航空发动机叶片关键技术发展现状分析

航空发动机叶片关键技术发展现状分析

作者：周刚

来源：《商情》2020年第04期

【摘要】在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志，本文就航空发动机叶片的关键技术发展现状做一分析。

【关键词】航空发动机叶片高温合金铸造单晶涂层

航空发动机不断追求高推重比，使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求，因而国外自上世纪70年代以来纷纷开始研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料；单晶高温合金已经发展到了第3代。上世纪80年代，又开始研制了陶瓷叶片材料，在叶片上开始采用防腐、隔熱涂层等技术。

1.变形高温合金叶片

1.1叶片材料

变形高温合金发展有50多年的历史，国内飞机发动机叶片常用变形高温合金中随着铝、钛和钨、钼含量增加，材料性能持续提高，但热加工性能下降；加入昂贵的合金元素钴之后，可以改善材料的综合性能和提高高温组织的稳定性。其中最常用的是铬镍变形高温合金叶片。

1.2制造技术

叶片是航空发动机关键零件它的制造量占整机制造量的三分之一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件。如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。随着数控机床的出现，叶片制造工艺发生重大变化，采用精密数控加工技术加工的叶片精度高，制造周期短，国内一般6～12个月（半精加工）；国外一般3～6个月（无余量加工）。

2.铸造高温合金叶片

2.1叶片材料

半个多世纪来，铸造涡轮叶片的承温能力从1940s年代的750℃左右提高到1990s年代的1700℃左右，应该说，这一巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片设计和加工以及表面涂层各

方面共同发展所作出的共同贡献。北京航空材料研究所、钢铁研究总院、沈阳金属所是铸造高温合金的研制单位。

2005年，国内在一些新材料（如定向凝固高温合金、单晶高温合金、金属间化合物基高温合金等）的研制和应用上，也逐步跟上了世界先进水平的步伐。但是与之相关的材料性能数据较为缺乏，给材料应用、航空发动机选材与设计带来极大的困难。

2.2制造技术

真空熔炼技术。真空熔炼可显著降低高温合盒中有害于力学性能的杂质和气体含量，而且可以精确控制合金成分.使合金性能稳定。

熔模铸造工艺。国内外熔模铸造技术的发展使铸造叶片不断进步，从最初的实心叶片到空心叶片，从有加工余量叶片到无余量叶片，再到定向（单晶）空心无余量叶片，叶片的外形和内腔也越来越复杂；空心气冷叶片的出现既减轻了叶片重量，又提高了叶片的承温能力。

定向凝固技术。该技术的发展使铸造高温合金承温能力大幅度提高从承温能力最高的等轴晶合金到最高的第三代单晶合金，其承温能力约提高l50℃。

铸造合金固有的较低屈服强度和疲劳性能，往往不能满足叶片设计要求，近年来，出现了“细晶铸造工艺”等技术，即利用铸型及浇铸温度控制、凝固过程中机械电磁叫板、旋转铸造以及加入形核剂等方法，实现晶粒细化的。

3.超塑性成形钛合金叶片

3.1叶片材料

目前，Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo及其他钛合金，是超塑性成形叶片等最为常用的钛合金。飞机发动机叶片等旋转件用钛合金作为材料。

对于CO2排放及全球石油资源枯竭的担心，促使人们提高飞机效率、降低飞机重量。尽管复合材料的应用有增长趋势，却有制造费用高、不能回收、高温性能较差等不足。钛合金仍将是飞机发动机叶片等超塑性成形部件的主要材料。

我国耐热钛合金开发和应用方面也落后于其他发达国家，英国的600℃高温钛合金IMI834已正式应用于多种航空发动机，美国的Ti-1100也开始用于T55-712改型发动机，而我国用于制造压气机盘、叶片的高温钛合金尚正在研制当中。其它像纤维增强钛基复合材料、抗燃烧钛合金、Ti-Al金属间化合物等虽都立项开展研究，但离实际应用还有一个过程。

3.2制造技术

早在上世纪70年代，钛合金超塑性成形技术就在美国军用飞机和欧洲协和飞机中得到了应用。在随后的十年中，又开发了军用飞机骨架和发动机用新型超塑性钛合金和铝合金。在军用飞机及先进的民用涡扇发动机叶片等，均用超塑性成形技术制造，并采用扩散连接组装。

4.新型材料叶片

4.1碳纤维/钛合金复合材料叶片

美国通用公司生产的GE90-115B发动机，叶身是碳纤维聚合物材料，叶片边缘是钛合金材料，共有涡扇叶片22片，单重30～50磅，总重2000磅。能够提供最好的推重比，是目前最大的飞机喷气发动机叶片，用于波音777飞机，2010年9月在美国纽约现代艺术馆展出。

4.2金属间化合物叶片

尽管高温合金用于飞机发动机叶片已经50多年了，这些材料有优异的机械性能，材料研究人员，仍然在改进其性能，使设计工程师能够发展研制可在更高温度下工作的、效率更高的喷气发动机。不过，一种新型的金属间化合物材料正在浮现，它有可能彻底替代高温合金。

因为高温合金在高温工作下时会生成一种γ相，它是使材料具有高温强度、抗蠕变性能和耐高温氧化的主要原因。因此，人们开始了金属间化合物材料的研究，金属间化合物，密度只有高温合金一半，至少可以用于低压分段，用于取代高温合金。

2010年，美国通用公司、精密铸件公司等申请了一项由NASA支持的航空工业技术项目（AITP），通过验证和评定钛铝金属间化合物（TiAl，Ti-47Al-2Nb-2Cr，原子分数）以及现在用于低压涡轮叶片的高温合金，使其投入工业生产中。与镍基高温合金相比，TiAl金属间化合物的耐冲击性能较差；将通过疲劳试验等，将技术风险降至最低。

参考文献：

[1]刘维伟.航空发动机叶片关键制造技术研究进展[J].航空制造技术，2016（21）：50-56.

[2]李海宁，赵赟，史耀耀，姚倡锋，谭靓.航空发动机风扇/压气机叶片制造关键技术[J].航空制造技术，2013（16）：34-37.

[3]李林，刘建平.铝基型芯剂的研究及在航空发动机叶片制造中的应用[J].航空材料学报，2003（S1）：282.

作者简介：周刚（1981.3—）男，装备承制单位资格审查高级审查员，国家注册质量管理体系审核员，2003年毕业于国防科技大学自动化控制专业，长期从事转装备承制与质量管理体系审核工作。