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涡轮发动机读书报告
涡轮发动机叶片材料的发展及加工工艺
摘要：
涡轮叶片是发动机的关健部件之一，它所能承受的温度决定了发动机的性能和使用寿命。
因此首先涡轮叶片的关健就是耐高温和加工工艺的改进。
除了要满足在较高的温度范围内能稳定工作还要考虑到材料本身能承受的负载，除了要达到一定的强度外，由于使用在飞机上还希望这种材料要尽量轻一些。
除此之外就是生产的成本和材料本身的使用寿命。
涡轮发动机叶片恶劣的工作环境致使它需要有良好的耐高温性能，同时还要在蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能上有所要求。
关键字：
涡轮发动机涡轮叶片单晶高温合金定向凝固熔模铸造真空熔炼
（一）航空发动机的发展
航空发动机的发展经历了几个阶段。
早期，活塞式发动机占了40年左右。
1903年，莱特兄弟把一台4缸、水平直列式水冷发动机改装之后，成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上进行飞行试验。
首次飞行的留空时间只有12s,飞行距离为36.6m。
但它是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操作的重于空气飞行器的成功飞行。
在两次世界大战的推动下，活塞式发动机不断改进完善，得到迅速发展。
发动机功率从近10kW提高到2500kW左右，行高度达15000m，飞行速度从16km/h提高到近800km/h，接近了螺旋桨飞机的速度极限。
20世纪30~40年代是活塞式发动机的全盛时期。
著名的活塞式发动机有：
英国的梅林V型12缸液冷式发动机，功率1120kW，用于“飓风”、“喷火”和“野马”战斗机；美国普惠公司的“黄蜂”系列星形气冷发动机。
早期的涡轮喷气发动机和飞机尚处于试验阶段，在第二次世界大战中并没有发挥多大的作用，到战后特别是20世纪50年代才获得迅速的发展。
涡轮前燃气温度950~1100℃，推重比4.5~5.5，不加力耗油率0.9~1.0kg/（daN·h），加力耗油率2.0kg/（daN·h）左右。
涡喷发动机有一个致命的缺点，就是耗油率太高，涡扇发动机既能克服这个缺点又保有它原有的优点。
涡扇发动机诞生于20世纪50年代，首先用于民用飞机，随后扩展到军用飞机。
20世纪60年代出现涡扇化热潮，70~80年代发展提高、广泛应用，90年代以后高度发展，取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。
世界上第一台运转的涡轮风扇发动机是德国戴姆勒-奔驰研制的DB670。
而目前，普·惠公司正在研制新一代涡扇发动机PW8000，这种齿轮传动涡扇发动机，推力为11000~16000daN，涵道比11，耗油率下降9%。
在涡轮喷气发动机蓬勃发展的过程中，驱动飞机螺旋桨和直升机旋翼的动力也实现了涡轮化，派生出两种新型航空燃气涡轮发动机——涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机。
它们的工作原理基本相同，都是靠动力涡轮把燃气发生器出口燃气中的绝大部分可用能量转变为轴功率，通过减速器驱动螺旋桨或旋翼。
它们与活塞式发动机相比，重量轻、振动小、功率重力比大。
（二）涡轮喷气式发动机的构成及材料
涡轮发动机是内燃机的一种，利用旋转的机件穿过流体从而获取动能。
常用在航空航天和一些船舶的发动机。
随着材料加工工艺的发展和科技的进步，涡轮发动机有了涡轮喷气式发动机和涡轮风扇式发动机两种。
涡轮喷气发动机是利用流道内喷出的高速燃气的推动作用，有离心式和轴流式两种。
其中，轴流式因为横截面积小，压缩比高的优点，成为主要的涡喷发动机。
虽然涡喷式发动机具有很多优点，比如，因为只需要燃气推动，所以在设计上比较简便，并且由于气体所以推动快。
但是由于涡喷的工作原理是需要高速的燃气进行推动，所以和热机有共同点，需要考虑效率问题。
此外，工作是还和温度和压力有着密切的联系。
现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，需要有进气、加压、燃烧和排气四个阶段。
所以在工艺设计是需要考虑出气口出材料的耐高温性能，并且整个发动机的材料需要耐高温，尤其是在燃烧室，此时气流从燃烧室出来的温度越高，推动力也就越大。
目前的涡轮材料只能达到1650K左右的温度。
此外，由于飞机起飞的时间很短，所以还要要求燃气的高速推动。
因此，涡喷的耗能非常大，这也是它的一个主要缺点。
涡喷的燃烧室使用的材料目前多采用粉末冶金进行整体铸造。
这样加工的优点在于省去了接头的材料可能会造成的连接问题。
制造材料也多为耐高温的材料，比如陶瓷粉末冶金。
与涡轮风扇是发动机相比，虽然在能耗问题上要差一些，但是高速性要优于涡扇。
在连接涡轮叶片和涡轮轴的地方是涡轮盘，它是推动发动机高速旋转的部件。
在发动机开始旋转后，压气机讲空气送到燃烧室，在燃烧室中和燃油混合进行燃烧，在尾喷口排出高速高压的气体。
气体在带动涡轮旋转的同时，由于涡轮叶片和涡轮轴相连，涡轮盘的材料和加工工艺也有着严格的控制。
发动机的运转使得涡轮盘的受力复杂，需要其好的耐热性能和稳定性。
粉末合金压缩性好、化学成分均匀，适合制造高强度粉末冶金零件。
（三）涡轮风扇式发动机的构成及材料
涡轮风扇式发动机，是在压气机前安装的一级或多级风扇产生的气流与尾喷管喷出的气流共同作用，产生推力的。
常用于航空航天。
提高涡喷的推动力的一点就是提高涡轮入口的温度，而涡扇发动机既能提高涡轮前温度，又不会因为风扇气流和燃气推动的作用而增加排气的速度。
在涡喷发动机的后部增加了低压涡轮，能消耗一部分燃气排出时产生的动能。
涡扇发动机的的气流通过两个渠道，一个送入压气机，一部分从外壳向外排出，因此风扇和燃烧室能产生两种排气流。
在提高涡轮前温度时，可以增加风扇的直径，可以使能量从外壳散出。
效率提高后，能耗降低，飞机的航程就能增加。
但是，涡扇发动机同样存在缺点。
由于加入了风扇，能量经过压气机向外壳和尾喷口散出的话，增加了结构设计的复杂度，对材料和加工工艺上要求更加严格。
在考虑到涡轮发动机的实际应用，主要应用在航天航中，用作飞机的发动机，因此在材料商也要考虑轻重和厚度。
在风扇的设计中，风扇需要减振设计。
加大风扇的宽度和厚度可以起到减振的作用，因此需要的材料不仅强度大而且重量要轻。
通用动力公司使用了增强环氧树脂碳纤维复合材料制作举行风扇扇叶，并在风扇的前沿报了一层钛合金的蒙皮。
（四）涡轮部件材料的分析
从涡轮发动机的结构来看，涡轮盘无疑是起着重要作用的部件。
在高速运转的条件下，涡轮盘受力情况复杂，此外涡轮转子还要在高温、高压、高速和高气流速度下工作，涡轮盘的选材影响发动机的推动比。
资料显示，各代的发动机对于涡轮材料、工作温度与推重比的比较可以得出，从600℃到950℃温度依次上升的过程中，所用材料依次为高温合金、变形高温合金、粉末冶金、纤维增强超合金与变形高温合金、双性能粉末冶金、O相TiAl陶瓷等。
由于材料的改变，涡轮盘的耐高温性能增加，涡轮前温度提高幅度也加大，推重比也升高。
因此在设计时选用好的材料也是一项重要的工程。
因为航空发动机的研发成本本身就要高一些，因此在零部件的研发和制造成本当然要尽量的低一些，其中就是考虑零部件的寿命，希望能有良好的持久性。
涡轮叶片是发动机的关健部件之一，它所能承受的温度决定了发动机的性能和使用寿命。
因此首先涡轮叶片的关健就是耐高温和加工工艺的改进。
涡轮位于燃烧室后面，从燃烧室出来的都是高温高压的燃气，它们先通过导向叶片，经过加速后冲击涡轮的工作叶片。
因此涡轮叶片处于温度高、受力复杂的部位，所以无论是压气机叶片还是涡轮叶片，在发动机的基础构成中所占的数量是相当之大的。
压力机叶片，由于在涡轮前，需要完成高温处理，所以也需要叶片具有好的耐高温性能。
它的工作性能决定着发动机的效率和使用寿命。
因此对于涡轮盘和涡轮叶片的材料要求上除了要满足在较高的温度范围内能稳定工作还要考虑到材料本身能承受的负载，除了要达到一定的强度外，由于使用在飞机上还希望这种材料要尽量轻一些。
除此之外就是生产的成本和材料本身的使用寿命。
由于航天工程关系到人身安全，还要考虑当出现意外情况时材料如果出现裂纹后出现的低应力脆性破坏。
在大量灾难性事故的分析中，大部分主要是由于宏观尺寸的裂纹扩展引起的，可能是因为焊接的质量不高、钢材内部夹有残存的应力。
因此需要考虑到裂纹的扩展速率。
低的材料生产成本离不开制造材料的成本，包括加工工艺的优化、冶炼工艺、成型工艺和切削工艺。
（五）材料加工工艺
无论是涡轮盘还是涡轮叶片，对于这两个决定发动机工作效率和使用寿命的关健部件，因为工作环境的影响，都需要其具有良好的耐高温性能。
目前已出现的制造工艺方法之一有单晶高温合金。
应用定向凝固的装置制造出高温合金单晶叶片。
自80年代以来，航空发动机应用单晶高温合金涡轮叶片。
在后来的十几年中又相继发展了第二代和第三代单晶高温合金，使发动机叶片能在更高的温度下工作，是它的耐高温性能提高。
资料显示，高性能的单晶合金与先进的气冷叶片设计、精湛的精密铸造技术和优良的防护涂层及工艺相结合，能使航空发动机的涡轮进口温度提高300℃左右。
例如，第三代单晶合金作叶片材料的推重比为10的F119发动机。
由于蠕变特性取决于层错能和反向界能的相对值，反向界能高，层错能低，有利于合金蠕变寿命的提高，因此也出现了单晶高强度涡轮叶片合金。
各代发动机涡轮叶片选用材料发展
镍基单晶合金是一种应用在涡轮叶片的合金。
涡轮叶片的合金及制造工艺历经了几十年的发展过程，较早的锻造镍基高温合金是在80%Ni和20%Cr合金基础上发展起来的。
为了提高蠕变断裂强度及抗高温氧化性能，在合金中添加少量Ti和Al制成合金；加入约20%Co制成的Nimonic90，耐温能力提高50℃。
为了提高锻造镍基高温合金强度而增加Ti和Al含量。
随后发展了铸造叶片和金工艺。
在镍基高温合金发展的早期，合金成分站主导地位；随后叶片材料性能同时取决于合金成分和铸造的过程。
而目前发展的定向单晶技术和机械合金方法是提高叶片性能的主要途径。
单晶镍基合金作为涡轮叶片材料，使涡轮进口温度得到很大的提高，但是由于γ'在高温下的不稳定性，使得这类合金的耐温能力受到限制。
定向结晶叶片的生产采用定向凝固技术。
利用合金凝固时晶粒朝着与热流方向相反的方向生长规律，控制热流方向，使经历沿一定方向生长。
用定向凝固的方法制成的叶片，其晶粒形状为一束平行排列的柱状组织，基本上消除了横向结晶，并且晶粒生长的方向<001>具有最低的弹性模量，这将大大降低叶片工作时温度不均匀所造成的热应力，使得蠕变断裂寿命和热疲劳抗力得到很大的提高。
普通铸造和定向凝固涡轮叶片热疲劳性能对比
普通铸造和定向凝固合金的蠕变曲线
除了使用合金材料，还有用涂层的办法来提高涡轮叶片的耐烧上涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。
采用抗氧化防护涂层，是延长热强合金使用寿命的重要因素。
如，T3D的涡轮叶片上普惠公司就用扩散渗透法在涡轮叶片上“镀”上一层铝、硅涂层，使工作寿命达到15900小时。
涂层质量高、通用性好、沉积精度高、工艺成本低是这种工艺的优点。
除了涂层之外，用较冷的空气对涡轮叶片进行冷却，也是一种方法，并由此产生了空心气冷叶片。
最早的涡扇发动机--英国罗·罗公司的维康就使用了空心气冷叶片。
由此看来，为了满足第一代航空喷气式涡轮发动机叶片的使用要求，20世纪50年代研制成功的高温合金凭借其较为优异的高温使用性能全面代替高温不锈钢，并使其工作温度达到了800℃水平，掀起了涡轮叶片使用材料的第一次革命。
20世纪60年代以来，由于真空冶炼水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金铸件开始成为涡轮叶片的主选材料。
定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度、使晶粒择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的热疲劳性能，并且消除了横向晶界。
单晶合金涡轮叶片是定向凝固技术的进一步发展，其耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能有了显著提高，从而成为了主要的航空发动机涡轮叶片的材料，由此掀起了第二次革命。
涡轮叶片的选材要考虑它的工作环境，但是除此之外还要结合叶片的结构进行强度和制造工艺的设计。
20世纪90年代，很多新型发动机的涡轮叶片设计都采用了先进的复合倾斜、端壁斜率和曲率控制等技术，给单晶的生长带来了很大困扰。
总之，涡轮发动机叶片的选材需考虑温度、环境气氛以及叶片的设计结构等多方面因素，而由此提出的复合材料和陶瓷材料也在进一步的发展和研究中。
碳纤维复合材料就是一种。
这种材料具有高比强度、高比模量，并且重量减轻，从而使发动的燃料消耗下降，还可以减小振动振幅和振动应力。
此外，还有树脂基复合材料。
同样，这种材料是利用它的优异特性来提高风扇叶片的强度。
（六）材料及加工成型
叶片制造工艺从等轴晶到定向柱晶和定向单晶，不仅在晶粒结构控制上取得了很大的进展，铸造性能也有较大的提高。
能够生产薄壁和具有复杂冷却结构的涡轮叶片。
而熔铸工艺的不断进步也起着至关重要的作用。
在等轴晶叶片的生产中，采用普通的熔模铸造方法，在三室真空炉中真空融化高温合金、真空浇注及冷却成形。
真空熔炼能显著降低高温合金中有害于力学性能的杂志和气体含量，并且可以精确控制合金成分，使其性能稳定。
并且随着真空熔炼技术的不断进步，合金的纯洁度也越来越高，是合金的杂志含量降低到很低的水平。
随着涡轮叶片制造工艺的不断发展，从最初的是新叶片到空心叶片，从有加工余量叶片到无余量叶片，再到定向空心无余量叶片。
前文提到的空心气冷叶片不仅能使涡轮叶片适应工作环境、提高它的耐高温性能，还实现了减轻叶片的重量。
对于真空熔炼，可以严格的控制活泼元素，充分发挥合金的能力，有利于应用返回料，使得强度和塑性都有所提高。
有利于气体和夹杂无的排除和分解，用碳脱氧，可以使合金中的氧含量下降。
除此之外，还可以除去有害的杂质。
改善热加工性能，提高成材率，改善结晶状态、降低合金元素的偏析。
随后，定向凝固技术的发展使得铸造合金力学性能又得到提高，从成文能力最高的等轴合金到最高的第三代单晶合金，其承温能力提高了150℃。
涡轮发动机叶片工作环境恶劣，温度、载荷冲击非常大，要求它具有很高的强度、耐腐蚀性、抗冲击性和耐高温的性能。
因此它的表面加工要求很高的精度、准确的形状和表面的完整性。
这就要求铸件模具定型精化，包括型腔的优化，每一个环节的精确，每一个环节都会影响到铸件最终的性能。
影响涡轮叶片精铸尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等。
对此，可以采取模具型腔反变形补偿。
铸造中，浇注后叶片的尺寸变形最大，高温液态合金注入模壳后，随着温度的降低，会产生收缩变形，同时会产生弯曲变形和弯扭变形。
为了有效的防止这种变形，采用在传统模具设计时考虑对收缩变形的补偿，然后向与变形相反的方向预留一定的变形量。
熔模铸型首先是熔模的组装，把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起。
在经过若干次涂料、挂砂，干燥硬化，密封加固，脱蜡，焙烧最终制成型壳。
（七）展望与结论
结合以上，对航空发动机的发展历史和发动机内部组成结构，从材料及加工工艺的简单分析，不难看出，目前使用单晶合金材料还是涡轮发动机叶片的主要材料。
主要是由于涡轮发动机的工作环境所致。
由于涡轮发动机主要应用在飞机上，所以要为飞机提供短时加速和保持稳定的工作，就必须在材料和加工工艺上进行严格的控制。
而使用合适的材料更是体现了低耗能、高效率的可持续发展。
由于涡轮发动机叶片恶劣的工作环境致使它需要有良好的耐高温性能，同时还要在蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能上有所要求。
由于在航空领域，还要确保叶片的使用寿命和尽量降低铸造成本，最后在保证这些性能之外，还要尽量使叶片的重量轻一些，这样不仅能使推动效率提高、强度增大，还能降低能耗，使涡轮发动机的性能不断提高。
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