航发科普
每一个叶片里,都藏着一个宇宙
来源:       发布时间:2018-12-11

  宇宙的美在于神秘和深邃,仅仅银河系就蕴藏着难以计数的星系、恒星和尘埃,远远超过人类可以观测的范围。你知道么?在航空发动机的涡轮叶片中,也蕴藏着一个材料的“宇宙”,在这个“宇宙”中,原子和分子巧妙组合,帮助发动机满足各种性能需要。

涡轮叶片

  涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一,处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位,且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大,直接影响着航空发动机的性能。

  
  为了满足发动机性能、可靠性和寿命的要求,涡轮叶片材料需要具有优异的高温强度,良好的抗氧化、抗热腐蚀性以及良好的疲劳、断裂韧性等综合性能。

  材料研制

  叶片材料研制历程
  20世纪30年代,研究人员研制出拥有优异高温性能的高温合金,代替不锈钢,使叶片使用温度达到800℃。之后不久,真空冶炼技术的出现促进了铸造高温合金的发展,多晶合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。

  20世纪80年代,研究人员发现定向凝固技术,通过控制结晶生长速度,使晶粒择优生长,来改善合金的强度和塑性,提高合金的热疲劳性能。在此基础上,单晶高温合金开始发展,成为高性能航空发动机涡轮叶片的主导材料。

  制造工艺
  有了性能优异的材料还不够,航空发动机涡轮叶片还需要精密的制造技术——熔模铸造工艺。

  型芯、蜡模和壳型制备
  在空心叶片的熔模铸造中,常常使用陶瓷芯来制作气道:将陶瓷芯放入蜂蜡叶片中,包裹上瓷土进行加热,烧制后将内部的蜡排出,形成铸造空腔;蜡型涂上耐火涂料后,在高温下烧结,待蜡型熔化后形成一个坚硬的型壳,将熔融后的金属浇入型壳内腔,即可获得铸件。
   

  定向凝固
  在严格的温度控制下,使多个晶粒竞相生长,使优势晶粒进入型腔,随着固液界面的向前推进,该晶粒持续长大,从而得到单晶叶片。


  检验
  涡轮叶片制成后,需要用特殊的化学工艺将陶瓷芯溶解掉,接着打上冷却气孔、涂上隔热、降温的热障涂层,再经X光探伤检测后,叶片就制作完成了。

  冷却结构

  对于发动机而言,提高涡轮进口燃气温度能增大推力,从而提升发动机效率和推重比。目前的航空发动机,涡轮进口燃气温度都超出了耐高温叶片材料所能承受的极限温度,因此必须采用有效的冷却方式来降低涡轮叶片的壁面温度。

  涡轮叶片应用的冷却技术主要有对流冷却、冲击冷却、气膜冷却和层板冷却等。

未 来


  随着科技发展,增材制造技术、激光成型等技术将被使用到涡轮叶片的制造中,未来的涡轮叶将具有更加优异的性能,更好为飞机翱翔天空提供动力。(澳门葡京手机版网址航材院 赵云松)