制造渦輪葉片的新方法

郭長輝

摘 要：對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，渦輪葉片是一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量將會(huì)直接對(duì)整個(gè)飛行器的運(yùn)行造成影響。本文首先探討了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片，介紹了其耐溫能力的影響因素，之后說明了如何提高其耐溫能力，進(jìn)而對(duì)渦輪制造的技術(shù)在未來的展望進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：冷卻葉片；單晶高溫合金；機(jī)械合金

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，渦輪葉片是一個(gè)非常關(guān)鍵的零部件，可以說其溫度承受能力可以在很大程度上影響到一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)而對(duì)其使用壽命造成影響。為了能夠讓渦輪葉片的耐溫能力得到提高，我們應(yīng)該從兩個(gè)方面進(jìn)行探討，一方面是葉片自身的材質(zhì)性能，另一方面是制造工藝。在鑄造工藝方面，高效冷卻葉片目前制造已經(jīng)十分復(fù)雜了，所以想要繼續(xù)提高鑄造水平難度是非常大的。對(duì)于葉面自身的性能來說，其改善可以從幾個(gè)不同方面入手，分別是合金成分、制作方法和處理方法。本文針對(duì)近年來渦輪葉片的耐高溫合金的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

1 渦輪葉片的性能

在燃?xì)廨啓C(jī)中，渦輪葉片是其中非常重要的一個(gè)零部件。渦輪葉片的工作環(huán)境是比較惡劣的，不僅葉片具有很高的工作溫度，在溫度最高的時(shí)候，燃?xì)鉁囟壬踔量赡軙?huì)達(dá)到1400℃，甚至更高，所以這就給葉片的高溫耐性提出了很高的要求，要求其即便在高溫的條件下，也有足夠的韌性和抗疲勞的性能；在另一方面來看，葉片的受熱是不均勻的，所以一定會(huì)存在較為明顯的熱應(yīng)力，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)的時(shí)候燃?xì)獾臏囟榷紩?huì)發(fā)生變化，這個(gè)過程中也會(huì)受到較大的熱沖擊，所以需要葉片具有足夠的耐沖擊性，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，進(jìn)而保證剛度和強(qiáng)度，這對(duì)其工藝具有非常高的要求。

目前渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)正在不斷向大推力發(fā)展，效率也會(huì)不斷提高，這也給渦輪葉片的制造提出了更高的要求。為了適應(yīng)這個(gè)現(xiàn)狀，需要我們不斷改進(jìn)葉片的結(jié)構(gòu)和葉片的材質(zhì)，這樣才能提高葉片合金的價(jià)值，讓其耐溫效果更好地發(fā)揮出來。

2 渦輪葉片合金制造工藝簡介

正常來說，高溫合金在耐高溫特性上是具有明顯的優(yōu)勢的，但是材料中的溫蠕變特性則存在著明顯的缺陷。如果使用了定向凝固，那么就直接可以決定晶粒的排列方式，讓其實(shí)現(xiàn)定向排列。主應(yīng)力方向大多存在于垂直方向，在這個(gè)方向沒有晶界存在，這也會(huì)直接降低熱應(yīng)力，讓材料在溫度不均勻情況下具有更好的應(yīng)力，這也能大大提高材料的使用壽命。

為了獲得定向晶粒結(jié)構(gòu)，合金凝固時(shí)液固界面應(yīng)垂直于凝固方向，使熱量從凝固鑄件中導(dǎo)出，這個(gè)過程是在真空定向滬中完成的，即將熔化金屬澆入底部直接與水激冷板接觸的型腔中，模殼置于感應(yīng)加熱爐中，以保證縱向的溫度梯度。在激冷板上形成激冷等軸晶，由干液固界面前沿溫度梯度作用和枝晶擇優(yōu)生長的結(jié)果，形成沿片晶向定向排列的樹枝晶，控制模殼從加熱爐中抽出，則樹枝晶將長滿整個(gè)型腔，形成完整的定向葉片。實(shí)現(xiàn)以上過程，定向爐是關(guān)鍵設(shè)備。大量研究工作表明，葉片合金定向凝固時(shí)，提高液固界面前沿液相中的溫度梯度可以改善凝固組織，大幅度地提高定向葉片的性能，因此發(fā)展高溫度梯度定向爐是目前定向和單晶技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。定向爐具有自動(dòng)化程度高、性能可靠等特點(diǎn)。葉片制造工藝從等軸晶到定向柱晶和定向單晶，不僅在晶粒結(jié)構(gòu)控制上取得了很大進(jìn)展，鑄造性能也有了較大提高，已經(jīng)能夠生產(chǎn)薄壁和具有復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片。對(duì)單晶葉片晶體取向的控制，將進(jìn)一步發(fā)揮單晶的性能特點(diǎn)。

3 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造工藝的發(fā)展

經(jīng)過了多年的發(fā)展，我國渦輪葉片的制造工藝已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，從另一方面來看，目前用于制造渦輪葉片的多種合金都有自身的優(yōu)勢，但同時(shí)也都存在著一些缺陷。所以這樣看來，最為理想的渦輪葉片材料就是復(fù)合結(jié)構(gòu)葉片，其由不同材料組成，在不同 的區(qū)域分別由不同的材料構(gòu)成，這樣才能在最大限度上發(fā)揮出各種材料的優(yōu)勢，結(jié)合其所處的區(qū)域來選擇最需要的合金材料。目前來看，在符合葉片當(dāng)中，最為符合這種結(jié)構(gòu)的就是層板式葉片，雖然這種葉片冷卻效率很高，耐溫能力很強(qiáng)，但是其工藝非常復(fù)雜，并且成本較高，所以難以推廣使用。

在渦輪葉片制作的材料當(dāng)中，單晶鎳基高溫合金這種材料的應(yīng)用大幅提高了渦輪的進(jìn)口溫度，并且隨著技術(shù)的改進(jìn)和工藝的完善，這種合金的耐溫能力還會(huì)不斷提高，但是其在高溫狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定特性，這也會(huì)在一定程度上限制其耐溫能力，所以在未來一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)其優(yōu)化的方式仍然會(huì)以提高其耐溫性能為主。機(jī)械合金在高溫條件下穩(wěn)定程度較高，但是其僅僅可以在較低應(yīng)力的條件下發(fā)揮出正常作用，這直接會(huì)影響到應(yīng)用范圍。在今后還會(huì)進(jìn)一步針對(duì)溫蠕變強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度進(jìn)行改善，這樣才能避免韌性對(duì)其造成影響。

在鎳基高溫合金當(dāng)中，無論采用哪種合金成分或者加工工藝，鎳基合金的初融溫度都會(huì)直接決定合金整體的耐溫能力。如果想要達(dá)到更高的渦輪進(jìn)口溫度，那么很多碳纖維材料和氮化硅陶瓷材料都可以發(fā)揮很好的效果。然而這種材料本身也存在著非常明顯的缺陷，那就是脆性非常明顯，如果結(jié)合具體的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，會(huì)在一定程度上克制這種脆性，同時(shí)對(duì)于壽命的測試也取得了一定的進(jìn)展，在未來，這種材料的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

4 渦輪葉片制造的新方法

目前德國已經(jīng)有鑄造企業(yè)研制出了一種制造渦輪葉片的新方法，和舊有的外部加熱系統(tǒng)有所不同，這種方式在加工和制造的過程中可以更好地融入?yún)?shù)控制系統(tǒng)，這樣就能夠直接在結(jié)晶面形成熱流，給加工提供了很大的幫助。根據(jù)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行的研究我們發(fā)現(xiàn)，使用這種工藝，其在復(fù)雜零件的制造時(shí)，造價(jià)更為低廉，并且自由度更高，這種技術(shù)仍然會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)，將用于直升機(jī)的推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)之中。

結(jié)語

經(jīng)過本文總結(jié)，我們已經(jīng)知道，在當(dāng)前渦輪葉片設(shè)計(jì)過程中，首要考慮到的因素就是熱應(yīng)力和耐熱性，這也是由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)仍然會(huì)不斷提高效率，所以自然也就對(duì)各部件提出了分工的要求。在未來的一段時(shí)間內(nèi)，葉片的材料還會(huì)不斷改進(jìn)，制造過程中的要點(diǎn)也越來越多，隨著技術(shù)的改進(jìn)，渦輪葉片的性能也會(huì)越來越高，而其成分也會(huì)產(chǎn)生一些非常關(guān)鍵的影響，本文首先介紹了渦輪葉片的特點(diǎn)，之后介紹了一些渦輪葉片制造的新工藝，希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。

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