王精文 張宇陽(yáng)

(中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng) 110043)

淺談未來(lái)渦輪葉片的發(fā)展趨勢(shì)

王精文 張宇陽(yáng)

(中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng) 110043)

渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的重要組成部分,也是溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的發(fā)動(dòng)機(jī)部位。了解發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片技術(shù)的發(fā)展歷程,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)有著很重要的意義。本文概括的介紹了渦輪葉片的加工技術(shù)和渦輪葉片的發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢(shì)。

渦輪 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)展 材料

1 渦輪葉片作用

渦輪葉片一般指渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片。渦輪是處于燃燒室后面的一個(gè)高溫部件,燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馐紫冉?jīng)過(guò)燃?xì)鈱?dǎo)向葉片整流,然后,通過(guò)在收斂管道中加速,最后,被賦予一定的角度有效地沖擊渦輪工作葉片,促使渦輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)壓氣機(jī)做功。渦輪葉片處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中,壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片,它們的數(shù)量最多,而發(fā)動(dòng)機(jī)就是依靠這眾多的葉片完成對(duì)氣體的壓縮和膨脹,產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)力來(lái)推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。渦輪葉片是一種特殊的零件,形狀復(fù)雜,要求高,加工難度大,而且是故障多發(fā)的零件,一直以來(lái)都是各發(fā)動(dòng)機(jī)廠科研和生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2 渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

渦輪工作葉片的外型結(jié)構(gòu)由葉身、緣板、過(guò)渡段、榫齒等組成,內(nèi)型結(jié)構(gòu)包括橫向肋、縱向肋、找流柱和積疊軸。導(dǎo)向葉片由外緣板、葉身和內(nèi)緣板構(gòu)成。目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片大多都采用空心結(jié)構(gòu)。在渦輪葉片上設(shè)計(jì)了很多細(xì)小的管道,可以使高壓冷空氣通過(guò)這些管道流經(jīng)高溫葉片,從而對(duì)渦輪葉片進(jìn)行強(qiáng)制冷卻,以提高渦輪的耐熱性能。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)鉁u輪的效率,增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比,就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口燃?xì)鉁囟?即渦輪前溫度。為此,人們?cè)跍u輪葉片設(shè)計(jì)、高溫材料的研制、冷卻方法研究及表面涂層等方面作了大量的工作。

3 渦輪葉片的發(fā)展

3.1 在渦輪材料方面

目前,高溫合金的使用溫度正在接近極限, 近期的發(fā)展方向是定向共晶合金、超單晶合金、機(jī)械合金化高溫合金,遠(yuǎn)期則是人工纖維增強(qiáng)高溫合金、定向再結(jié)晶氧化物彌散強(qiáng)化合金以及新的能承受更高溫度的材料,如金屬間化合物及復(fù)合材料,碳-碳復(fù)合材料,陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料。未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)將大量采用非金屬材料。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,必須尋找能耐更高溫度的料代替高溫合金,以滿足發(fā)展更高效率燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。于是,從70年代起,國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展其他類型高溫材料的研究,包括定向共晶合金、氧化物彌散強(qiáng)化合金、難熔金屬基合金、金屬間化合物基合金、陶瓷材料等。在高溫強(qiáng)度上具有明顯優(yōu)勢(shì)的定向共晶合金已被證明可用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,但其橫向性能和剪切強(qiáng)度差且制造成本過(guò)高,使之未能投入生產(chǎn)。金屬間化合物具有的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)對(duì)高溫強(qiáng)度極為有利,使人們一度致力于這類合金的研究。鑄造Ni3Al基合金已取很大進(jìn)展,但其工藝性和耐腐蝕性有待改善,其他的NiAl系、TiAl系鑄造合金仍在開(kāi)發(fā)中。在強(qiáng)度、密度、表面穩(wěn)定性、來(lái)源和成本上具有優(yōu)越性的陶瓷材料,將會(huì)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī),但是,它們固有的脆性仍然是致命的弱點(diǎn)。近年來(lái),人們注意到并把研究重點(diǎn)放在陶瓷基復(fù)合材料上,并已取得進(jìn)展,這類材料將有樂(lè)觀的前景。

3.2 制造工藝和結(jié)構(gòu)方面

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的初期,主要用變形高溫合金制造渦輪葉片。隨著鑄造高溫合金的發(fā)展和熔模鑄造技術(shù)的進(jìn)步,逐步實(shí)現(xiàn)了葉片的“以鑄代鍛”?，F(xiàn)在國(guó)外在探索更高性能水平的單晶對(duì)開(kāi)和擴(kuò)散連接的葉片和多孔層板葉片制造技術(shù),這種加工技術(shù)可使渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高。由小孔加工發(fā)展的鑄造冷卻技術(shù)使得在渦輪葉片上鑄造出0.25mm的氣膜孔成為可能,單晶精密鑄造、真空擴(kuò)散焊和優(yōu)良的表面防護(hù)及處理等工藝技術(shù)的發(fā)展保證了渦輪葉片經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)越來(lái)越精細(xì)。隨著快速成型技術(shù)在精密鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展,可以用快速成型制造的原型替代蠟型,在其表面上涂掛耐火材料,然后焙燒,使原型材料燒蝕氣化后得到鑄殼,用于金屬零件的燒注成形。快速成型技術(shù)也被用于直接成型陶瓷鑄型。這種技術(shù)無(wú)需任何模具、夾具,可以快速成型復(fù)雜形狀的陶瓷鑄型。西安交通大學(xué)結(jié)合葉片熔模鑄造技術(shù)、快速成型技術(shù)、凝膠注模技術(shù),提出了空心渦輪葉片整體式陶瓷鑄型鑄造工藝。整體式陶瓷鑄型是指型芯型殼使用相同的材料,同時(shí)成形,無(wú)需組合裝配。這些都為復(fù)雜空心葉片制作探索了新的工藝方法。在美國(guó)能源部ATS計(jì)劃中,對(duì)單晶合金及葉片的熔煉工藝、凝固條件、陶瓷殼型、陶瓷型芯、模型用料、熱處理、熱等靜壓等方面都進(jìn)行了研究,力求提高合金和零件性能。在熔煉方面,要求高純度熔煉,減少金屬液與殼型、型芯之間的反應(yīng),精確控制活性元素;發(fā)展單晶葉片凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù),優(yōu)化工藝參數(shù);計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程,控制枝晶尺寸和致密度,減少缺陷,提高質(zhì)量,降低成本,進(jìn)一步發(fā)展熔模鑄造工藝,提高陶瓷殼型和型芯的性能,研制冷效達(dá)600℃以的高效冷卻單晶葉片。熱等靜壓擴(kuò)散連接組合件也將是生產(chǎn)多合金渦輪轉(zhuǎn)和大型葉片的發(fā)展方向。與鎳基高溫合金伴隨發(fā)展的定向凝固工藝應(yīng)用于其他高溫材料,有可能使它們的承溫能力遠(yuǎn)超過(guò)目前可達(dá)到的水平。

4 未來(lái)渦輪葉片發(fā)展面對(duì)的困難

綜上所述可以看出,大半個(gè)世紀(jì)以來(lái),航空鑄造渦輪葉片合金和工藝的發(fā)展已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。然而,飛躍發(fā)展的高科技時(shí)代,繼續(xù)對(duì)冶金工作者提出新的更高要求。航空和地面燃?xì)鉁u輪要求提高工作溫度(約2100K)、增大推力(約390kN)、提高推重比(＞10)、延長(zhǎng)壽命(＞10000h),這就使高溫合金的先進(jìn)性、可靠性、耐久性、工藝性以及經(jīng)濟(jì)性繼續(xù)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

[1]張祖謙,劉志中.渦輪葉片用高溫合金發(fā)展中的幾個(gè)問(wèn)題.國(guó)際航空,1978(4)：43-47.

[2]曹臘梅,楊耀武,才廣慧,等.單晶葉片用氧化鋁基陶瓷型芯AC-1.材料工程,1997(9)：21-23.

[3]陳榮章.北京航空材料研究院鑄造高溫合金及工藝發(fā)展40年.材料工程,1998(10)：3-8.

[4]馬德文.XD-1定向空心葉片陶瓷型芯的研究.航空制造工程,1984(2)：71-74.