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刘永泉总设计师 众所周知，叶片是航空发动机“肚子”里的主要“内脏”，也是涉及发动机安全性能的关键动部件（相对于静部件）。随着航机的升级换代，叶片也由过去的锻件、普通铸件叶片升级为技术性能更先进的单晶叶片、单晶空心叶片。过去，南方公司的这类叶片毛坯供给主要靠外购，复验及机加后合格率极低，成为发动机增产的最大瓶颈。 1 那么什么是单晶叶片呢？ 单晶叶片：只有一个晶粒的铸造叶片。 定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。 图：合金生长方式造成叶片结构性能差异 什么是单向结晶？ 单向结晶就是所有的晶粒都是沿着一个方向生长的。只要让一端先开始固化，另一端还是液体，这样我们就有了有方向的热通量，晶粒的生长以和热通量的相反方向生长。 即先让叶片的下面最先开始固化，并且保持上面液态，这样热通量就是从上到下的，于是晶粒就会从下往上生长了，于是单向结晶叶片就有了。 单晶叶片是怎么做出来的呢？ 和单向结晶叶片的过程非常相似。只需要在最下面加一个螺旋就好了。在固化的过程中，原子朝不同方向生长，加一个螺旋，就是消除这个方向。让叶片的下面最先开始固化，并且保持上面液态，这样热通量又是从上到下的，于是晶粒就会从下往上生长了，由于固化需要通过这个螺旋管，晶粒就一个接一个被消灭，于是单晶叶片就有了。 2013年，中航工业发动机将其列为“涡轮叶片厂所联合技术攻关”项目。南方公司科研团队先后从叶片的尺寸要求、冶金工艺难点上寻求技术突破，开展了陶瓷型芯工艺、刚玉型壳工艺、单晶选晶及定向凝固工艺、单晶叶片再结晶控制、陶瓷芯定位技术等研究工作。经过大量试验，他们在陶瓷材质及配方、焙烧温度控制、浇铸工艺参数、拉晶速率、工艺路线调整、模具改进方面积累大量数据和经验，使得空心单晶叶片精铸技术日臻完善，其冶金质量、组织形态、化学成分及力学性能等均符合技术条件，并达到设计性能要求。经检测，首批毛坯合格率比外购毛坯提高40%。 2 单晶叶片是用什么材料制成的呢？ 涡轮叶片是航空发动机的关键零件, 其承受温度的能力是评价发动机性能和决定发动机寿命的重要因素，因此涡轮叶片的结构和材料的选用是提高航空发动机性能的关键。目前这些叶片均由耐高温的高镍合金制成。 高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。 什么是高温合金？ 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃~1200℃下承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的一类金属材料。 性能特点： ⑴高温合金具有较高的高温强度； ⑵良好的抗氧化和抗热腐蚀性能； ⑶良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性。 组织特点： 高温合金为单一基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性。 应用范围： 航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件，航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤转化装置。 结 语 “一代材料，一代飞机”是航空工业发展的生动写照，材料与飞机在相互推动下不断发展，航空材料一直发挥着先导和基础作用。在现代材料科学与技术的发展历程中，发动机材料的发展不断促进动力产业和能源行业的推陈出新。 来源：检验在线出品
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发表于 2016-3-11 14:26:58
