高溫合金單晶渦輪葉片的新發(fā)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(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

專訪報(bào)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(tuán)隊(duì)，通過多年時(shí)間的研制，成功攻克高溫合金單晶渦輪葉片量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為后期高溫合金單晶渦輪葉片。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”, 而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中工作環(huán)境最為惡劣、應(yīng)力最為復(fù)雜的就是渦輪葉片，他的制造不亞于當(dāng)年氫彈的制造。

推重比、渦輪前溫度、燃油消耗率是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要指標(biāo)，也是發(fā)動(dòng)機(jī)分代的重要依據(jù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)就是不斷提高推重比和渦輪前溫度，同時(shí)降低燃油消耗率。其中，提高渦輪前溫度有助于提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，渦輪進(jìn)口溫度每提高100℃，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)普遍所采用的渦輪葉片，單晶渦輪葉片的制造工藝非常復(fù)雜，需要掌握先進(jìn)的制造設(shè)備和工藝流程。

為什么要研發(fā)高溫合金單晶定向結(jié)晶葉片：

創(chuàng)新始于熱愛，中國(guó)男人自小對(duì)于軍工的熱愛大于一切，早年看過一遍關(guān)于師昌緒院士的報(bào)道后，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及核心部件產(chǎn)生強(qiáng)大的熱愛興趣。為了這個(gè)興趣，投入全部精力和資金建立了研究實(shí)驗(yàn)室，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展高溫合金定向、單晶結(jié)晶技術(shù)。研究和開發(fā)單晶葉片技術(shù)耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，經(jīng)過不屑的努力，克服一道道難關(guān)，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(fā)展以提高渦輪葉片的承溫能力為主要導(dǎo)向，經(jīng)歷了變形、普通 鑄造、定向以及單晶高溫合金四個(gè)階段。對(duì)于多晶材料，晶粒與晶粒之間有晶界。在某些場(chǎng)合下，晶界對(duì)于材料性能提高有好處。但在上個(gè)世紀(jì)60年代，美國(guó)惠普公司發(fā)現(xiàn)對(duì)于渦輪葉片來說，晶界是個(gè)“壞孩子”。普通鑄造多晶高溫合金中與應(yīng)力軸垂直的晶界是高溫應(yīng)力下產(chǎn)生裂紋的“源頭”，所以必須減少晶界，由此發(fā)展了高溫合金定向凝固技術(shù)。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(yōu)化了合金成分、消除了晶界等薄弱環(huán)節(jié)，使得葉片的承溫能力和力學(xué)性能大幅提升。單晶葉片是只有一個(gè)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(shù)和籽晶技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

?  單晶葉片是采用單晶高溫合金為材料鑄造的葉片?。整個(gè)鑄造葉片由一個(gè)晶粒組成，它消除了對(duì)空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應(yīng)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(yōu)良的高溫強(qiáng)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(lǐng)域。這種合金的使用溫度顯著提升，能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高端機(jī)械設(shè)備在高溫、高壓條件下的工作要求?。

具體來說，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度并抵抗極端溫度下的氧化，會(huì)添加其他難熔金屬元素。在制造過程中，利用電磁鐵產(chǎn)生強(qiáng)大的定向磁場(chǎng)，使未凝固的高溫合金在定向磁場(chǎng)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(fā)動(dòng)機(jī)中靠近燃燒室，對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)、型芯檢驗(yàn)、型芯與外型模具的匹配、蠟?zāi)鹤?、蠟?zāi) 光檢驗(yàn)、蠟?zāi)１诤駲z測(cè)、蠟?zāi)Ｐ拚⑾災(zāi)＝M合、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)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(cè)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(cè)、終檢

單晶葉片的重點(diǎn)工序：陶瓷芯制作  單晶定向凝固工序（真空定向凝固爐技術(shù)）

加工流程：打中心支撐孔、四軸加工中心開粗、數(shù)控曲線磨、機(jī)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(shí)現(xiàn)。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(xù)堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，不斷提升自主研發(fā)能力和核心競(jìng)爭(zhēng)力，積極響應(yīng)國(guó)家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的號(hào)召，加強(qiáng)與行業(yè)相關(guān)單位的合作與交流，共同推動(dòng)中國(guó)兩機(jī)工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

免責(zé)聲明：市場(chǎng)有風(fēng)險(xiǎn)，選擇需謹(jǐn)慎！此文僅供參考，不作買賣依據(jù)。

關(guān)鍵詞：