工業(yè)之花的心臟

鴻鵠

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造業(yè)被稱為“工業(yè)王冠上的明珠”。在這其中由于渦輪葉片處于整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)處于溫度、應(yīng)力等綜合工作環(huán)境最惡劣的部位，其作用一直被視為第一關(guān)鍵。因?yàn)楦鲊?guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)自成體系，雖然基本的思路是相似的，但在具體實(shí)現(xiàn)上，需要各國(guó)的航空人自行摸索。

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)國(guó)家的戰(zhàn)略意義，國(guó)外在相關(guān)技術(shù)方面一直對(duì)我國(guó)進(jìn)行封鎖和限制，而中國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也正是在這種封鎖中走出了自己獨(dú)特的體系。

高溫單晶是首要環(huán)節(jié)

航空事業(yè)的發(fā)展對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要求不斷提高，這使得渦輪進(jìn)氣口溫度不斷提高，要求發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件（渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等）具備很高的承溫能力和穩(wěn)定的高溫力學(xué)性能。在高溫下，不同方向的晶界對(duì)力學(xué)性能有害，是渦輪葉片產(chǎn)生裂縫的“源頭”。為了將這種有害效應(yīng)壓縮到極點(diǎn)，航空工業(yè)研發(fā)了單晶葉片（即只允許晶體向力學(xué)性能最好方向生長(zhǎng)），所以現(xiàn)今幾乎所有的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片均為單晶合金。

隨著合金設(shè)計(jì)理論水平的提高和鑄造工藝的進(jìn)步，以及錸（Re）、釕（Ru）等關(guān)鍵元素的添加，鎳基單晶高溫合金從20世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)的第一代單晶，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第五代單晶。每代之間的耐高溫性能有約30℃的提升，這對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命有著巨大的意義。我國(guó)新一代主力戰(zhàn)機(jī)殲20未來(lái)將配備的WS-15發(fā)動(dòng)機(jī)上則會(huì)用到第三代高溫單晶合金技術(shù)，證明了中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)上已經(jīng)有了較高的成熟度，并具備較強(qiáng)的產(chǎn)能。另外，有媒體報(bào)道，中國(guó)自主研發(fā)的第五代含錸單晶渦輪葉片項(xiàng)目在2014年就已經(jīng)正式投產(chǎn)，而目前公開報(bào)道研制第五代高溫單晶合金成功的只有中日兩國(guó)。

錸和釕元素由于儲(chǔ)量稀缺和價(jià)格昂貴，不能大量用于制備高溫合金。雖然軍用領(lǐng)域可以采用較高價(jià)格的材料，但是在民用化方面的發(fā)展受到嚴(yán)重制約。由于錸和釕儲(chǔ)量的相對(duì)不足，各國(guó)也在積極研發(fā)高性能、低成本的單晶高溫合金。在保證高溫性能的前提下，通過(guò)優(yōu)化合金成分，降低錸和釕在合金中的含量，以降低合金成本。

法國(guó)ONERA公司發(fā)展的無(wú)錸合金MC2已經(jīng)達(dá)到了第二代單晶高溫合金的性能水平。美國(guó)GE公司在第二代單晶高溫合金Rene N5 合金的基礎(chǔ)上研制了Rene N515（含1.5% 錸，“15”為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和Rene N500 （無(wú)錸） 合金。中國(guó)則自主研發(fā)了DD98系列無(wú)錸高性能合金。其高溫力學(xué)性能基本達(dá)到了第二代單晶高溫合金性能水平，在發(fā)展低成本合金方面較國(guó)外而言也取得了重要進(jìn)展。雖然中國(guó)在單晶高溫合金成分設(shè)計(jì)、制備技術(shù)、性能水平及應(yīng)用等方面與法美等國(guó)還存在著不小的差距，但這種差距正不斷地縮小。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱障涂層“保駕護(hù)航”

早在上個(gè)世紀(jì)末，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前端的工作溫度就已將近2000K，而如今更是接近2400K。這早已超過(guò)了單晶葉片的工作溫度極限，單單依靠提升渦輪葉片耐熱溫度是不行的，必須同時(shí)采用別的手段解決工作環(huán)境過(guò)熱的問(wèn)題。

在這種情況下，渦輪想要正常工作，就必須在葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)精心設(shè)計(jì)孔洞和空腔，實(shí)現(xiàn)氣膜冷卻，并且在高溫合金表面噴制吞熱障涂層，從而彌補(bǔ)燃?xì)鉁囟群徒饘倌褪軠囟戎g越來(lái)越大的差距。相應(yīng)地，這對(duì)于葉片相關(guān)材料的設(shè)計(jì)和加工要求也是水漲船高。

◎冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伴隨第一代高溫單晶出現(xiàn)的氣膜冷卻技術(shù)，是一種在渦輪葉片表面上排氣的冷卻系統(tǒng)。該冷卻技術(shù)的效果可達(dá)450℃以上。配合上熱障涂層，可以使渦輪前端工作在1680？l750K下，是現(xiàn)代渦輪高溫部件的主要冷卻方法。不過(guò)氣膜冷卻在單獨(dú)使用時(shí)并不是一種非常有效的冷卻方案。它一般要與對(duì)流、沖擊等冷卻方式相結(jié)合，在減少冷卻空氣量的同時(shí)提高冷卻效果。目前的一些較為先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)多采用了這種復(fù)合冷卻技術(shù)。

目前，傳統(tǒng)的復(fù)合冷卻空心葉片正在逐漸向雙壁復(fù)合冷卻的高效冷卻葉片發(fā)展。典型的技術(shù)是多孔層板發(fā)散冷卻。用這種技術(shù)制造的渦輪葉片由兩片組成。夾層內(nèi)部的高壓冷卻空氣通過(guò)內(nèi)部密集的錠狀迷宮通道后，從表面的排列孔沖出來(lái)。冷卻空氣在葉片與高溫燃?xì)庵g形成隔絕高溫的氣膜，可使葉片承受高達(dá)2200K左右的燃?xì)鉁囟?。這種冷卻結(jié)構(gòu)也具有對(duì)流、沖擊及氣膜冷卻的效果，冷卻氣流可減少40%。

在冷卻結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)上，中國(guó)的研發(fā)活動(dòng)具有很強(qiáng)的前瞻性。上世紀(jì)80年代，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片還在使用老式的定向柱狀合金。但那時(shí)，航空科研人員就已經(jīng)開始研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冷卻系統(tǒng)。相關(guān)的技術(shù)還用在了當(dāng)時(shí)的WP-13A/B、以及“昆侖”發(fā)動(dòng)機(jī)上，取得了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而目前投入使用的第三代高溫單晶使用了雙壁復(fù)合冷卻葉片技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有包括北京航空航天大學(xué)在內(nèi)的多個(gè)單位取得突破性的研究成果。

◎熱障涂層技術(shù)

先進(jìn)冷卻技術(shù)要求在葉片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)越來(lái)越精巧的冷卻通道，使得渦輪前端部件的成型加工工藝越來(lái)越復(fù)雜。而且高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中可用冷氣流量越來(lái)越少，僅僅依靠單晶葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冷卻技術(shù)已沒(méi)有多少提高降溫效果空間。在這種情況下，另一種降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件工作溫度的技術(shù)分支——TBC（熱障涂層）技術(shù)便得到了發(fā)展。

TBC技術(shù)的原理是在零件表面敷設(shè)一層低導(dǎo)熱性的材料，使得高溫燃?xì)夂腿~片內(nèi)部產(chǎn)生大約50K-150K的溫差，從而起到保護(hù)渦輪葉片的作用。TBC一般由兩個(gè)部分構(gòu)成。其外表面與高溫燃?xì)饨佑|，起隔熱作用，由導(dǎo)熱性較差的陶瓷氧化物組成。內(nèi)表面和與合金基底產(chǎn)生粘結(jié)作用，共同組成防熱系統(tǒng)。TBC可以明顯降低基底材料溫度，防止高溫腐蝕，延長(zhǎng)熱端部件使用壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率，被大量應(yīng)用在葉片、燃燒室、噴嘴和尾噴管等航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件。

自上世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本等發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家都競(jìng)相發(fā)展TBC涂層。國(guó)內(nèi)以北京航空材料研究院為代表的研究團(tuán)隊(duì)采用先進(jìn)電子束物理氣相沉積技術(shù)制備了相穩(wěn)定溫度超越1400℃、熱導(dǎo)率極低的熱障涂層。在雙陶瓷面層結(jié)構(gòu)新型熱障涂層、多元共穩(wěn)定體系等關(guān)鍵材料和技術(shù)問(wèn)題上都取得了重大的突破，使相關(guān)技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

材料加工工藝是核心

目前制約中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，不僅來(lái)源于材料技術(shù)，也有材料加工工藝積累不足的原因。換句話說(shuō)，即便知道材料是什么、擁有什么性質(zhì)，如何把它高質(zhì)量、低成本地制造出來(lái)，是一個(gè)更重要的問(wèn)題。

目前主流的葉片內(nèi)部復(fù)雜形狀冷卻結(jié)構(gòu)，一般是通過(guò)一次性鑄造加工的方法，在單晶材料中鑄造出小孔和冷卻通道。為了實(shí)現(xiàn)大量不同直徑、形狀和尺寸的氣膜孔，需要許多不同標(biāo)準(zhǔn)的工具，這給加工帶來(lái)極大的難度。目前主流的方法是采用電火花切割。但其加工速度慢，排除孔內(nèi)的加工屑非常困難，不易散熱，不適合大批量生產(chǎn)。

而新的超冷葉片技術(shù)對(duì)孔的數(shù)量和精度提出了新的要求。熱障涂層的引入，也讓傳統(tǒng)的工藝不再能滿足要求。新的葉片加工已經(jīng)引入了激光加工技術(shù)，用它來(lái)加工小孔，相較于傳統(tǒng)工藝來(lái)說(shuō)具備了很大的優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)的數(shù)控激光切割成套設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入了高速量產(chǎn)期。這是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工的和飛秒激光鉆孔核心技術(shù)。所謂飛秒激光鉆孔，即使用極高頻率的激光對(duì)材料進(jìn)行鉆孔（1飛秒=10-15秒）。由于它產(chǎn)生的脈沖激光時(shí)間極短，不會(huì)使被加工物體產(chǎn)生過(guò)多熱量，相較于傳統(tǒng)激光加工設(shè)備更適用于加工超冷葉片上的高精度小孔。另外激光加工能同時(shí)作用于金屬和非金屬。隨著未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料逐漸走向非金屬化、復(fù)合化，飛秒加工這種高精度、無(wú)機(jī)械變形、非接觸、適用性廣的技術(shù)將會(huì)有更大的用武之地，在成本上也具備很大優(yōu)勢(shì)。我國(guó)科學(xué)家攻克這一領(lǐng)域的技術(shù)難題將會(huì)使我們的發(fā)動(dòng)機(jī)整體水平再次突破。

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和材料學(xué)的工程師們?yōu)榱巳〉脺u輪葉片性能上的一丁點(diǎn)進(jìn)展，可以說(shuō)是“無(wú)所不用其極”。正因?yàn)槿绱?，才能鑄造出性能越來(lái)越強(qiáng)勁的飛機(jī)“心臟”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要相互匹配。如今，科研人員在科技創(chuàng)新和精益求精的精神引領(lǐng)下，中國(guó)終將迎來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的整體突破。