更高性能的航發(fā)，需要更高性能的渦輪葉片

要想獲得在尺寸小、重量輕的前提下獲得高性能，也就是通常所說的提高推重比（發(fā)動機的推力和自重的比值），主要的措施是提高燃氣溫度。數(shù)據(jù)顯示渦輪前進口溫度每提高100度，在發(fā)動機尺寸不變的條件下，推重比可以增加10%。

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早在1928年，英國工程師就提出了航空發(fā)動機的構(gòu)想。但是，直到1939年，第一臺發(fā)動機才問世。因為按照當時的設想，根本沒有材料扛得住它的高溫。

現(xiàn)在，主流航空設備上采用的是推重比是7-8的第三代航空發(fā)動機，如美國的F-15、F-16、F-18，中國的殲10、殲11等戰(zhàn)機，民航的各個系列如空客A320、波音737等。渦輪前進口溫度大約在1680-1750K。

美國普拉特·惠特尼公司研發(fā)的F119發(fā)動機（準備于美軍F-22戰(zhàn)機，世界上第一款五代機），推重比10.8，渦輪前進口溫度達到了1900K。這個溫度，已經(jīng)超過碳鋼的熔點上百度了。

除了高溫，渦輪葉片同時還在以極高速旋轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)導致渦輪葉片必須承擔極高的離心力。而在高溫下、高加載下，金屬材料會發(fā)生蠕變。簡單來說，蠕變是在一定溫度下，材料長期在較小的外力作用下發(fā)生形變。蠕變對于葉片來說不是好事，它能使葉片徑向伸長 、扭轉(zhuǎn)和彎曲，影響葉片的使用壽命。

另外，材料在使用時會發(fā)生疲勞，可能導致疲勞斷裂，危及安全。

因此，渦輪葉片材料既要耐高溫，又要低蠕變，耐疲勞、力學性能還要好。要說它好造，那恐怕現(xiàn)在也沒有其他難造的東西了。

渦輪葉片選材

越來越高的標準，渦輪葉片自然不能使用等閑材料。從第三代航發(fā)，一般采用單晶或者定向合金制造渦輪葉片。

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通常鑄造的金屬材料都是多晶的，為什么要用單晶或者定向合金？

對于多晶材料，晶粒與晶粒之間有晶界。在某些場合下，晶界對于材料性能提高有好處。但在上個世紀60年代，美國惠普公司發(fā)現(xiàn)對于渦輪葉片來說，晶界是個“壞孩子”。普通鑄造多晶高溫合金中與應力軸垂直的晶界是高溫應力下產(chǎn)生裂紋的“源頭”，所以必須減少晶界，由此發(fā)展了高溫合金定向凝固技術。

定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，可以改善合金的強度、塑性、熱疲勞性，使渦輪葉片的使用溫度達到了 1273K 。

進一步，航空業(yè)發(fā)展了單晶合金渦輪葉片，其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高。

但是，單晶合金渦輪葉片的制造工藝難度可就高了許多。目前，最常使用的用于制造單晶葉片的工藝方法是螺旋選晶法，其基本原理就是利用選晶器的這種狹窄界面，只允許一個晶粒長出它的頂部，然后這個晶粒長滿整個型腔，從而得到單晶體。

其晶體競爭生長機制是螺旋結(jié)構(gòu)總的攀升走向正好與散熱方向相反，致使螺旋體內(nèi)散熱均勻，因此在整個螺旋形生長過程中，位向最適合生長的那個晶粒將其他眾多的初生晶粒一一淘汰，不斷長出枝晶并最終進入試樣本體成為單晶鑄件。

單向散熱看似簡單，其實這個過程是極其難控制的，這涉及到材料本身及鑄模的熱物理特性，并且考慮制造過程中的散熱條件等因素的影響，以及晶體的生長速度等，這些都需要經(jīng)過嚴格的實驗設計以及大量的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后才能夠得出準確的結(jié)果，難度非常之大。

此外，高溫合金中還添加微量元素提高使用溫度。第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸、適當增大了鈷和鉬的含量，使其工作溫度提高了30 K。

第三代單晶合金Rene N6和CMSX-10加入高達5wt％以上的錸，顯著提高高溫蠕變強度。第四代單晶合金，通過添加釕，進一步提高了合金微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使用溫度已達到了1473K。

冷卻技術

不過采用單晶高溫合金材料并不能解決問題。實際上，單靠尋找更耐高溫的材料來滿足更高渦輪前溫度是不切實際的。目前，渦輪前進口溫度已達到了 2000K 左右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K。而近年來，渦輪前溫度以每年平均提高 20K的速度增加，而金屬耐溫程度僅以每年約 8K的速度增加。

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兩者之間的缺口就必須依靠航發(fā)先進的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)，例如氣膜冷卻技術。通過噴入冷氣，借助高溫燃氣的壓力和摩擦力讓其粘附在壁面附近，形成一個較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃氣隔離，并帶走部分高溫燃氣或明亮火焰對壁面的輻射熱量，從而對壁面起到良好的保護作用。

據(jù)數(shù)據(jù)記載，目前的冷卻技術可以實現(xiàn)溫降已達400 K-600 K。

隨著航空發(fā)動機渦輪前溫度的不斷提升，原有的單通道空心冷卻葉片的冷卻效果已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實需求，發(fā)展更為先進更復雜的多通道多路冷卻方案成為下一代航發(fā)的關鍵技術。而每一次冷卻方案的優(yōu)化都對渦輪葉片的設計和制造提出了極大的考驗！

冷卻技術的發(fā)展，依然不能完全解決、或者滿足材料承載溫度與渦輪前進口溫度之間的差距。因此，還需要對在渦輪葉片燃氣流道表面噴涂熱障涂層。

熱障涂層（簡稱 TBC）是在零件表面沉積黏接 一層低導熱系數(shù)的材料，利用其低熱傳導特性，在其內(nèi)、 外表面形成溫降，用以降低零件表面工作溫度（或提高零件的承溫能力）的方法。據(jù)資料介紹，熱障涂層可取得 50K-150 K 的隔熱效果。

目前在渦輪發(fā)動機上獲得實際應用的熱障涂層均為雙層結(jié)構(gòu)： 表層為陶瓷層，主要起隔熱作用， 此外還起抗腐蝕、 沖刷和侵蝕的作用 ; 內(nèi)層為金屬粘接層， 主要起改善金屬基體與陶瓷層之間的物理相容性， 增強涂層抗高溫氧化性能的作用。

由于是把涂層涂覆在金屬基體上，需要考慮涂層的附著力，對金屬基體顯微組織穩(wěn)定性的影響以及涂層與金屬因熱膨脹系數(shù)差異而可能導致的剝落問題等，這就需要空心葉片金屬材料學科領域聯(lián)合諸多其他領域的相關專家合力公關、共同研發(fā)。