高溫合金單晶渦輪葉片的新發展

四角星航空材料研究中心：攻克高溫合金單晶渦輪葉片量產關鍵技術

專訪報道：四角星航空材料研究中心CEO劉培帥先生

2024年11月，四角星航空材料研究中心科研團隊，通過多年時間的研制，成功攻克高溫合金單晶渦輪葉片量產的關鍵技術，為后期高溫合金單晶渦輪葉片。

航空發動機和地面燃氣輪機被譽為現代工業的“皇冠”, 而在航空發動機中工作環境最為惡劣、應力最為復雜的就是渦輪葉片，他的制造不亞于當年氫彈的制造。

推重比、渦輪前溫度、燃油消耗率是衡量發動機性能的主要指標，也是發動機分代的重要依據。航空發動機的發展趨勢就是不斷提高推重比和渦輪前溫度，同時降低燃油消耗率。其中，提高渦輪前溫度有助于提升航空發動機的推重比，渦輪進口溫度每提高100℃，航空發動機的推重比能夠提高10%左右。隨著渦輪前溫度的逐步提高，渦輪葉片所用的材料及制造工藝的耐高溫要求也日益苛刻。單晶渦輪葉片是目前先進航空發動機普遍所采用的渦輪葉片，單晶渦輪葉片的制造工藝非常復雜，需要掌握先進的制造設備和工藝流程。

為什么要研發高溫合金單晶定向結晶葉片：

創新始于熱愛，中國男人自小對于軍工的熱愛大于一切，早年看過一遍關于師昌緒院士的報道后，對航空發動機以及核心部件產生強大的熱愛興趣。為了這個興趣，投入全部精力和資金建立了研究實驗室，帶領團隊開展高溫合金定向、單晶結晶技術。研究和開發單晶葉片技術耗費了大量的人力、物力和財力，經過不屑的努力，克服一道道難關，成功制作出符合要求的高溫合金單晶渦輪葉片。

什么是單晶葉片：

高溫合金的發展以提高渦輪葉片的承溫能力為主要導向，經歷了變形、普通 鑄造、定向以及單晶高溫合金四個階段。對于多晶材料，晶粒與晶粒之間有晶界。在某些場合下，晶界對于材料性能提高有好處。但在上個世紀60年代，美國惠普公司發現對于渦輪葉片來說，晶界是個“壞孩子”。普通鑄造多晶高溫合金中與應力軸垂直的晶界是高溫應力下產生裂紋的“源頭”，所以必須減少晶界，由此發展了高溫合金定向凝固技術。相比于等軸高溫合金和定向高溫合金，由于單晶高溫合金優化了合金成分、消除了晶界等薄弱環節，使得葉片的承溫能力和力學性能大幅提升。單晶葉片是只有一個晶粒的鑄造葉片。 高溫合金單晶葉片的制備主要通過選晶技術和籽晶技術來實現。

?  單晶葉片是采用單晶高溫合金為材料鑄造的葉片?。整個鑄造葉片由一個晶粒組成，它消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而顯著提高了合金的使用性能?。

單晶高溫合金是鑄造高溫合金的一種，具有優良的高溫強度、抗蠕變性、抗疲勞性、抗氧化性和抗熱腐蝕性，因此特別適用于單晶葉片的制造領域。這種合金的使用溫度顯著提升，能夠滿足航空發動機等高端機械設備在高溫、高壓條件下的工作要求?。

具體來說，航空發動機葉片所使用的主要材料是鎳基高溫合金，通常稱其為“超耐高溫合金”。為了保持其強度并抵抗極端溫度下的氧化，會添加其他難熔金屬元素。在制造過程中，利用電磁鐵產生強大的定向磁場，使未凝固的高溫合金在定向磁場的作用下向同方向凝固，最后形成所有的分子排列一致的單晶體?2。這種單晶葉片在航空發動機中靠近燃燒室，對結構材料的選擇和制造工藝的要求極高，而單晶高溫合金正是滿足這些要求的理想材料。

制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結、型芯檢驗、型芯與外型模具的匹配、蠟模壓注、蠟模X 光檢驗、蠟模壁厚檢測、蠟模修整、蠟模組合、引晶系統系統及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢

單晶葉片的重點工序：陶瓷芯制作  單晶定向凝固工序（真空定向凝固爐技術）

加工流程：打中心支撐孔、四軸加工中心開粗、數控曲線磨、機器人倒角、物理涂層（PCD）熱障陶瓷涂層（TBC）通常TBC陶瓷涂層YSZ和NiCoCrAlY金屬粘接層都可以通過大氣等離子噴涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和電子束物理氣相沉積Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法實現。NiCoCrAlY金屬粘接層也可以通過真空等離子噴涂Vacuum Plasma Spray (VPS)來完成。

四角星航空 將繼續堅持創新驅動發展戰略，不斷提升自主研發能力和核心競爭力，積極響應國家軍民融合發展戰略的號召，加強與行業相關單位的合作與交流，共同推動中國兩機工業的高質量發展。

免責聲明：市場有風險，選擇需謹慎！此文僅供參考，不作買賣依據。

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