航空发动机叶片制造技术航空发动机叶片航空发动机叶片原理书 _叶片

涡轮叶片是整个飞机“核心中的核心”众所周知，航空发动机是整个飞机的核心所在，它的性能直接决定着飞机的整体性能，所以航空发动机也被称为“工业皇冠上的明珠” 。而在航空燃气涡轮发动机中工作环境最为恶劣、应力最为复杂的就是涡轮叶片了，同时涡轮叶片也是航空发动机在尺寸小、重量轻的需求上获得高性能的关键之处。所以，如果说航空发动机是整个飞机的核心，那涡轮叶片则是整个飞机“核心中的核心”！

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歼-20发动机尾喷口
对于航空发动机来说，温度的提升会带来热效率的提升的，相关研究表明，航空发动机涡轮前温度每提示55℃，在其他条件不变的情况下，发动机的推力可以提升10%左右。所以，在高性能航空发动机不断追寻大推力、高推重比的情况下，提升涡前轮温度自然成为了航空发动机大力发展的方向，而涡轮前温度的提升是要以高温下涡轮叶片材料性能（持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳等）的提升为基础的。

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大涵道比涡扇发动机剖析图
不过，在航空发动机不断发展的过程中，涡前轮温度（叶片的工作温度）的发展速度是远快于涡轮叶片材料的承载温度的。以现在的技术水平来看，航空发动机中一个“裸”的涡轮叶片的承载温度最多也就是只有1100℃左右，而叶片的工作温度却已经达到了1700℃，两者相差能有如此之大也离不开涡轮叶片各种冷却技术的发展。

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发动机涡轮部件结构与剖面图
高温合金的应用迎来涡轮叶片的第一次革命航空发动机涡轮叶片材料的第一次革命始于高温合金的出现，在上世纪40年代第一块高温合金被研制出来，之后高温合金凭借其优异的高温性能全面代替曾经的高温不锈钢，并在上世纪50年代被应用到了第一代航空燃气涡轮发动机之上，此时高温合金涡轮叶片的使用温度达到了800℃，由于承载温度与工作温度相差不大，所以这那时的涡轮叶片还没有使用冷却技术。

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航空发动机叶片
定向合金大幅提升叶片承载温度到了上世纪60年代，真空铸造技术的应用可以说就是高温合金发展史上最重大的事件之一，真空铸造大大减少有害于高温合金性能的杂质含量，提升了合金的纯净度，使得叶片的多种特性都得到提升。之后，为了解决合金中的“塑性低谷”问题，定向凝固合金技术也被发明了出来，因为定向凝固使合金的结晶方向平行于叶片的主应力轴方向，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，提高合金叶片的塑性和热疲劳性能。

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不同工艺下的涡轮叶片性能对比
此时，采用定向铸造高温合金制造的涡轮叶片承载温度达到了1000℃（约合1273K），相比于上一代的高温合金有了约200℃的提升，并且在结合简单的叶片气冷却技术之后，第二代航空燃气涡轮发动机的涡轮前温度达到了1300K-1500K，航空发动机性能进一步提升。
第一代单晶合金+气膜冷却技术在上世纪70年代，合金化理论和热处理工艺得到突破，此时的工艺可以在定向凝固合金的基础上完全消除晶界，单晶合金涡轮叶片制造技术由此诞生，也掀起了涡轮叶片所用材料的第二次革命，使得合金叶片的热强性能有了进一步的提高（约30℃），涡轮叶片的承载温度达到了1050℃（约合1323K）左右。

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不同工艺叶片的微观对比
不过，第三代航空燃气涡轮发动机的要求也使得涡轮叶片的工作温度与承载温度进一步拉大，由此开始涡轮叶片的冷却技术得到重视。通过在叶片上设计冷却通道和冷却孔，然后把压气机里几百摄氏度的“低温气体”引到涡轮叶片内部，再从叶片表面的冷却孔中喷出来就形成一道气膜，拥有隔绝温度较低的涡轮叶片与其所在工作环境中的高温燃气，这也就是气膜冷却技术。

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发动机叶片上的冷却孔特写
气膜冷却技术的应用，使得涡轮叶片的工作温度可以远大于叶片材料本身的承载的温度。所以在第一代单晶合金+单通道气膜冷却技术综合应用下，第三代航空发动机的涡轮前温度达到了1680K-1750K，推重比达到8的涡扇发动机开始出现（目前涡扇-10就处于这一代别）。

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