秉恒.快速原型 制造技术/型芯型壳一体化空心涡轮叶片制造方法[J].航空制造技术，2009（3）：36-42.

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中国新技术新产品2018年5期

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