航發科普
每一個葉片里,都藏著一個宇宙
來源:       發布時間:2018-12-11

  宇宙的美在于神秘和深邃,僅僅銀河系就蘊藏著難以計數的星系、恒星和塵埃,遠遠超過人類可以觀測的范圍。你知道么?在航空發動機的渦輪葉片中,也蘊藏著一個材料的“宇宙”,在這個“宇宙”中,原子和分子巧妙組合,幫助發動機滿足各種性能需要。

渦輪葉片

  渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的零件之一,處于發動機中溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位,且數量眾多、形狀復雜、尺寸要求高、加工難度大,直接影響著航空發動機的性能。

  
  為了滿足發動機性能、可靠性和壽命的要求,渦輪葉片材料需要具有優異的高溫強度,良好的抗氧化、抗熱腐蝕性以及良好的疲勞、斷裂韌性等綜合性能。

  材料研制

  葉片材料研制歷程
  20世紀30年代,研究人員研制出擁有優異高溫性能的高溫合金,代替不銹鋼,使葉片使用溫度達到800℃。之后不久,真空冶煉技術的出現促進了鑄造高溫合金的發展,多晶合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。

  20世紀80年代,研究人員發現定向凝固技術,通過控制結晶生長速度,使晶粒擇優生長,來改善合金的強度和塑性,提高合金的熱疲勞性能。在此基礎上,單晶高溫合金開始發展,成為高性能航空發動機渦輪葉片的主導材料。

  制造工藝
  有了性能優異的材料還不夠,航空發動機渦輪葉片還需要精密的制造技術——熔模鑄造工藝。

  型芯、蠟模和殼型制備
  在空心葉片的熔模鑄造中,常常使用陶瓷芯來制作氣道:將陶瓷芯放入蜂蠟葉片中,包裹上瓷土進行加熱,燒制后將內部的蠟排出,形成鑄造空腔;蠟型涂上耐火涂料后,在高溫下燒結,待蠟型熔化后形成一個堅硬的型殼,將熔融后的金屬澆入型殼內腔,即可獲得鑄件。
   

  定向凝固
  在嚴格的溫度控制下,使多個晶粒競相生長,使優勢晶粒進入型腔,隨著固液界面的向前推進,該晶粒持續長大,從而得到單晶葉片。


  檢驗
  渦輪葉片制成后,需要用特殊的化學工藝將陶瓷芯溶解掉,接著打上冷卻氣孔、涂上隔熱、降溫的熱障涂層,再經X光探傷檢測后,葉片就制作完成了。

  冷卻結構

  對于發動機而言,提高渦輪進口燃氣溫度能增大推力,從而提升發動機效率和推重比。目前的航空發動機,渦輪進口燃氣溫度都超出了耐高溫葉片材料所能承受的極限溫度,因此必須采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁面溫度。

  渦輪葉片應用的冷卻技術主要有對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻和層板冷卻等。

未 來


  隨著科技發展,增材制造技術、激光成型等技術將被使用到渦輪葉片的制造中,未來的渦輪葉將具有更加優異的性能,更好為飛機翱翔天空提供動力。(中國航發航材院 趙云松)

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