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從高溫合金到單晶合金+復合冷卻， 航空發動機葉片

高溫航空發動機葉片合金

飛機空發動機葉片(從高溫合金到單晶合金+復合冷卻 ， )
渦輪葉片是整個飛機“核心中的核心”眾所周知 ， aero 空發動機是整個飛機的核心 ， 其性能直接決定了飛機的整體性能 ， 因此aero 空發動機也被稱為“工業皇冠上的明珠” 。在aero 空燃氣渦輪發動機中 ， 渦輪葉片是最惡劣的工作環境和最復雜的應力 。同時 ， 渦輪葉片也是aero 空發動機在體積小、重量輕方面獲得高性能的關鍵點 。所以 ， 如果說aero 空發動機是整架飛機的核心 ， 那么渦輪葉片就是整架飛機的“核心中的核心”！
【從高溫合金到單晶合金+復合冷卻， 航空發動機葉片】
J -20發動機尾噴管
對于aero 空發動機 ， 溫度的升高會提高熱效率 。相關研究表明 ， 在渦輪前溫度為55℃ ， 其他條件不變的情況下 ， aero 空發動機推力可提高10%左右 。因此 ， 在高性能aero 空發動機不斷追求高推力、高推重比的情況下 ， 提高渦流前輪溫度自然成為aero 空發動機蓬勃發展的方向 ， 渦輪前溫度的提高是基于材料性能(耐久強度、蠕變強度、韌性、抗熱疲勞性等)的提高 。)的高溫渦輪葉片 。
大涵道比渦扇發動機分析圖
但在aero 空發動機不斷發展的過程中 ， 渦流前輪溫度(葉片工作溫度)的發展速度遠快于渦輪葉片材料的軸承溫度 。按照目前的技術水平 ， aero 空發動機中一個“裸”渦輪葉片的軸承溫度最多只有1100℃左右 ， 但葉片的工作溫度已經達到了1700℃ ， 兩者的區別離不開渦輪葉片各種冷卻技術的發展 。
渦輪部件結構和截面圖
高溫合金的應用迎來渦輪葉片的第一次革命航空空發動機渦輪葉片材料的第一次革命始于高溫合金的出現 。20世紀40年代 ， 第一種高溫合金被開發出來 。隨后 ， 該高溫合金以其優異的高溫性能完全取代了以往的高溫不銹鋼 ， 并于20世紀50年代應用于第一代航空空燃氣渦輪發動機 。此時高溫合金渦輪葉片的使用溫度達到800℃ ， 因為軸承溫度與工作溫度相差不大 。
航空發動機葉片
定向合金大幅提升葉片承載溫度到20世紀60年代 ， true 空鑄造技術的應用是高溫合金發展史上最重要的事件之一 。true 空鑄造大大降低了對高溫合金性能有害的雜質含量 ， 提高了合金的純度 ， 促進了葉片的各種特性 。后來為了解決合金中的“塑槽”問題 ， 還發明了定向凝固合金技術 ， 因為定向凝固使合金的結晶方向與葉片主應力軸方向平行 ， 基本消除了垂直于應力軸的橫向晶界 ， 提高了合金葉片的塑性和熱疲勞性能 。
不同工藝下渦輪葉片的性能比較
此時定向鑄造高溫合金制成的渦輪葉片軸承溫度已達到1000℃(約1273K) ， 較上一代高溫合金提高約200℃ ， 第二代航空空燃氣渦輪發動機渦輪前溫度已達到1300K-1500K ， 航空空
第一代單晶合金+氣膜冷卻技術20世紀70年代 ， 合金化理論和熱處理技術取得突破 。此時 ， 該技術可以在定向凝固合金的基礎上完全消除晶界 。由此 ， 單晶合金渦輪葉片的制造技術誕生 ， 也掀起了渦輪葉片所用材料的第二次革命 ， 進一步提高了合金葉片的熱強度(約30℃) ， 渦輪葉片的軸承溫度達到1050℃左右(約1323K) 。
不同工藝葉片的微觀比較
然而 ， 第三代航空空燃氣渦輪發動機的要求也使渦輪葉片的工作溫度和載荷溫度進一步加寬 ， 因此渦輪葉片的冷卻技術受到重視 。通過在葉片上設計冷卻通道和孔 ， 然后將壓氣機中幾百攝氏度的“低溫氣體”引入渦輪葉片 ， 再從葉片表面的冷卻孔噴出 ， 形成氣膜 ， 可以將溫度較低的渦輪葉片與其工作環境中的高溫氣體隔離開來 ， 即氣膜冷卻技術 。
發動機葉片上冷卻孔的特寫
隨著氣膜冷卻技術的應用 ， 渦輪葉片的工作溫度可以遠高于葉片材料本身的承載溫度 。因此在第一代單晶合金+單通道氣膜冷卻技術的綜合應用下 ， 第三代aero 空發動機渦輪前溫度達到1680K-1750K ， 開始出現推重比8的渦扇發動機(目前渦扇-10在這一代) 。
第二代單晶合金+復合冷卻技術到上世紀末 ， 第五代戰斗機提出了“超音速巡航”的要求 ， 發動機的推重比和推力需要進一步提高 。在第二代單晶合金中加入錸、鈷、鉬等元素 ， 進一步提高了渦輪葉片合金的組織穩定性 ， 持久強度和抗腐蝕能力達到了很好的平衡 ， 使其軸承溫度再次提高30℃左右 ， 達到1100℃左右(1370K左右)的水平 。

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