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空心渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，長(zhǎng)期服役在高熱沖擊和復(fù)雜的循環(huán)熱應(yīng)力的工況下，其制造工作量占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的30%。

隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的Bridgman鑄造技術(shù)低效率、無(wú)法滿足大尺寸單晶葉片鑄造、低溫度梯度等缺陷不斷被放大，無(wú)法滿足現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)單晶葉片的需求。因此新的鑄造技術(shù)LMC 逐漸發(fā)展起來(lái)。

單晶葉片生產(chǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中，普通的磕碰會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，同時(shí)產(chǎn)生輕微的塑性變形，導(dǎo)致該區(qū)域在熱處理過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶。此外，由于葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的需要，增中部分過(guò)渡連接區(qū)域不可避免地留下了一些應(yīng)力相對(duì)集中的區(qū)域，這些區(qū)域在固溶處理時(shí)也會(huì)誘發(fā)再結(jié)晶的形成。

隨著葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，其制造技術(shù)難度成倍增加，其中再結(jié)晶的消除逐漸成為發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

單晶葉片制造技術(shù)發(fā)展

1 單晶葉片結(jié)構(gòu)研究

伴隨著先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)高推重比的要求，渦輪前進(jìn)氣口溫度顯著提高，單晶葉片由于其良好的承溫能力、抗蠕變、抗熱疲勞、抗氧化性以及抗腐蝕性等能力，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)饽軝C(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

近40 年來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料從普通的高溫合金發(fā)展到第五代鎳基單晶高溫合金，其結(jié)構(gòu)也從最初的實(shí)心葉片鑄件過(guò)度到雙層壁超冷/ 鑄冷渦輪葉片（圖1）。自20世紀(jì)80年代第一代單晶高溫合金（PW A1480 等）成功應(yīng)用于F100 航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在過(guò)去的30 年里，單晶高溫合金的研究呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，在全球范圍能夠生產(chǎn)用于航空航天葉片的企業(yè)主要集中于美、英、日等國(guó)。

目前傳統(tǒng)的采用渦流、沖擊和氣膜冷卻的空心葉片逐漸向雙壁復(fù)合冷卻的高效冷卻葉片發(fā)展。Alison 公司應(yīng)用Lamilloy 技術(shù)，將帶有復(fù)雜冷卻回路的Lamilloy 多孔層板用擴(kuò)散連接方法成形的冷卻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵制造技術(shù)在于復(fù)雜冷卻回路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和繪制、“照相- 腐蝕”或“照相- 電解”工藝，也可用激光和電子束等特種工藝加工。美國(guó)GE 公司也將這種技術(shù)應(yīng)用到單晶葉片的生產(chǎn)過(guò)程中 。目前，該技術(shù)生產(chǎn)的超冷葉片已應(yīng)用于F119（美）發(fā)動(dòng)機(jī)上。針對(duì)推重比15的發(fā)動(dòng)機(jī)，研究超級(jí)冷卻結(jié)構(gòu)的單晶腹板空心葉片。

2 單晶葉片鑄造技術(shù)發(fā)展

伴隨著鑄造技術(shù)與材料的發(fā)展，單晶渦輪葉片的性能得到極大提高。單晶材料的制造技術(shù)自1926年傳統(tǒng)的Bridgman定向凝固工藝研發(fā)以來(lái)，單晶鑄造技術(shù)的發(fā)展主要集中于提高凝固前沿的溫度梯度。

根據(jù)這一發(fā)展方向，1974年Laux 等研發(fā)了高速定向凝固技術(shù)（HRS），隨后1976 年Giamei 等研發(fā)了液態(tài)金屬冷卻技術(shù)（LMC）。進(jìn)入近代Konter 等發(fā)展了氣體冷卻鑄造技術(shù)（GCC）, 此后，根據(jù)鑄件的成形要求，研究者在定向凝固基礎(chǔ)上又相繼發(fā)展了區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻定向凝固法（ZLMC）、電磁約束成形技術(shù)等新的定向凝固技術(shù)。

盡管近年來(lái)定向凝固技術(shù)的裝備得到極大的發(fā)展，但應(yīng)用于單晶葉片實(shí)際生產(chǎn)的定向凝固技術(shù)，仍只有傳統(tǒng)的Bridgman 方式發(fā)展起來(lái)的有限的幾種鑄造技術(shù)。

單晶葉片的組織中消除了所有的晶界，使葉片的性能實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。目前世界上一直在使用傳統(tǒng)的Bridgman方式生產(chǎn)單晶葉片。這種鑄造技術(shù)的特點(diǎn)是，澆注后的模殼從爐子的高溫區(qū)穿過(guò)輻射擋板抵達(dá)低溫區(qū)，鑄造設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定可靠，且發(fā)展相當(dāng)成熟，特別適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等小型鑄件。在此基礎(chǔ)上，工程研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了液態(tài)金屬冷卻，這種方法與Bridgman工作方式基本類似，只是將鑄型按照一定的速度拉出爐體，浸入液態(tài)金屬液中，常見(jiàn)的液態(tài)金屬有Ga-In 合金和Sn 液。前者熔點(diǎn)低但是價(jià)格貴，只適用于實(shí)驗(yàn)室小尺寸試樣。相較于傳統(tǒng)的Bridgman 工藝，這種液態(tài)金屬冷卻工藝即LMC 工藝，極大地提高了溫度梯度。兩種工藝方式具體形式如圖2 所示。Carter 等通過(guò)對(duì)CMSX-4 合金定性凝固的實(shí)際測(cè)試表明，激冷板附近的溫度梯度可達(dá)200K/cm 以上，而距離25cm 的葉片端部則降為20K/cm。然而單純?cè)黾訙囟忍荻入m然達(dá)到提高凝固速率的目的，但是并不能滿足鑄件各處對(duì)凝固條件的不同需求。因此LMC工藝目前仍主要應(yīng)用于大型葉片的定向凝固而非制備單晶。目前Bridgman方式仍是單晶葉片制備過(guò)程的首選。

由于Bridgman 定向凝固技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，因此國(guó)內(nèi)其他類型的葉片也多采用這種技術(shù)的爐子進(jìn)行生產(chǎn)。

此外，伴隨著大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片制備的發(fā)展，Bridgman 技術(shù)暴露出溫度梯度隨凝固過(guò)程進(jìn)行很快下降的固有缺陷，使大尺寸工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)葉片很難在定向凝固設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。

3 單晶葉片定向凝固選晶技術(shù)發(fā)展

單晶定向凝固過(guò)程中的凝固結(jié)晶過(guò)程是單晶葉片生產(chǎn)中的重要問(wèn)題，常見(jiàn)的生成單晶的方式包括籽晶法與選晶法。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的為選晶法。選晶法中選晶器結(jié)構(gòu)是影響選晶效果的重要因素。傳統(tǒng)的選晶器包括縮頸型、轉(zhuǎn)折型、傾斜型和螺旋型等多種結(jié)構(gòu)。鄭啟等對(duì)螺旋選晶器和多重縮頸結(jié)構(gòu)選晶方式進(jìn)行研究，結(jié)果表明在螺旋選晶器中，晶體橫向擇優(yōu)生長(zhǎng)與螺旋結(jié)構(gòu)的耦合作用，形成連續(xù)選晶過(guò)程，而在縮頸選晶器中，幾乎只存在單一的機(jī)械阻隔選晶行為，多重縮頸結(jié)構(gòu)對(duì)于改善選晶作用并不明顯，選晶效果不好。目前根據(jù)工程實(shí)際調(diào)研，單晶生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)螺旋選晶的方式進(jìn)行單晶生產(chǎn)。金屬研究所通過(guò)大量試驗(yàn)研究表明，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素對(duì)選晶結(jié)果均有影響，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。西北工業(yè)大學(xué)傅恒志團(tuán)隊(duì)結(jié)合試驗(yàn)及元胞自動(dòng)機(jī)模擬技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了單晶葉片選晶工藝的產(chǎn)業(yè)化。實(shí)際生產(chǎn)中，由于凝固條件的復(fù)雜性以及選晶器的形狀差異，選晶器的選晶行為會(huì)有所差別，穩(wěn)定性有待提高。

單晶葉片的再結(jié)晶研究

1 單晶渦輪葉片再結(jié)晶缺陷

鎳基單晶高溫合金鑄造完成后，由于結(jié)構(gòu)影響，在熱應(yīng)力作用下部分應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)處于一種亞穩(wěn)態(tài)的高能量狀態(tài)，在熱激活的情況下，會(huì)經(jīng)歷一系列的顯微組織變化過(guò)程，從亞穩(wěn)的高能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的低能量狀態(tài)。這期間金屬經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大等變化逐漸成為一個(gè)新的完整的晶粒，這一變化即為再結(jié)晶。隨著單晶材料在航空航天以及地面燃?xì)廨啓C(jī)上的廣泛應(yīng)用，再結(jié)晶逐漸成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，由于葉片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在生產(chǎn)及服役過(guò)程中易發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，嚴(yán)重制約著國(guó)內(nèi)鎳基單晶葉片的生產(chǎn)質(zhì)量（圖4）。

 單晶葉片再結(jié)晶控制方法研究

當(dāng)前國(guó)外的研究主要分為兩個(gè)部分，一為通過(guò)控制合金及涂層成分達(dá)到抑制或控制再結(jié)晶的目的；二為控制工藝條件實(shí)現(xiàn)抑制再結(jié)晶的方法。其中控制合金及涂層成分抑制再結(jié)晶的方法，是目前研究的熱點(diǎn)之一。目前通過(guò)工藝的方式控制或抑制再結(jié)晶主要包含3 種方式：

（1）預(yù)回復(fù)熱處理，利用回復(fù)熱處理方法避免PW1480 鎳基單晶高溫合金在固溶處理過(guò)程中發(fā)生再結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)回復(fù)熱處理溫度及時(shí)間與試樣表面變形程度相關(guān)。對(duì)不同噴丸強(qiáng)度試樣進(jìn)行不同的回復(fù)熱處理后，結(jié)果顯示，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，對(duì)應(yīng)的回復(fù)熱處理溫度也需要提高。

（2）變形層的預(yù)處理。定向凝固的單晶高溫合金一般不經(jīng)歷冷變形過(guò)程，但是其在生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生偶然的磕碰、吹砂及機(jī)械加工等冷變形，而這些變形層在隨后的熱處理過(guò)程中易發(fā)生再結(jié)晶。因此熱處理前通過(guò)去除或緩解其變形層的方法可以在一定程度上消除或抑制該區(qū)域的再結(jié)晶。

（3）通過(guò)管理控制工藝的方式，調(diào)整鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的能量集中區(qū)域的應(yīng)力，最終實(shí)現(xiàn)抑制再結(jié)晶的目的。