一、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)簡述

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是屬于熱機(jī)的一種發(fā)動機(jī)，常見的燃?xì)鉁u輪機(jī)類型如圖1所示：

 
圖1 Turbojet—渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，Turbofan—渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，

Turboprop—渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，Afterburning Turbojet—加力渦輪噴氣機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)可以是一個廣泛的稱呼，基本原理大同小異，包括燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動機(jī)等等都包含在內(nèi)。

它主要由進(jìn)氣道（Intake）、壓氣機(jī)（compressor）、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）、噴管（Exhaust）等部分構(gòu)成（組成如圖2，圖3所示）。

 
圖2航空燃?xì)廨啓C(jī)

 
圖3燃?xì)鉁u輪噴射機(jī)引擎的示意圖（圖中我們可以看到不同部位的能量大小）

它的工作原理是：新鮮空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)后，首先由壓氣機(jī)加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進(jìn)行燃燒成為高溫高壓燃?xì)?，然后進(jìn)入渦輪段推動渦輪，將燃?xì)獾撵屎蛣幽苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出。

二、渦輪發(fā)動機(jī)性能與葉片材料的關(guān)系

燃?xì)鉁u輪是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的重要部件之一，我們通過采用更高的燃?xì)鉁囟?，可以使得航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能；

 
圖4 燃?xì)鉁u輪的示意圖

例如，渦輪進(jìn)口溫度每提高 100 ℃，航空發(fā)動機(jī)的推重比能夠提高 10%左右，國外現(xiàn)役最先進(jìn)第四代推重比 10 一級發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口平均溫度已經(jīng)達(dá)到了 1600 ℃左右，預(yù)計(jì)未來新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度有望達(dá)到 1800 ℃左右。

據(jù)報道，自 20世紀(jì) 60 年代中期至 80 年代中期，渦輪進(jìn)口溫度平均每年提高 15 ℃，其中材料所做出的貢獻(xiàn)在 7 ℃左右。各代發(fā)動機(jī)渦輪葉片選用材料發(fā)展如表 1 所示。

可見，材料的發(fā)展對提高渦輪進(jìn)口溫度起到了至關(guān)重要的作用。

三、渦輪葉片材料的發(fā)展

為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪葉片的使用要求，20 世紀(jì) 50 年代研制成功的高溫合金憑借其較為優(yōu)異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼，使其使用溫度有一個飛躍的提高，達(dá)到了800 ℃水平，掀起了渦輪葉片用材料的第一次革命。

 
圖5 高溫合金材料及其微觀結(jié)構(gòu)

20 世紀(jì) 60 年代以來，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。

 
圖6 高溫合金真空鑄造航空發(fā)動機(jī)葉片

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，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界，進(jìn)一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷使用溫度達(dá)到了 1000 ℃水平。

 
圖7 定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下，

有和沒有0.5T的橫向磁場B的縱向微觀結(jié)構(gòu)

 
圖8定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下，

有和沒有0.5T的橫向磁場B的橫向微觀結(jié)構(gòu)

單晶合金渦輪葉片定向凝固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其耐溫能力、蠕變度、熱疲勞強(qiáng)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，從而很快得到了航燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)界的普遍認(rèn)可，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片，成為二世紀(jì) 80 年代以來航空發(fā)動機(jī)的重大技術(shù)之一，掀了渦輪葉片用材料的第二次革命。

 
圖9單晶合金葉片的有限元分析

 
圖10三個不同的渦輪葉片的顯微結(jié)構(gòu)

各代發(fā)動機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)與選材發(fā)展歷程如圖11所示。

 
圖11各代發(fā)動機(jī)渦輪葉片結(jié)構(gòu)與選用材料的發(fā)展歷程

以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當(dāng)增大了和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30 ℃，持強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力達(dá)到很好的平衡。

在第三單晶合金Rene N6和CMSX-10中，合金成分進(jìn)行一步優(yōu)化，提高原子半徑大的難溶元素的總含量特別是加入高達(dá)5wt％以上的錸，顯著提高高溫蠕變強(qiáng)度，1150 ℃的持久壽命大于150小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一代單晶合金約10小時的壽命，并獲得高強(qiáng)度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。

美國和日本相繼開發(fā)出了第四代單晶合金，通過添加釕，進(jìn)一步高了合金微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加了長時間高溫露下的蠕變強(qiáng)度。其1100 ℃下的持久壽命比第二單晶合金提高了10倍，使用溫度達(dá)到了1200 ℃。同代的單晶成分如表2所示。

 
圖12 渦輪葉片的性能在過去50年內(nèi)持續(xù)改善，

單晶合金鑄造技術(shù)成為現(xiàn)今的主流

四、渦輪葉片設(shè)計(jì)思想簡述

完整的渦輪葉片選材工作主要包括：

葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)

葉片材料設(shè)計(jì)

葉片制造工藝設(shè)計(jì)

葉片使用過程中的故障模式分析

渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是葉片選材的出發(fā)點(diǎn)，20 世紀(jì) 90 年代以來，世界航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)與制造商在各種新型發(fā)動機(jī)渦輪葉片的設(shè)計(jì)上大都采用了先進(jìn)的復(fù)合傾斜、端壁斜率和曲率控制等技術(shù)。

該技術(shù)的劣勢在于：

（1）給單晶生長控制帶來很大困難；由于凝固過程中的溫度場與溫度梯度分布復(fù)雜，一旦結(jié)構(gòu)的突變區(qū)溫度梯度控制不當(dāng)或溫度場分布不合理，使樹枝晶的順利生長容易受阻而產(chǎn)生分支或停滯，就容易形成新的晶粒而破壞葉片單晶生長的完整性，降低葉片局部的力學(xué)性能。

（2）單晶葉片制造工序繁多，過程復(fù)雜，在表面處理、氣膜孔加工、噴涂涂層等過程中非常容易產(chǎn)生外來應(yīng)力，使其在后續(xù)長時間的高溫使用過程中也可能出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，為發(fā)動機(jī)渦輪葉片的安全可靠使用帶來潛在危險。

圖13渦輪葉片的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

 
圖14 渦輪葉片冷卻膜冷卻孔

從材料學(xué)的角度來看，決定渦輪葉片材料破壞的主要參數(shù)是溫度、時間、應(yīng)力、環(huán)境氣氛和材料的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)等。

發(fā)動機(jī)工作的溫度、時間和環(huán)境氣氛能簡單地確定，而應(yīng)力的參數(shù)則難以確定，因?yàn)閷?shí)際葉片都是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作的，材料的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)則是以上四種狀態(tài)變量的體現(xiàn)。

發(fā)動機(jī)渦輪葉片是渦輪部件中溫度最高和承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，不僅處于腐蝕性的燃?xì)獍鼑?，而且還承受高溫和高應(yīng)力的作用；

因此，對于葉片材料的要求也是全方位的

第一，必須在較高的工作溫度下具有高的熱強(qiáng)度，即具有高的持久強(qiáng)度極限和蠕變極限；

第二，要保證材料在使用壽命下具有良好的組織穩(wěn)定性、再結(jié)晶傾向盡可能??；

第三，要具有良好的物理性能，如較低的密度、良好的導(dǎo)熱性能、較小的線膨脹系數(shù)；

第四，要具有良好的工藝性能；

第五，要求在長期使用溫度下有高的抗氧化和抗熱腐蝕的能力，良好的抗熱疲勞性與抗熱沖擊的性能。

五、渦輪葉片用新型材料展望

從單晶合金的發(fā)展來看，使用溫度已經(jīng)超過了1200 ℃，與合金的初熔溫度相比僅有不足200 ℃的差距，鎳鋁金屬間化合物與鈮-硅基合金是二種有希望成為新一代超高溫材料的新型高溫合金，

它們的密度不足鎳基高溫合金的4/5，采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計(jì)能夠使轉(zhuǎn)子質(zhì)量減輕30%左右。

缺點(diǎn)是：

（1）抗氧化性能差；

（2）高溫強(qiáng)度相對較低。

總的來看，目前以上兩種新型材料的技術(shù)成熟度都不能滿足未來新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)使用要求，渦輪葉片用材料的第三次革命還須等待，在未來的一段時間內(nèi)，先進(jìn)單晶合金仍然是高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)渦輪葉片的主導(dǎo)材料。

六、結(jié)論

從航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的發(fā)展歷程來看，材料、工藝與設(shè)計(jì)一體化的趨勢越加明顯。發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)是由低水平向高水平發(fā)展，葉片材料設(shè)計(jì)也是如此，設(shè)計(jì)階段不同，設(shè)計(jì)要求不同，設(shè)計(jì)方法不同，采用的材料和制造工藝也不相同。

因此，必須根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不斷開發(fā)新型高溫材料，擴(kuò)大葉片選材范圍，保證發(fā)動機(jī)性能的不斷提高。