關(guān)于鑄造單晶葉片的專利技術(shù)綜述

萬鋒

摘 要：航空發(fā)動機是飛機的心臟，而渦輪葉片是航空發(fā)動機核心部件之一，被譽為“皇冠上的明珠”。渦輪葉片的制備工藝從早期的擠壓、鍛造發(fā)展為鑄造，經(jīng)歷了等軸晶葉片、定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片三個發(fā)展階段。作為最為先進的單晶葉片，其性能水平成為一種型號發(fā)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(yè)水平的顯著標志[1-4]。文章通過檢索國內(nèi)外鑄造單晶葉片的專利文獻，分析發(fā)現(xiàn)，鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進行冷卻，逐漸發(fā)展為空冷法、液態(tài)金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發(fā)展為現(xiàn)在主流的銅盤冷卻方式；選晶方式主要有轉(zhuǎn)折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主。

關(guān)鍵詞：專利；單晶葉片；鑄造

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0024-03

1 單晶葉片的概述

典型的單晶葉片制備裝置如圖1所示，葉片型殼設(shè)置于結(jié)晶器銅盤上，至于加熱區(qū)中，鑄造時鑄件以一定的速度從爐中移出，以形成一定的溫度梯度，從而制備形成單晶葉片[5]。

目前，我國將航空發(fā)動機列為國家戰(zhàn)略，涌現(xiàn)了J20、運20、C919等一批航空設(shè)備，振奮人心。通過對國內(nèi)外專利文獻進行梳理，發(fā)現(xiàn)對鑄造單晶葉片的研究主要集中于冷卻方式、啟晶方式、選晶方式、型殼上的改進以及熱處理方式等內(nèi)容。本文針對上述內(nèi)容，對國內(nèi)外鑄造單晶葉片的專利文獻進行檢索和分析。

2 鑄造單晶葉片的專利申請分析

筆者對涉及單晶葉片的鑄造的分類號進行了查詢，其主要涉及分類號：B22C9/04（用熔模方法）、B22C9/22（鑄型或型芯）、B22D27/04（影響金屬溫度，如用加熱或冷卻鑄型）、C30B11/00（正常凝固法或溫度梯度凝固法的單晶生長）。此外，筆者結(jié)合關(guān)鍵詞：葉片、渦輪、燃氣輪機、燃氣機、發(fā)動機等以及vane、blade、impeller、paddle、fan、single crystal等進行檢索。檢索截止日期為2017年06月08日，初步獲得1000余篇中外文專利，通過篩選，得到的有效樣本350余篇；經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，利用Excel對獲取的樣本數(shù)據(jù)的專利申請狀況進行統(tǒng)計分析。

2.1 國內(nèi)專利申請

通過檢索以及篩選，獲得國內(nèi)申請有效樣本共142篇，下面從樣本數(shù)據(jù)分析國內(nèi)申請的特點。

國內(nèi)專利申請的歷年分布：

由圖2可以看出，國內(nèi)鑄造單晶葉片專利申請始于1985年，而2000年以后進入蓬勃發(fā)展時期，特別是2010年后，專利申請量迅速增加。

由圖3可以看出，國內(nèi)申請主要是我國申請人，但也有四分之一以上為外國申請人的申請，國外申請以PCT、巴黎公約等形式進入中國，在中國進行專利布局，國內(nèi)申請人應該對此有一定的警覺性。

2.2 國外專利申請

通過篩選后獲得207篇涉及鑄造單晶葉片的外文專利，通過對其進行分析，有如下結(jié)論：

2.2.1 國外專利申請的歷年分布

由圖4可以看出，鑄造單晶葉片始于1965年，20世紀80年代后申請量有所增加，90年代中期最多，隨后趨于平穩(wěn)，稍有減少。

2.2.2國外專利申請人的公開國家分布

由圖5的國外專利申請的公開國家分布可以看出鑄造單晶葉片的專利布局，第一梯隊為美國、日本，申請量為20%左右，第二梯隊為德國、歐盟，第三梯隊為英國、加拿大、法國、俄羅斯。

3 鑄造單晶葉片的技術(shù)發(fā)展路線

3.1 冷卻方式

單晶的形成過程中冷卻方式很重要，根據(jù)冷卻形式不同，可以分為功率降低法、空冷法、噴霧冷卻法以及液態(tài)金屬冷卻法。

美國聯(lián)合飛機公司（NITED AIRCRAFT CORP）在US354

2120A中率先使用了功率降低法，鑄型固定于加熱區(qū)內(nèi)，提供加熱裝置以保證從頂部至冷卻銅盤之間形成所需的溫度梯度。功率降低法因其提供的冷卻速度不大，因此，現(xiàn)在單純使用功率降低法的已經(jīng)很少，一般會采用加熱區(qū)多段加熱以形成溫度梯度再配合抽拉后的空冷、水冷、液態(tài)金屬冷卻等多手段冷卻技術(shù)。1970年美國聯(lián)合飛機公司在IL37248D0中采用桿18控制鑄件撤離加熱區(qū)，進行空氣冷卻以加快冷卻速度以及結(jié)晶速度。1996年，西門子公司開始使用液態(tài)金屬3冷卻鑄件以進一步增大冷卻速率，如DE19647313A。1999年，俄羅斯航空材料科學研究所采用噴射惰性氣體結(jié)合水冷以增大冷卻的溫度梯度，如RU2152844C。

3.2 啟晶方式

啟晶是指熔融金屬首先開始凝固形成晶體。鑄造單晶葉片的啟晶方式主要有兩種，一種為水冷銅盤強制冷卻啟晶，另一種為預制晶籽啟晶。1965年，美國聯(lián)合飛機公司在US3542120A中率先使用了水冷銅盤配合起晶器進行啟晶。隨著工藝發(fā)展，雖然啟晶方式各異，但是基本上都是在這種水冷銅盤配合起晶器的基礎(chǔ)上進行的改進。1978年美國聯(lián)合飛機公司在DE2949446A開始使用晶種啟晶。相關(guān)采用晶種啟晶的專利申請還有：EP0496978B1、RU2167029C1、US2005025613

A1、RU2587116C1、US2009078390A1等。

由圖6可以看出，水冷銅盤加以起晶器的啟晶方式自誕生以來申請量穩(wěn)步提升，而晶種啟晶的方式相對來說專利申請數(shù)量上要少許多，主要是以銅盤冷卻為主要的啟晶方式。

3.3 選晶方式

晶粒取向主要是通過選晶器選擇的，選晶器在單晶葉片鑄造過程中起著舉足輕重的地位。選晶器可以分為傾斜式、轉(zhuǎn)折式和螺旋式等。早在1965年，美國聯(lián)合飛機公司在US3542120A中就發(fā)明了傾斜式和轉(zhuǎn)折式選晶器。轉(zhuǎn)折型的選晶器的專利申請有：GB2030233A、GB9121364D0、DE69316251endprint

T2、GB2260284A、JPH09317402A等。1970年美國聯(lián)合飛機公司在IL36489D0中開始使用螺旋式選晶器。

圖7為兩種形式的選晶方式的專利申請量隨時間分布，可以看出，20世紀90年代開始，螺旋式選晶器開始增多，而轉(zhuǎn)折式選晶器則逐漸減少。在螺旋式選晶器中，晶體橫向擇優(yōu)生長于螺旋結(jié)構(gòu)耦合作用，形成連續(xù)選晶過程。目前，單晶生產(chǎn)過程中主要通過螺旋選晶的方式進行單晶生產(chǎn)，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素均對選晶結(jié)果有影響，涉及的相關(guān)專利申請有：GB2003063B、GB2112309A、DE4209227C1、JPH11207451A、US2005205002A1等。

3.4 熱處理方式

為了使得鑄得的葉片具備更加持久強度極限和蠕變極限，一般需要對其進行熱處理，經(jīng)過多年的熱處理工藝發(fā)展，基本上形成了固溶+時效的熱處理方式，或者在其基礎(chǔ)上為了獲得所需性能采用回復退火（CN103451736A）、高溫時效+低溫時效（CN103436740A、CN103382536A）等。

4 結(jié)束語

通過對鑄造單晶葉片的國內(nèi)國外專利技術(shù)文獻進行檢索、篩選、梳理，通過梳理其技術(shù)分支，理清了鑄造單晶葉片的技術(shù)發(fā)展脈路。鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進行冷卻，逐漸發(fā)展為空冷法、液態(tài)金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發(fā)展為現(xiàn)在主流的銅盤冷卻方式；選晶方式主要有轉(zhuǎn)折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主；經(jīng)過多年的熱處理工藝發(fā)展，基本上形成了固溶+時效的熱處理方式。

參考文獻：

[1]卜昆，等.鎳基單晶葉片制造技術(shù)及再結(jié)晶研究進展[J].航空制造技術(shù)，2016（21）：34-40.

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[5]張光明，等.高溫合金定向凝固技術(shù)研究歷程及展望[J].鑄造技術(shù)，2013，34（7）：866-868.endprint