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从高温合金到单晶合金+复合冷却， 航空发动机叶片

高温航空发动机叶片合金

飞机空发动机叶片(从高温合金到单晶合金+复合冷却 ， )
涡轮叶片是整个飞机“核心中的核心”众所周知 ， aero 空发动机是整个飞机的核心 ， 其性能直接决定了飞机的整体性能 ， 因此aero 空发动机也被称为“工业皇冠上的明珠” 。在aero 空燃气涡轮发动机中 ， 涡轮叶片是最恶劣的工作环境和最复杂的应力 。同时 ， 涡轮叶片也是aero 空发动机在体积小、重量轻方面获得高性能的关键点 。所以 ， 如果说aero 空发动机是整架飞机的核心 ， 那么涡轮叶片就是整架飞机的“核心中的核心”！
【从高温合金到单晶合金+复合冷却， 航空发动机叶片】
J -20发动机尾喷管
对于aero 空发动机 ， 温度的升高会提高热效率 。相关研究表明 ， 在涡轮前温度为55℃ ， 其他条件不变的情况下 ， aero 空发动机推力可提高10%左右 。因此 ， 在高性能aero 空发动机不断追求高推力、高推重比的情况下 ， 提高涡流前轮温度自然成为aero 空发动机蓬勃发展的方向 ， 涡轮前温度的提高是基于材料性能(耐久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳性等)的提高 。)的高温涡轮叶片 。
大涵道比涡扇发动机分析图
但在aero 空发动机不断发展的过程中 ， 涡流前轮温度(叶片工作温度)的发展速度远快于涡轮叶片材料的轴承温度 。按照目前的技术水平 ， aero 空发动机中一个“裸”涡轮叶片的轴承温度最多只有1100℃左右 ， 但叶片的工作温度已经达到了1700℃ ， 两者的区别离不开涡轮叶片各种冷却技术的发展 。
涡轮部件结构和截面图
高温合金的应用迎来涡轮叶片的第一次革命航空空发动机涡轮叶片材料的第一次革命始于高温合金的出现 。20世纪40年代 ， 第一种高温合金被开发出来 。随后 ， 该高温合金以其优异的高温性能完全取代了以往的高温不锈钢 ， 并于20世纪50年代应用于第一代航空空燃气涡轮发动机 。此时高温合金涡轮叶片的使用温度达到800℃ ， 因为轴承温度与工作温度相差不大 。
航空发动机叶片
定向合金大幅提升叶片承载温度到20世纪60年代 ， true 空铸造技术的应用是高温合金发展史上最重要的事件之一 。true 空铸造大大降低了对高温合金性能有害的杂质含量 ， 提高了合金的纯度 ， 促进了叶片的各种特性 。后来为了解决合金中的“塑槽”问题 ， 还发明了定向凝固合金技术 ， 因为定向凝固使合金的结晶方向与叶片主应力轴方向平行 ， 基本消除了垂直于应力轴的横向晶界 ， 提高了合金叶片的塑性和热疲劳性能 。
不同工艺下涡轮叶片的性能比较
此时定向铸造高温合金制成的涡轮叶片轴承温度已达到1000℃(约1273K) ， 较上一代高温合金提高约200℃ ， 第二代航空空燃气涡轮发动机涡轮前温度已达到1300K-1500K ， 航空空
第一代单晶合金+气膜冷却技术20世纪70年代 ， 合金化理论和热处理技术取得突破 。此时 ， 该技术可以在定向凝固合金的基础上完全消除晶界 。由此 ， 单晶合金涡轮叶片的制造技术诞生 ， 也掀起了涡轮叶片所用材料的第二次革命 ， 进一步提高了合金叶片的热强度(约30℃) ， 涡轮叶片的轴承温度达到1050℃左右(约1323K) 。
不同工艺叶片的微观比较
然而 ， 第三代航空空燃气涡轮发动机的要求也使涡轮叶片的工作温度和载荷温度进一步加宽 ， 因此涡轮叶片的冷却技术受到重视 。通过在叶片上设计冷却通道和孔 ， 然后将压气机中几百摄氏度的“低温气体”引入涡轮叶片 ， 再从叶片表面的冷却孔喷出 ， 形成气膜 ， 可以将温度较低的涡轮叶片与其工作环境中的高温气体隔离开来 ， 即气膜冷却技术 。
发动机叶片上冷却孔的特写
随着气膜冷却技术的应用 ， 涡轮叶片的工作温度可以远高于叶片材料本身的承载温度 。因此在第一代单晶合金+单通道气膜冷却技术的综合应用下 ， 第三代aero 空发动机涡轮前温度达到1680K-1750K ， 开始出现推重比8的涡扇发动机(目前涡扇-10在这一代) 。
第二代单晶合金+复合冷却技术到上世纪末 ， 第五代战斗机提出了“超音速巡航”的要求 ， 发动机的推重比和推力需要进一步提高 。在第二代单晶合金中加入铼、钴、钼等元素 ， 进一步提高了涡轮叶片合金的组织稳定性 ， 持久强度和抗腐蚀能力达到了很好的平衡 ， 使其轴承温度再次提高30℃左右 ， 达到1100℃左右(1370K左右)的水平 。

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