在當今高度工業化的時代，精密特種加工技術正逐漸成為製造業的新（xīn）寵，以其高精度、高效率和高（gāo）靈活性的特點，引領著製造業向（xiàng）更高層次邁進。精密特種加工技術究竟有何魅力？它又是如（rú）何改變我們的（de）生產和生活方式的（de）呢？接下來，就讓我們一起走進精（jīng）密（mì）特種加工的世（shì）界，探索它的奧秘和（hé）前景（jǐng）。
精密（mì）特種加工技術，是指在傳統機械（xiè）加工基礎上，采用先（xiān）進的工藝（yì）方法、高精（jīng）度的設備和工具（jù），對難加工材料或複雜形狀零件進行高精度、高效率的加工技術。它涵蓋了激光加工、電火花加（jiā）工、超聲波加工等多種加工方式，具有加（jiā）工精度高（gāo）、加工質量好、適用（yòng）範圍廣等顯著特點。
二、精密特（tè）種加（jiā）工技術的應用領（lǐng）域
精密特種加（jiā）工技術在航空航天、汽車製造、醫療器械等領域有著廣泛的應用。在航空航天領域，精密特種加工技（jì）術可用於製造高（gāo）精度、高可靠性的零部件（jiàn），如發動機葉片（piàn）、導軌等；在汽（qì）車製造領域，它可用於製造複雜形狀的零部件，提高汽車的性能和安全性；在醫療（liáo）器械領域，精密（mì）特（tè）種加工技術可用於製造高精度的醫療設（shè）備和器械，提高醫療水平。
三、精密特（tè）種加工技術的優勢與挑戰
精密特種加（jiā）工技術的優（yōu）勢在於其高精度、高效率和高靈活性。通過采用先進的工藝方法和設備，可以實現微（wēi）米級甚至（zhì）納（nà）米級的加工（gōng）精度，大大提高產品（pǐn）的質量和性（xìng）能。同時，精密特種加工技術還（hái）具有（yǒu）加工速度快、加工成本低等優勢，能夠顯著提高生產效率和經濟效（xiào）益。
然而，精密特種加工（gōng）技（jì）術也麵臨著一些挑戰。首（shǒu）先，精密特種加（jiā）工技術需要高度專業（yè）化的設備和操作（zuò）人（rén）員，對技術和人才的需求較（jiào）高；其次，精（jīng）密特種加工技術通常涉及（jí）到高精度、高難度的加工過程，對工藝控製和質量控製的（de）要求非常嚴（yán）格；此外，隨著製造業的快速發展和市場競爭的加劇，精密特（tè）種加工技術還需要不斷創新和提升，以滿足不斷變化的市場需求。
四、精密特種加工技術的發展前景
盡管麵臨著（zhe）一些挑戰，但精密特種加工技術的發展前景依（yī）然廣闊。隨著科技的（de）不斷進步和製造業的不（bú）斷升級（jí），精密特（tè）種（zhǒng）加工技術（shù）將在更多領（lǐng）域得到應（yīng）用和推廣。未來，精密特種（zhǒng）加工技術將更加智能化、自動化和柔性化，實（shí）現更（gèng）高效、更精準、更靈活的生產方式。同時，隨著新材料、新（xīn）工藝的不斷湧現，精密特種加工技術也將不斷拓展其應用領域和加工能力。
發動機葉片精密加（jiā）工：技術之巔，匠心獨運
隨著現代工業的發展，發動機作為核心動力裝置，其性能優劣直接關係（xì）到整個機械（xiè）設備的運行效（xiào）率和穩（wěn）定（dìng）性。而發（fā）動機葉片作為發動機的關鍵部件，其精密（mì）加工技術更是重中之重。本（běn）文將帶您領略發動機葉（yè）片精密加工的魅（mèi）力，探尋其背後的技術秘（mì）密。
發動機葉（yè）片作為發動機中的“心髒”，承受著（zhe）高溫、高壓和（hé）高速旋轉等多重考驗。因此，對葉片的（de）精密加工要求極高，不僅要求葉片表麵光滑如鏡，更要求其在複雜的工作環境下保持穩定的性能。這就（jiù）需要采用先進的加工設（shè）備和工藝，確保每一片葉片（piàn）都能達（dá）到最高的品質標準。
在精密加工領域，數控加工技（jì）術成（chéng）為（wéi）主流（liú）。通（tōng）過高精度（dù）的數（shù）控機床和編程軟件，可以實（shí）現對葉片的微米級加工，確保葉片的尺寸精度和形狀（zhuàng）精度。同時，采用先進的刀具材料和切削技術，可以有效減少加工過程中的摩擦和熱量，避免葉片變形和損傷。
除了數控加工技術，特種加工技術也在發動機葉（yè）片加工中發揮著重要作用。如激光加工、電火花加工等，這些技術可以在難以加（jiā）工的材料上實現高精度、高效率（lǜ）的加工。特（tè）別是在處（chù）理複雜曲麵和微小結構時，特種加工（gōng）技術更是展現出了其獨特的優勢。
然而（ér），精密加工並非一蹴而就。它需要加工人員具備豐富的經驗和精湛的（de）技術（shù），每一（yī）個（gè）細（xì）節都需要精益求（qiú）精。從（cóng）原材料的選擇到加工參數的設定，從刀具的磨損檢測到加工質量的監控（kòng），每一個環（huán）節都容不得半點馬（mǎ）虎。正是這種對技術（shù）的執著和對品質的（de）堅守，才使得發動機葉片的精密加工成為一項令人敬畏的技藝（yì）。
隨（suí）著科技的進步，發動機葉片精密加工（gōng）技術也在不斷創新和發展。未來，我們可以預（yù）見，這一領域（yù）將會有更（gèng）多的新技術、新工藝湧現，推動發動機性能的不斷提升。同時，隨著智能製造和工業4.0的推進，發動機葉片的精密加工也將實現更高（gāo）的自動化和智能化，為整個工業領域的進步貢獻力量。
發動機葉片的精（jīng）密加工是一項集技術、工藝和匠心於一體的綜合性工程。它不僅要求加工設備的高度精密（mì）和加工技術的不斷創新，更要求加工人員的精湛（zhàn）技藝（yì）和對品（pǐn）質的極致追求。在這個充滿挑戰和機（jī）遇的（de）時代，我們（men）有理由（yóu）相信，在精密加工技術的推動下，發（fā）動機的性能將不斷攀升，為（wéi）人類的（de）工業發展寫下更加輝煌的篇章。
測量
葉片作為發動機的相（xiàng）關重要部件之（zhī）一，其在航（háng）空發動機製造中所占比（bǐ）重約為30%。
由於葉片形（xíng）狀複雜、尺寸跨度（dù）大（長度從20mm~800mm）、受力惡劣、承（chéng）載最大，且在高溫、高壓和高轉速（sù）的工況下（xià）運（yùn）轉，使得發動機的性能在很大程度上取決於葉片型麵的設（shè）計製造水平。
為滿足發動機高性能、可靠性及壽命的要求，葉片通常選用合金化程度很高的鈦合金、高溫合（hé）金等材料製成；同時由於葉片空氣動力學（xué）特性的（de）要求，葉型必須具有精確的尺寸、準確的形狀和嚴格的表麵（miàn）完整性。
隨著航空發動機性能要求越來越高，各（gè）大主機生產廠對葉（yè）片加（jiā）工精度要求也越來越高。目前，航空（kōng）發動機的葉片製造方法主要有電（diàn）解加工、銑削（xuē）加工、精密鍛造、精密鑄造等。其中，數控銑削加（jiā）工由於加工精度高、切削穩定、工藝成熟度高等優點（diǎn）而被廣泛應用（yòng）。
然而由於葉（yè）片零件壁薄、葉身扭曲大（dà）、型麵複雜，容（róng）易產生變形，嚴重影（yǐng）響了（le）葉片的加工精度和表麵質量。如何嚴格控製葉片的加工誤差，保證良好的型麵精度，成為檢測工作關注的重點。
葉片型麵是（shì）基於葉型（xíng）按照一定積累疊加規律形成的空間曲麵，由於葉片形狀複雜特殊、尺寸眾多（duō）、公差要求嚴格，所以葉片型線的參數沒（méi）有固定的規律，葉片型麵的複雜性和多樣性使葉片的（de）測（cè）量變得較為困難。
傳統的檢測方法無法科學地（dì）指導葉片的生產加（jiā）工，隨著汽輪機、燃氣機等製造（zào）業的發展，要求發動機不斷更新換代，提高發動機的安全性和可靠性；先進（jìn）技術的體現在於葉片的改進與創新，從而必須提高（gāo）葉片製造技（jì）術水平，同時要求葉片加工（gōng）測量實現數字（zì）化，體現其精準度，精確給出葉片各點實際數值（zhí）與葉片理論設（shè）計的誤差。
且隨著我國航空（kōng）發動機製造企業的迅猛發展，發動機葉片數量大、種類多，檢測技術麵臨著前所未有的機遇和挑戰。
目（mù）前，在國內的葉片檢測過程中，傳統的標準樣板測量手段（duàn）仍占主導（dǎo）地位，效率低下、發展緩慢，嚴重製（zhì）約著設計、製造和檢測的一體化進程。
為（wéi）適應快速高效檢（jiǎn）測要求，目前（qián）西方發達國家已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測。
由於航空發動機葉片的數量大、檢（jiǎn）測項目多，三（sān）坐標檢測技術的引入很大程度地改善了葉片製造過程中檢測周期長、檢測結果不準確以（yǐ）及由於和外方（fāng）檢測方式不一致所（suǒ）導致的檢測結果差異過大的問題。
三坐標檢測所特有的適用（yòng）性強、適用麵廣、檢測快速（sù）、結果（guǒ）準確的這一優點（diǎn），使得三坐標測（cè）量機（jī）在葉片生產企業得到廣泛應用。
近年來，隨著我國（guó）航（háng）空工（gōng）業的發展，三（sān）坐標測量機在葉片生產主機廠家（jiā）逐漸得到普及。
但由於（yú）葉片型麵複雜、精度要求高，不同廠家的測量方（fāng）式、測量流程和數據處理方式不同，導致葉片的測量結果不一致，測量工作反複，嚴重製約著（zhe）葉型檢測效率的（de）提高。
葉型檢測難點（diǎn）具體表現為：
（1）測量精度和效（xiào）率要求（qiú）高。葉片型麵的測量精度直接反映製造精度，通常要求測量精度達到10μm，甚至1μm。
因此對（duì）測量環境要求嚴格（gé）苛刻，通常需要專門的測量室。葉片是批量生產零件（jiàn），數量成千上萬，應盡可能提高（gāo）測量速度（dù）和效率。生產車（chē）間和測量室之間的（de）反複（fù）運輸和等待，使得檢測效率低下。
（2）測量可靠性要求高。葉片測量和數據處理結果應反映葉片的實際加工狀態，這樣才能保證葉片的製造質量。
（3）數據（jù）處理過程複（fù）雜。葉片參考紙上不但有葉型、弦長（zhǎng）、前緣後緣半（bàn）徑等尺寸誤差要求，還（hái）有葉片的形狀輪廓、彎曲、扭轉、偏移等形位誤差要求。
利用三坐標（biāo）測量機獲取的測量數據存（cún）在（zài）噪點，通（tōng）常需要對原（yuán）始的測量點集進一步（bù）簡化，提取不（bú）同的尺寸和特征參數；還需（xū）進行複雜的配準運算，迭代求解葉片的形位誤差。
其中（zhōng）算法選用不同得（dé）到的誤差評（píng）定結果各有（yǒu）差異，導致整（zhěng）個處理過程複雜。
葉片測量新技術
（1）基於數字樣板葉型檢測方法。
標準樣（yàng）板是根據葉片的理論型線設計製造（zào）的與葉型截麵對（duì）應的母（mǔ）模量具，使用葉片固定座（即型麵測（cè）具）把葉片固定後，用處於理想位置的葉（yè）盆（pén）標準樣（yàng）板和葉背標準樣板檢查葉盆、葉背型麵間隙，並反複調整葉（yè）片空間位置，以型（xíng）線的吻合度作為衡量其是否合格的依據（jù）。
葉型設計參考多以透（tòu）光度，或相對（duì）誤（wù）差（chà）來表示，如±0.15mm。這個比對誤（wù）差實（shí）際上並不（bú）是單純的形狀誤差，而是形（xíng）狀誤差、尺寸誤差、位置誤差（chà）三者的綜合體。
針對標準樣板法的特點和存在的缺點，西北工業大學研究了基於（yú）數字樣板的檢測方法。
數（shù）字樣板檢測（cè）方法是基於標準樣板法的原理，利用數字化測（cè）量手段獲取測量數（shù）據，然後利（lì）用虛擬的數（shù）字樣板，與實測的數據（jù）進行匹配（pèi），在公差約束條件（jiàn）下達到最佳匹配。最後在該最佳姿態下，求解葉型各項形位誤差（chà）。
下文將數字樣板檢測（cè）方法歸納為三個主要過程：實物樣板數字化、匹配過程模型化、誤差評定過程自動化。實物樣板數字化是將傳統的實物樣（yàng）板轉換為CAD模型，以數字模型的方式進行樣板比對和誤差評定（dìng）。
由葉（yè）片設計模（mó）型構造的三（sān）維CAD模型，它包括（kuò）了（le）加工葉片完整的截麵幾何信息、基準信息，是數字樣（yàng）板法誤差評定的模型基礎，可以進行表麵輪廓度分析、葉型特征參數和形位誤差的分析和評定。
對於（yú）數字樣板法的原始（shǐ）測量點集，主（zhǔ）要通過CMM測量（liàng）獲得。在數字樣板構造的基礎上，通過匹配過程的模型化（huà）對測量數據和數（shù）字樣板（bǎn）自動進行調整。
針對數字樣板（bǎn）法中的原始測量數（shù）據，通（tōng）常需要（yào）進行數據（jù）預處理，獲取（qǔ）真實有效的型麵測量數據參與數字樣板檢測。
其（qí）中，數據預處理（lǐ）包（bāo）括測量點去（qù）噪、測頭（tóu）半徑補（bǔ）償、坐標變換、測量點與曲麵的配準、測量點排序（xù）等。其中，數（shù）據處（chù）理（lǐ）的第一步，就是（shì）對（duì）得到的型麵測量點進行（háng）去噪，篩選有效的測量數據（jù）。
其次，CMM測量（liàng）得到的數據是測頭球心數據，必須進行測頭半徑（jìng）補償。對於葉片測量時的裝夾引起的係統誤（wù）差，在（zài）樣板（bǎn）匹配前必須進行坐標係對（duì）齊來消除。
（2）葉片高速連續掃描技術。
為提高整體葉盤葉片的檢測（cè）效率，雷尼紹公司近年來（lái）開發了SPRINT高速掃描係統。
與傳統的機內測量技術相比，SPRINT葉片測量（liàng）係統可以（yǐ）顯著（zhe）縮短測量循環時間，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結果，可以為葉片自適應（yīng）加工、工序間（jiān）檢測等提供（gòng）很好的（de）檢測數據。
葉片測（cè）量（liàng）分析軟件可通（tōng）過數控機床控製器（qì）上的Productivity+™CNC plug-in直接運行，因此測量數據可通（tōng）過（guò）宏變量自動提供給數（shù）控機床（chuáng），也可以自（zì）動提供給（gěi）連接的計算機（jī）進行下遊數據處理。
SPRINT係統配備的OSP60 SPRINT測頭每秒可以采集1000個3D數據點，從而可以滿足葉片在機快速檢測的（de）要求。
利用SPRINT係統進行測量時，在CNC機床上分別從四個方向對葉片進行測量，從而避免在測量過程中發生測頭與工件之間的碰撞（zhuàng）幹涉。
在測量之（zhī）後，四部分的測量數（shù）據將被拚合成一個完整的（de）葉片測（cè）量（liàng）數據集。SPRINT係統可以用於加工過程中工序間的檢測，以確保產（chǎn）品（pǐn）的加工過程正確（què）。同時，還（hái）可以作為加工（gōng）完之後的質量檢測（cè）使用。
加工過程中以及加工後的型麵誤差檢測（cè）是確（què）保葉片加工質量符合公差要求的必要手段。隨著測量技術的不斷發展（zhǎn），逐漸發展處快（kuài）速、簡易、高效的葉片測（cè）量與數據處理技術。
同（tóng）時，隨著智能加工技術的發展，在機快速檢測技術將推動葉片加工質量與成品率的提升。在這一發展過程中，需要重視和建立葉片在機（jī）測量和加工質量的評估標準，從而為這類技術的推廣使（shǐ）用奠定（dìng）基礎（chǔ）。
質量控製
航空發動機葉片是（shì）發動（dòng）機的（de）核（hé）心部件之一，發動機的性能很大程度上取決於葉片型（xíng）麵的設計和製（zhì）造水平。
發動（dòng）機就是依靠這（zhè）眾多的葉片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產生強大（dà）的動力來推動飛機前進的工作（zuò），它的曲麵形（xíng）狀和製造精度直接決定了飛機發動機的推進效率的大小。
參（cān）考1 JAT生產的（de）航（háng）空發動機
什（shí）麽是發動機葉片
參考2各類型葉片
航空發動機葉片（piàn）是發動機的核心部件之一，發動機的性能很（hěn）大程度上取決於葉片型麵的設計和（hé）製造水平（各（gè）類型葉片如參（cān）考2所示）。
葉片是一類典型的自由曲麵（miàn）零件，發動機就是依靠這眾多的葉片完成對氣體的壓縮和（hé）膨脹以及以最高的效率產生強大的動力來推動飛機前進的工作，它的曲麵形狀（zhuàng）和製（zhì）造精度直接（jiē）決定了飛機發動機的推進（jìn）效率的大（dà）小，
參考3為（wéi）噴氣發動機的渦輪葉片。
參考3噴氣發動機的渦輪葉片
葉片質量（liàng）為何如此重要
在航（háng）空（kōng）發動機中（zhōng），葉（yè）片型麵的複雜程度（dù）非常高，尺（chǐ）寸跨度大，而且承（chéng）載也比較大，如參（cān）考4、5所示。
葉片的工作性能受到其幾何形狀和尺寸的直接影響，當葉片型麵的質量（liàng）比較差時，發動機會承受二次流損耗（hào），進而影響能量（liàng）轉換效率。
基於此，在進行葉片型麵製造時，要對質量十分（fèn）的注重，通過檢（jiǎn）測技術的有效應用，提升提高葉片型麵製造的質量，並保證航空發動機的性能。
參考4複雜發動機葉片
參考5GE9X發動機的薄葉片（piàn）
怎樣控製葉片質量
葉片質量控製的主要手段（duàn）為檢測，當前，比較（jiào）常用的發動機壓氣機葉片型麵檢測技術比較多（duō），下麵主（zhǔ）要為大家介（jiè）紹幾種葉片型麵檢測技術（shù），以便於（yú）提升檢測工作的有效性（xìng），保證葉片（piàn）製造的質量，提升航空發動機的性能。
參考6工程師檢查發動機葉片
參考7工程（chéng）師檢（jiǎn）查發（fā）動機葉片
參考8測量發動機葉片
幾種葉片檢測技術
電感測量技（jì）術
對於機械位移量，通過電感方法對其進行轉換，變成電量之後進行放大、處理，最後，將（jiāng）機械位移量顯示出（chū）來，這種測量方法就是電感測量。
在利用電感測量方法檢（jiǎn）測時，不能單獨（dú）進行使（shǐ）用，需要配（pèi）備相應的測量機械裝（zhuāng）置，以便於對被（bèi）測零件進行定位，並將傳感器固定。
優點：簡便性比較高，能夠實現直觀的測量，而且（qiě）測量的精度和效率都比較高（gāo）。在進行航空發（fā）動機壓氣機葉片型麵檢測時，經常使用此種（zhǒng）方法。
參考11渦輪葉片探傷
局限：從理（lǐ）論上來說，檢測時葉片各（gè）個部位的形狀可（kě）以通過加密測點的（de）方法來進（jìn）行，不過，在使（shǐ）用加密測點方法後，檢測的複雜程度提升，尤其是葉片（piàn）型麵型線的測（cè）量，由於測量點比較多，測（cè）量無法有效的保（bǎo）證。
光學投（tóu）影檢測技術
利用（yòng）光學投影檢測技術對葉片型麵進行檢測時，需（xū）要借助（zhù）相應（yīng）的光學投影設備，通常來說，斷麵投（tóu）影儀以及光學跟蹤投影儀是比較常（cháng）用的兩個設備。
參考12光學投影檢測
優（yōu）點：通（tōng）過光學投（tóu）影設備的屏幕（mù），檢測人員可以直接的觀看（kàn）葉（yè）型；經過放大之後，將其與理想葉型對比，進而（ér）準確（què）的發現實（shí）際葉型（xíng）與理想葉型之（zhī）間存在的差異，從而有針（zhēn）對性的對實際葉型進（jìn）行（háng）改進，保證葉片製（zhì）造（zào）的質量。
參考13光學投影檢測（cè）環路
局限：在進行檢查時，葉片表麵（miàn）反射能（néng）力會在很大程（chéng）度上影響（xiǎng）檢測結果，導致檢測結果的準確性（xìng）降低；另外，屏幕也具備（bèi）一定的限製性，隻有弦寬不大的葉（yè）子（zǐ）才能利用（yòng）此種（zhǒng）檢（jiǎn）測技術進行檢測。
三坐標測量（liàng）技術
在三坐標測量技術中，參考係為空間直角坐標係，機械零件在利用此種技術（shù）檢測時，輪廓上各被測點的坐標值可以準確的測（cè）量出來，同時，還可（kě）以處理（lǐ）數據（jù）群，將零件各個幾個元素形位尺寸計算出來。
參考14三坐標測量技（jì）術測量葉（yè）片坐標
優點：測（cè）量對象數字化；利用誤（wù）差補償技術，測量精度顯著提升；利用算法靈活的軟件，提（tí）升檢測的（de）有效性（xìng）；自動化測量，減少人力使用，節約檢測成本，提升（shēng）檢測質量，從設計到製造到檢測，實（shí）現一體化。
參（cān）考15三坐（zuò）標測量技術曲線偏差評估
局限：測量機所需花費的成本比（bǐ）較高，對工作環（huán）境的（de）要求比較高，功能冗（rǒng）餘的專業性比較差，測（cè）量軟件需要（yào）進行二次開發，測量效率比較差，而且測量（liàng）時間比（bǐ）較（jiào）長。
標準樣板法
將標準樣（yàng）板和實際葉片對（duì）應檢測截麵靠近，在照明燈光的輔助下，根據二者之間漏光間隙的大小，來對實際葉片與標準樣板之間（jiān）的誤差進行估計。
參考16獲得標準樣（yàng）板
參考17標（biāo）準樣板
優點：檢測時速度比較快，而且（qiě）操作比較（jiào）簡（jiǎn）單，比較適合在現場使用。在進行葉（yè）片加工時（shí），標準樣板法得到了比較（jiào）廣泛的應用。
參考18標準樣板（bǎn）用於模型比對
局限：零件合格與否的檢測為定性檢測，測量精度比較差（chà）；樣板與葉型型線之間具備對（duì）應關係，一個樣板隻能檢測與其對應的葉片截麵的一條型線，因此需（xū）要很多數量的標準（zhǔn）樣板才能完成檢測，花費的檢測成本比較高。
因此，在當前的葉片型麵檢測中，隻（zhī）有工序間（jiān）型麵檢測才會應用標準（zhǔn）樣（yàng）板法。
激光測量（liàng）技術
參考19激光振動計檢測發動機葉片
比較典型（xíng）的激光測量技術主要有兩種，
一種是四坐標激光測量，一種是激光掃描測量。
四坐標激光測量的（de）基礎為三坐標測量，增加精密轉台，通過非接觸式激光側頭完成測量；激光掃描測量為高速掃描葉片，借助激光光束，在進行掃描時，獲取葉片型麵大量點雲數據，形（xíng）成點（diǎn）雲參考（kǎo），以標（biāo）準葉片的CAD模型為參考依據，進行對比分析（xī），找出（chū）存在的誤差。
參考20接觸式激光三角測量
參考21激光測量葉片傾角
優點：檢測速度比較快，采樣頻率比較高，具備比較高的（de）檢測效（xiào）果。
局限：測量精度（dù）稍（shāo）差。在實（shí）際的航空發動（dòng）機壓氣（qì）機葉麵型麵（miàn）檢測中，應用還比較少。
文章（zhāng）來源：航空製造網
葉（yè）片材料
一、航空燃氣渦輪發動機簡述
航（háng）空燃氣渦輪發動機是（shì）屬於熱機的一種發動機（jī），常見的燃（rán）氣渦輪機類型如參考1所示（shì）：
參考1 Turbojet—渦輪噴氣發動機，Turbofan—渦輪風扇發動機，
Turboprop—渦輪螺旋槳發動機，Afterburning Turbojet—加力渦輪（lún）噴氣機
燃氣輪機可以是一個廣（guǎng）泛的稱呼，基本原理大同小異，包括燃氣（qì）渦輪噴氣發動機等等都包含在內。
它主要由（yóu）進氣道（Intake）、壓氣機（compressor）、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）、噴管（Exhaust）等部分構成（組成如參（cān）考2，參考3所示）。
參考2航空燃氣輪機
參考3燃氣渦輪噴（pēn）射機引擎的示意參考（參考中我們可以看到不同部位的能量大小）
它的工作原理是（shì）：新鮮空氣由進氣道進入燃氣（qì）輪機後，首先由壓氣（qì）機加壓（yā）成高壓氣體，接著由（yóu）噴（pēn）油嘴噴出燃油與空氣混合後在燃燒室進行燃（rán）燒（shāo）成為高溫高壓燃氣，然後進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的焓和動能轉（zhuǎn）換成機械能輸出，最後的廢氣由尾噴（pēn）管排出。
二、渦輪（lún）發動機（jī）性能與葉片材料的關係
燃氣渦輪（lún）是航空燃氣渦輪發動機（jī）的重要部件之一，我們（men）通過采（cǎi）用（yòng）更高的燃氣溫度，可以使得（dé）航空燃氣渦輪發動機在尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能；
參考（kǎo）4燃氣渦輪的示意參考
例如，渦輪進口溫度每提高100℃，航空發動機的推（tuī）重比能夠提高10%左右，國外現役最先進第四代推重比10一級發動機的渦輪進口平均溫度已（yǐ）經達到了1600℃左右，預計未來新（xīn）一代戰鬥機發（fā）動（dòng）機的渦輪進口溫度有望達到1800℃左（zuǒ）右。
據報道，自20世紀60年代（dài）中期至80年代中期，渦輪進口溫度（dù）平均（jun1）每年提高15℃，其中材料所做出的貢獻（xiàn）在7℃左（zuǒ）右。各代發動機渦輪葉片（piàn）選用材料（liào）發展如表1所示。
可見，材料的發展對提高渦輪進口溫度起到了至關重要的作用。
三、渦輪葉片材料的發展
為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發動機的渦（wō）輪葉片的使用要（yào）求，20世紀50年代研（yán）製（zhì）成功的高溫合金憑（píng）借其較（jiào）為優異的高溫（wēn）使用性能全麵代替高溫不鏽（xiù）鋼，使其使用溫度有一個飛躍（yuè）的提高，達到（dào）了800℃水平，掀起了渦輪葉片用材（cái）料的第（dì）一次革命（mìng）。
參考5高溫（wēn）合金材料及其（qí）微觀結構（gòu）
20世紀60年代以來，由於真空冶煉（liàn）水平（píng）的提高和加工工藝的發展，鑄（zhù）造高溫合金逐漸開始成為（wéi）渦輪（lún）葉片的主選材料（liào）。
參考6高溫合金真空（kōng）鑄（zhù）造航空發動機葉片
定（dìng）向凝固高溫合金通過（guò）控製結晶生長速度、使（shǐ）晶粒按主承力方向擇優生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的（de）熱疲勞（láo）性能，並（bìng）且基本消除了垂直於主應力軸的橫向晶界，進一步減少了鑄造疏鬆、合金偏析和晶界碳化物等缺陷使（shǐ）用溫度達（dá）到了（le）1000℃水平。
參考7定向凝固高溫合金（jīn），在80K/cm的溫度梯度下，
有和沒有0.5T的橫向磁場B的縱向微觀結構（gòu）
參考8定向凝固高溫合金，在（zài）80K/cm的溫度梯度下，
有和沒有0.5T的橫（héng）向磁場B的橫向微觀結構
單晶合金渦（wō）輪（lún）葉片定向（xiàng）凝固技術的進一步發展，其耐溫能力、蠕變度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，從而很快得到了航燃（rán）氣渦輪發動機界的普（pǔ）遍認可，幾乎所有先（xiān）進航空發動（dòng）機都采用（yòng）了單晶（jīng）合金用作（zuò）渦輪葉片，成為二世紀80年代以來航空發動機的重大技術之一，掀了渦輪（lún）葉片用材料的第二次革命。
參考9單晶合金葉片的有（yǒu）限元分（fèn）析
參考10三個不同的渦輪葉片（piàn）的顯微結構
各代發動（dòng）機渦輪葉（yè）片結構與選材發展曆程如參考（kǎo）11所示。
參考11各代（dài）發動機渦輪葉片結構與（yǔ）選用材料的發展曆程
以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE司（sī）的Rene′N5為代表（biǎo）的第二代單晶合金與第一代單晶合金（jīn）相比，通過加入3%的錸元素、適當增大了和鉬元素的含量，使其（qí）工作溫（wēn）度提（tí）高了30℃，持強度（dù）與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。
在第三單晶（jīng）合金Rene N6和CMSX-10中，合金成分進行一步優化，提高（gāo）原子半徑大（dà）的（de）難溶元素的總含量特別是（shì）加入高（gāo）達（dá）5wt％以上的（de）錸，顯著提高高溫蠕變強度，1150℃的持久壽命大於150小時，遠遠高（gāo）於第一代單晶合金約10小時的壽命，並獲得高強（qiáng）度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。
美國和日本相繼開發出了第四（sì）代單晶合金（jīn），通過添（tiān）加釕，進一（yī）步高了（le）合金微觀結構的穩定性，增加了長時間（jiān）高溫露（lù）下的蠕變（biàn）強度（dù）。其1100℃下的持久壽命比第二單晶合金提高了10倍，使用溫（wēn）度達到了1200℃。同代（dài）的單晶成分如表2所示（shì）。
參（cān）考（kǎo）12渦輪葉片（piàn）的性能在過去50年（nián）內持續改善，
單晶合金鑄造技術成為現今的主流
四、渦輪葉片設計思想簡述
完整的渦輪葉片選材工作主要包括：
葉片（piàn）結構設計
葉片強度設計
葉片材料設計
葉片製造工藝設計
葉片使用（yòng）過程中的故障模式分析
渦輪葉片結構設計是葉片選材的出發點，20世紀90年代以來，世界航空發（fā）動機設計與製造商（shāng）在各種新（xīn）型發動（dòng）機渦輪（lún）葉片的設計上大都采用（yòng）了先進的複（fù）合傾斜、端壁斜率和曲率控製等技術。
該（gāi）技術的（de）劣勢在於：
（1）給單晶生長控製帶來很大困難；由於凝固過程中的溫度場與溫度梯（tī）度分布複雜，一旦結構的突變區溫度梯度控製不（bú）當或溫度場分布不合理，使樹枝晶的順利生長容易受阻而產生分支或停滯，就容易形成新的晶粒而破壞葉片單晶（jīng）生長的完整（zhěng）性，降低葉片局部的力學性能。
（2）單晶葉片製造工序繁多，過（guò）程複雜，在表麵處理、氣膜孔（kǒng）加工、噴塗（tú）塗層等過程中非常容易產生外來應力，使其在後（hòu）續長時間的高溫（wēn）使用過（guò）程中也可能出現再（zài）結晶現象，為發動機渦輪葉片的安全可靠使用帶來潛（qián）在危（wēi）險。
參（cān）考13渦輪葉片（piàn）的設計創新
參考14渦（wō）輪葉片冷卻膜冷卻孔
從（cóng）材料學的角度來看，決定渦輪（lún）葉（yè）片材（cái）料破壞的主（zhǔ）要參數是溫度、時間、應力（lì）、環境氣（qì）氛和材料（liào）的微觀結構狀態等。
發動機工作的溫（wēn）度、時（shí）間（jiān）和環境氣（qì）氛能簡單地確定，而應（yīng）力的參數則難以確定（dìng），因為實際葉片都是在複雜應力狀（zhuàng）態（tài）下工作的，材料的微觀結（jié）構（gòu）狀（zhuàng）態則是以上四種狀態變量的體現。
發（fā）動機渦輪葉片是渦輪部件中溫度最高和承受熱衝（chōng）擊最嚴重（chóng）的零件，不（bú）僅處於腐（fǔ）蝕性的燃氣包圍中，而且還承受高溫和高應力的作用；
因此，對於葉片（piàn）材料的（de）要求也（yě）是全方位的
第一，必須在較（jiào）高的工作溫度下具有高的熱強度，即具有高的持久強度極限和蠕變（biàn）極限；
第二，要（yào）保證材料在使用（yòng）壽（shòu）命下具有良（liáng）好的組織穩定性、再（zài）結晶傾向盡可能（néng）小；
第三，要具有良好的（de）物理性能，如較低的密度、良好的導熱（rè）性能、較小的線膨脹係（xì）數；
第四，要具（jù）有良好的工藝性能（néng）；
第五，要求在長期使用溫度下有高（gāo）的抗氧化和（hé）抗熱腐蝕的能力，良好的抗熱疲勞性與抗熱衝擊的性能。
五、渦輪葉（yè）片用新型材料展望
從單晶合金的發展（zhǎn）來看，使用溫度已經超過了1200℃，與合（hé）金的初熔溫度相比（bǐ）僅有不足200℃的差距（jù），鎳鋁金屬間化合物與铌-矽（guī）基合金是二種有希望成為新一代超高溫材（cái）料的新型高溫合金，
它們的密度不足鎳基高溫合金的4/5，采用這兩種（zhǒng）合金製造的高壓渦輪葉片估計能夠使轉（zhuǎn）子質量（liàng）減輕30%左右。
缺點是：
（1）抗氧化性（xìng）能差；
（2）高溫強度相對（duì）較低。
總的來看，目前以上兩種新型材料的技術成熟度都不能滿足未來新一代戰鬥機發動機的設計使用要求，渦輪葉片用材料（liào）的第三次革命還須等待，在未來的一段時間內，先進單晶合金仍然是高性能航空燃氣（qì）渦輪發動機渦輪葉片的主導材料。
六、結論
從航空發（fā）動（dòng）機渦輪葉片的發（fā）展曆程來看，材料、工藝與設計一體化的趨勢越加明顯。發動機設計是由低水平（píng）向高水平發展，葉片材料設計也是如此，設計階段不同，設計要求不（bú）同，設計方法不同，采用的材料和製造工藝也不相同。
因此，必須根據葉片結構（gòu）設計（jì）要求不斷開發新型高溫（wēn）材料（liào），擴大葉片選材範圍，保證發動機性能的不斷（duàn）提高。
冷卻關鍵技術
對（duì）於渦扇發動機而言，提高渦輪進口燃氣溫度（dù）對於改善發動機性能，如增大發動機推力，提高發動機的效（xiào）率和發動（dòng）機的推（tuī）重比都具有極其重要（yào）的意義。
然而，渦輪進口燃氣溫（wēn）度（dù）卻受渦輪材料的耐熱能力所限製。
目前，先進航空渦扇發動機的渦（wō）輪進口燃氣溫度已經達（dá）到（dào）1800K~2050K，超（chāo）出了（le）耐高（gāo）溫葉片（piàn）材料可承受的極限（xiàn）溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁麵溫度。參考1給出了渦輪進口燃氣溫度的逐年變化趨勢。
目前，渦輪葉（yè）片冷卻技術普遍應用於大型航空渦扇發動機，而在彈用（yòng）渦扇發動機上的應用相對較少。
但隨著國內外導彈的不斷發展進步（bù），要求導彈（dàn）飛的（de）更高、更快、更（gèng）遠，同時又不能過多（duō）增加發動機的尺寸和重量，這就對彈用發動（dòng）機的（de）性（xìng）能提（tí）出了更（gèng）高的要求，為了滿足導彈這種研製模式的需求，彈用渦扇發（fā）動機采用渦輪葉片冷卻技術已成為一種必然的發展趨勢。
1、渦輪（lún）葉片冷卻（què）技術的（de）基本原理
能在高溫（wēn）、高速、高壓（簡稱“三高（gāo）”條件下穩定工作是現代渦扇（shàn）發動機對渦輪性能提出的（de）最基本要求。
對（duì）於氣流而言，溫度、速度和壓力是密（mì）切相關（guān）的三個（gè）參（cān）量，於是“三高（gāo）”要求最終就體現在盡可能提高渦輪進口燃氣溫度上麵，而（ér）渦（wō）輪進口（kǒu）燃氣溫度（dù）也就成了衡量發動機性能好壞的一個關鍵性指標。
根據計算，渦輪進口燃氣溫度每提高55°C，在發動機尺（chǐ）寸（cùn）不（bú）變的條（tiáo）件下，發動機推力約可提高（gāo）10%。可見，提高渦輪進口燃氣溫度有很高的實用價值，但由於渦輪葉（yè）片材（cái）料可承受的溫度有限，這就需要對渦（wō）輪葉片采用冷卻技術來提高這一指標（biāo）。
航空發動機冷卻（què）技術很（hěn）複雜，並且各個發動機製造廠采用的技術各不相同，甚至（zhì）相同的發動機製造廠為各（gè）種不同型號的發動機使用了（le）不（bú）同的冷卻係（xì）統。
發動機冷卻係統的設計（jì）要保證係統在（zài）運行時,葉片表麵最高溫度和溫度梯（tī）度與設計壽命規定（dìng）的最大葉片熱應力相適應。
冷卻工質太少會導致葉片溫度較高，從而降低熱（rè）部件（jiàn）工作可靠性，縮短熱部（bù）件（jiàn）壽命，但冷卻（què）工（gōng）質太多又會降低發動機性能。
因（yīn）而必須合理設計發動機冷卻係統，以使冷卻用的壓氣機（jī）抽氣量最小（xiǎo），同時能提高渦輪進（jìn）口燃氣溫度，達到最大效益。
目前，國內外廣泛采用的（de）是開式冷卻方法（fǎ），即冷卻空氣（qì）從壓氣機（jī）引出，冷卻渦輪後排入渦輪通道與燃氣混合。參考2為典型的發動機冷卻（què）供氣係統。
該方（fāng）案比較簡單，結構上容易實現，而且不（bú）用額外負（fù）載大量的冷卻氣；缺點是引走了部分經過壓（yā）氣機壓縮（suō）的空氣，消耗能量，而且隨著增壓（yā）比和飛行速度（dù）的增加，冷卻空氣本身溫度增高，冷卻效果變差。
對於不同的冷卻方（fāng）式，其基本的冷卻原理是冷氣從葉片下部進入葉片內部，通（tōng）過冷卻通道對葉片的內表麵進行有效（xiào）的冷卻，然後由葉片上（shàng）的小孔流出對葉片外表麵進行冷卻保護。
2、國外研究現狀
由於（yú）渦輪進口燃氣溫度的重要性，這一指標總（zǒng）是作為發動機發展的一個（gè）重要標誌。
20世紀70年代，渦輪進口燃氣的溫度為1600K~1700K；90年代末已達（dá）2112K；而本世紀初將要達到2300K~2400K；平均每年以15K~20K的速度遞增。
然而，高溫合金（jīn）耐溫程度的發展速度卻遠遠滯後於這一（yī）水平，而且據估計（jì），高溫合（hé）金的允許工作溫（wēn）度（dù）不會超過1500K。
這樣，除了發展新材料和新結構之外，在不改變（biàn）目前可（kě）用（yòng）金（jīn）屬材料的情況下，要保（bǎo）證燃燒室（shì）和燃氣（qì）渦輪這兩個（gè）主要的熱端部件可靠地（dì）工作並（bìng）達到要求的使用壽命，唯一可行的便是采取冷卻和熱防（fáng）護（hù）措施。
事實證明，冷卻（què）技術的效果極為顯著，20世紀60年代，采用冷卻技術而帶來的冷卻溫降為60K~100K，70年代中期（qī）冷（lěng）卻溫降為300K,目前冷卻溫降已達400K~600K;而且隨著冷卻（què）方法的不斷改進（jìn），冷卻溫降還有可能達到一（yī）個新的水平。
目前（qián），先進發動機的渦輪進口燃氣溫度（dù）已達到了2000K左右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點高400K，可見冷卻設計的重要性和迫切性。
因此，國外很多航空航天先進國（guó）家都在大（dà）力研究發（fā）展冷卻（què）技術，而且先進的冷卻設計能夠帶來巨大的經濟和使用效益（yì），主要體現在（zài）以下5個方麵：
因提高渦輪進口燃氣溫（wēn）度而提高了發動機性能；
因允（yǔn）許使用更簡單的材料而降（jiàng）低了（le）成本；
因減少金屬（shǔ）壁厚度而減輕了重量；
因減小了冷氣消耗量而提（tí）高了效率；
因延長部（bù）件壽命進而延（yán）長了發動機的（de）使用期限。
目前，國外廣泛用於航空發動機渦輪葉片冷卻的基本冷卻技術主要有氣膜冷卻、衝擊（jī）冷卻、發散冷卻、肋壁強化換熱、繞流柱（zhù）強化換熱等。參考3為常用典型渦輪葉片冷卻結構。
3、發展趨勢
美國國防部開展的（de）綜合高性（xìng）能渦輪發動機（jī）技術(IHPTET)計劃製定了詳細明（míng）確的部件級目標。對於渦輪部件，其（qí）研究目標是渦（wō）輪進口燃氣溫度提（tí）高500K，冷卻空氣減少60%，質（zhì）量（liàng）減少50%，單級載荷增（zēng）加50%，生產成本和維修成本降低10%。
為實（shí）現這些目標（biāo），必須麵臨一係列技術挑戰。該（gāi）計劃提及的三大技術難題是：在不增加（jiā）損失和極限載荷的情況下提高級載荷；在不增加轉子質量的情況下為提高轉子的轉速而設計渦輪盤和葉片附件（jiàn）；在減少冷氣流量（liàng）的（de）情況下提高燃（rán）氣進口溫度的困難。
英國也相應開展了“先進核（hé）心軍（jun1）用發動機”（AC-ME）的研究，計劃把推重（chóng）比為20定為2020年的（de）目標，到那時發（fā）動（dòng）機的渦輪進口燃氣溫（wēn）度將達到2400K。
為（wéi）了解決更高溫度帶來的（de）一（yī）係列問題，在（zài）提高材料的耐熱性（xìng），發展高（gāo）性能耐熱合金，並製造單晶葉片的同時，就（jiù）要發展采用更先進的冷卻技術，以少量的冷卻空氣獲得更高的降溫效果。
目前國外冷卻技術的發展方向是挖掘現有冷卻方式的潛力，精細組織冷（lěng）卻（què）氣流提（tí）高冷卻效果；發展新的冷卻結構和（hé）冷卻方式。新型（xíng）冷卻技術有層板冷卻和複合（hé）冷卻技術。
3.1層（céng）板冷卻技術
層板冷卻技術始於Colladay提出的一個理論：在燃氣輪機高溫部件的冷卻中（zhōng），為了有效利用冷氣，在形成氣膜之前一定要增強內部對流換熱，即可以通過內部對流冷卻、衝擊冷卻、擾流柱、肋壁等強（qiáng）化換熱方式對葉片進行冷卻。
基於這種理論及全氣膜冷卻（què）形成了多層壁氣膜冷卻結構。其基本原（yuán）理（lǐ）類似於（yú）多孔發散冷卻。冷氣在層板內（nèi）部許多細小的通道內流過（guò）並吸收熱量，然（rán）後（hòu）從氣膜（mó）孔流出（chū）。參考4給出了層板冷卻的結構（gòu）示意參考。
3.2複合冷卻技術
複合冷卻技術（見參考5)就是在渦輪葉片上同時使用多種冷卻技（jì）術（shù），但並不是簡單的組合，因為不同冷卻方式之間會產生相互的影響，比如冷卻（què）氣流經過（guò）肋的擾動形成的二次流會對氣膜孔的出流產（chǎn）生—定的影響。
因此，複合冷（lěng）卻的研究相對比較複雜，目前國內外在這方麵的研究還不是很多。
3.3冷卻葉片設計優化
在發展冷卻技術的同時，渦輪冷卻葉片的設計優化也非常重要。目前，美國（guó）等西方發達國家正在努力發展航空發動機及（jí）渦輪冷卻（què）葉片（piàn）的多學科優（yōu）化技術（shù）（MDO)，包括優化理論與算法、計算流體力學方（fāng）法（fǎ）、多學科耦合分析等，取得（dé）了很大（dà）的進步，出現了多種MDO軟（ruǎn）件。
4、關鍵技（jì）術
渦（wō）輪冷卻技術的研究在國外已經有60多年的發展曆史，到現在已經取（qǔ）得了顯著的成果，總結出了一（yī）些渦（wō）輪冷卻設計方麵的經驗和方法。
但是由於渦輪冷卻技術具有多（duō）學科的複雜性，至（zhì）今並（bìng）不算（suàn）十分完善，還有（yǒu）許多關鍵技術需要解決，以進（jìn）一步提高渦輪冷卻的效率。
在後續渦輪冷卻技術的研究（jiū）中如下關鍵技術和研究方向有待關注：
研究合理的渦輪冷卻（què）葉（yè）片結構設計方法。選擇合理的冷卻（què）結構（gòu），降低冷卻結構對葉片強度、氣流流動的影響;
設計有效的渦輪葉片冷卻係統，必須充分了解渦輪內部詳細的燃（rán）氣流動特性，準確預測葉（yè）片（piàn）的冷卻效果和熱分布，防止（zhǐ）出現局部熱斑；
完善冷卻係統和向流通通道（dào）放氣的方法。目的是減小所需的冷卻空氣流量和所用（yòng）的能量，以及附加損失；
減少冷卻係統（tǒng）的空（kōng）氣泄流（采用的方法有密封冷卻係（xì）統，應用渦輪導向器裝（zhuāng）置等），以及發動機工（gōng）作在低負荷時（shí），關閉（bì）冷卻係統；
研究冷卻結構和工藝（yì）方法，以提高渦（wō）輪冷卻效率（lǜ）。如在葉（yè）片上塗隔熱塗層、冷卻氣路設計等。
5、結束語
本文通過對國外（wài）的渦輪葉片冷卻技術發展及相關關鍵技術的研究，認為采（cǎi）用渦輪葉片（piàn）冷卻技術能夠大幅度提高渦扇發動機的性能，並且具有廣泛的應用前景。
目前，國外先進（jìn）的航空（kōng）發（fā）動機基本均已采用此（cǐ）項技術。對於彈用（yòng）渦扇發（fā）動機而言，隨著導彈的不斷發展，對發動機的要求越來越高，采用渦（wō）輪葉片冷卻（què）技術將是一個必然的發展趨勢。
參考6渦（wō）輪（lún）葉片（piàn）的發展曆程
因此，加大研究力度，注重吸取國外的先進技（jì）術和經驗，強調理論研究和試驗相結合。相信渦（wō）輪葉片冷卻技術的發（fā）展必（bì）將把（bǎ）彈（dàn）用渦扇發動機推向一個新的高度。
單晶（jīng）葉片
概述
渦輪葉片也稱動葉片，是渦輪發動機中工作條件最惡劣的部件，又是最重要的轉動部件。
在航空發動機熱端部件中，渦輪葉片承受發動機起動、停車循環的高溫燃氣衝（chōng）刷、溫度（dù）交變，轉子葉片受高轉速下的離心力作用，要求（qiú）材料在高溫下具有一定蠕變強度、熱機（jī）械疲勞強度、抗硫化介質腐蝕等。
先進航空發動機的燃氣進口溫度達1380℃，推力達226KN。渦輪葉（yè）片承受氣動（dòng）力和離心力的作用，葉片部分承受拉應（yīng）力大約140MPa；葉根部分承受平均應力為280~560MPa,相應的葉身承受溫度為650~980℃，葉根部分約為760℃。
渦輪葉片的性能水平(特別是承溫能力)成為一種型號發動機先進程度的重（chóng）要標（biāo）誌,從某種意義上說，未來（lái）發動機葉片的鑄造工藝直接決定了（le）發動機的性能,也是一個國家航空工業水（shuǐ）平的（de）顯著標誌。
因此（cǐ），渦輪葉片材料要具有（yǒu）足夠（gòu）的（de）高溫拉伸強度、持久強度和蠕（rú）變強度，要有良好的疲勞強度及抗氧化、耐燃氣腐蝕性能和適當的塑性。此外，還要求長期組織穩定性、良好的抗衝擊強度、可鑄性及較低的密度。
燃機功率的不斷（duàn）提高,是靠提高透平進氣溫（wēn）度來實現的,需要采用承溫能力愈來愈高的先進葉片。
除了高溫條（tiáo）件,熱端葉（yè）片的工作（zuò）環境還處在高壓、高負（fù）荷、高震動、高腐蝕的極（jí）端狀態,因而要求葉片具有極高的（de）綜（zōng）合性能（néng）,這就需要（yào）葉片采用特殊的合金材料(高溫合金),利用特殊的製造工藝(精密鑄（zhù）造加定向（xiàng）凝固)製成特殊的基體組織(單晶組織),才能最大可（kě）能地（dì）滿足需要。
複雜單（dān）晶空心渦輪葉片已經成為當前高（gāo）推重比發動機的核心技術,正是先進單晶（jīng）合（hé）金（jīn）材料（liào）的（de）研究使用和（hé）雙層壁超氣冷單晶葉片製造技術的（de）出現,使單晶製（zhì）備技術在當今最先進（jìn）的軍用和商用航空發動（dòng）機發揮關鍵作用。
目前,單晶葉片不僅早已安裝在所（suǒ）有先進航空發動機上,也越（yuè）來也多地用在了重（chóng）型燃氣輪機上。
發展曆史
20世紀60年代（dài）中期，美國PW公司的F.L.Varsnyder及同事們發明了高溫合金定向凝固技術（shù），使合金的晶粒沿熱流流失方（fāng）向定向排列（liè），基本消除垂（chuí）直於應（yīng）力軸的薄弱的橫向晶（jīng）界，這使鑄造合金的（de）力學性能又上一個新台階。
70～80年代，又由鑄造的多品結構發展為定向結晶結構，現在已實現能將整個葉片鑄（zhù）成一（yī）個晶體，即單晶（jīng）葉（yè）片（piàn），單晶葉片（piàn）鑄件的理想組織是葉根、葉（yè）身和葉冠（guàn），都（dōu）由毫無缺陷的多相單晶（jīng）體組成。
這種改（gǎi）進不僅可（kě）提高葉片的耐高溫性能，還能延長葉片在高溫條件下的工作壽命。
渦輪葉片合金的承溫能力
20世紀（jì）70年代，美國首先用在軍用發動機上，然後在民用飛機上使用PWA1422定向葉片，到80年代又在F100發動機上（shàng）使用PWA1480單晶葉片.
從此，定向和單晶（jīng）葉（yè）片成為各類先（xiān）進發動機的重要特色，定向凝固技術的發展使鑄造高溫合金承溫能力大（dà）幅度提高.80年代後發動機推重比（bǐ）由8提高至10，渦（wō）輪（lún）葉片開始用第一代單晶高溫合金PWA1480和RenéN4等。
隨後（hòu）采用第二代（dài）單晶（jīng）合金PWA1484，在1100℃、100h持久強度達140MPa。20世（shì）紀90年代後研製第三代單晶（jīng）合金有RenéN6、CMRX-10、添加錸（lái）(5%～7%)或鎢和鉭等元素，提高合金的（de）熔點、初熔溫度、使用溫度。
研究（jiū）表明，第3代單（dān）晶高溫合金CMSX-10比第2代單（dān）晶合金CMSX-4具有十分明顯的蠕（rú）變強度優（yōu）勢（shì）。通（tōng）過葉片內孔冷（lěng）卻(≥400℃)和表麵隔熱（rè）塗層（céng）(≥150℃)，從而使（shǐ）渦輪前（qián）溫度達到1650℃。
導向葉片用金屬（shǔ）間（jiān）化（huà）合物合金在1200℃，100h持久強度達100MPa。1550℃以下（xià）陶（táo）瓷複合（hé）材料及1650℃以上C/C複（fù）合材料是渦輪葉片和導（dǎo）向葉片的（de）後繼材料。
英國RR公司近年研製的第四代單晶（jīng）合（hé）金RR3010的（de）承溫能力比定向柱晶合金約高100℃。
目前（qián）幾乎所有先進航空發動機都（dōu）以采用單晶（jīng）葉片為特色,正在研製中的推重比為（wéi）10的發動機（jī）F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型發動機都采用（yòng）單晶高溫合（hé）金製作渦輪葉片。
美（měi）國的Howmet公司、GE公（gōng）司、PCC公司、Allison公司（sī）以及英國RR公司,法國的CNECMA公司,俄羅斯的SALUT發動機製造廠等廠商均大量生產單（dān）晶零件,品種包括渦輪葉片、導向葉片、葉片內外（wài）環（huán）、噴嘴扇形段、封嚴塊、燃油噴嘴等,用於軍用和商用（yòng）飛機、坦克、艦船、工業燃氣（qì）輪（lún）機、導彈、火箭、航天飛機等。
渦輪葉片製造技術
渦輪葉片的發展（zhǎn）經曆了（le）細晶強（qiáng）化、定向凝固和鑄造（zào）單晶三個階段（duàn）。
半個多世（shì）紀以來，渦輪葉（yè）片的承溫（wēn）能力從上世紀40年代的750℃提高到了90年代的1500℃左右再到（dào）目前的2000℃左右。
而鎳基高溫合金（jīn）單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫（wēn）度（dù）25℃~50℃，而每提高25℃從工作效率的角度（dù）來說就相當於提高葉片工（gōng）作（zuò）壽命3倍之多。
應該說，這一巨大成就是葉（yè）片合金、鑄造工藝、葉片設計（jì）和加（jiā）工以及表麵塗層（céng）各方麵共同發展所做出的（de）共同貢獻。
現代航空發動（dòng）機渦輪（lún）前溫（wēn）度大大提（tí）升，F119發動機渦輪（lún）前溫（wēn）度高達1900~2050K，傳統工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫（wēn）度，甚至會被熔化，無法有效地工作。
單晶（jīng）渦輪葉片成功解決了推重比10一級發動機渦輪葉片耐高溫的問題，單（dān）晶渦輪（lún）葉片優異的耐高溫性能主要取決於整（zhěng）個葉片隻有（yǒu）一個晶體，從而消除了等軸晶（jīng）和定向結晶葉片多晶體結構造成晶界間在高溫性（xìng）能方麵的缺（quē）陷。
單晶葉片的凝固缺（quē）陷
單（dān）晶渦輪葉片（piàn）是目前航空發動機所有零件中製（zhì）造工序最多、周期最長（zhǎng）、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴格的發動機（jī）零件。
製（zhì）造單晶渦輪（lún）葉片的工序包括壓芯、修芯、型（xíng）芯燒結、型芯檢驗（yàn）、型芯與外型模具的匹配、蠟模（mó）壓注（zhù）、蠟模X光檢驗、蠟（là）模壁厚檢測、蠟模修整（zhěng）、蠟（là）模組合（hé）、引晶係統係統及澆冒口組合、塗料撤砂、殼型幹燥、殼型脫蠟、殼（ké）型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯（xīn）、打磨（mó）、弦寬測量、葉片X光檢（jiǎn）查、X光底片檢查、型麵檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢等製造環節。
除此（cǐ）之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設（shè）計和（hé）製造工作。
砂塵衝蝕測試
葉片三（sān）維（wéi）數據型麵（miàn）檢（jiǎn）測（cè）
高溫合（hé）金單晶化工藝
從加工工藝上來分，高溫（wēn）合金有變形、鑄造和（hé）粉末高溫合金（jīn）。從上世紀40年代起至今（jīn），鑄造高溫合金有了很大的發展。
包（bāo）括（kuò）鎳基和鈷基合金，經常使用的合（hé）金不下幾十種。為了滿足實際生（shēng）產的（de）需（xū）要和充分發揮（huī）鑄造合金的綜合性能，采用了一些措施來控製晶粒（lì）度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。
各（gè）種渦輪工作（zuò）葉（yè）片的晶（jīng）體結構
高溫合金單晶化（huà）的方法通常分為液相法，氣相（xiàng）法，和固相法三（sān）種。概括（kuò）起來就是控（kòng）製形核和抑製生長。為了使鑄件單晶化，必須嚴（yán）格控製凝固時間的溫度梯度（dù）。
1）液（yè）相法
液相法是從液體中結（jié）晶出單晶體的方法。
基（jī）本原理是設法使液體結晶時隻有一個晶核形（xíng）成並長大，它可以是事先製（zhì）備好的（de）籽晶（小尺寸單晶），也可以是在（zài）液體中析出的晶核。
液體可以是水溶（róng）液，但更多的是（shì）高溫下的熔（róng）體。
其中垂直提拉法（fǎ）是製備大尺寸單晶矽（重達十幾公斤）的主要方法（fǎ）。先將材（cái）料放入坩堝熔化，將籽晶放在籽晶杆上，下降到與熔體接觸，然（rán）後使坩堝溫度緩慢下降，並（bìng）向上旋轉提拉籽晶杆，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶（jīng）體。
為保證材料純度，避免非均勻形核，全部操作應在真空（kōng）或（huò）惰性（xìng）氣（qì）體保（bǎo）護下進（jìn）行。
另一（yī）種方法是尖端形核法，其原理是將材料放入具有尖底的容器中熔化，然後使容（róng）器從加熱爐中緩慢退出，讓尖端部分先冷（lěng）卻，形成第一個晶核，並不斷長大，形成單晶體。
尖端形核法示意參考
2）選晶法
選（xuǎn）晶法的原理是具有狹（xiá）窄截麵的（de）選晶器隻允許一個品粒長出它的頂部,然後這個晶粒長滿整個鑄型型腔,從而得到整體隻有一個晶粒（lì）的單晶部件。
選晶法是單晶高溫合金葉片製（zhì）備中最基本的工藝方法（fǎ）,選（xuǎn）晶行為對單晶凝固組織以及單（dān）晶缺陷的形成有重要影響,最終（zhōng）作用於合金的力學性能。
通常把常見的單晶選晶器歸納為4種（zhǒng）類型:轉折型、傾斜型、尺度（dù）限製型（xíng）(縮頸選晶器)和螺旋型（xíng）。螺旋型（xíng）選（xuǎn）晶器是目前應用最廣泛也是最成功的選晶器（qì）類型。
3）籽晶法
製取單晶的另一種方法是籽晶法材料和要鑄造（zào）部件相同的籽晶安放在模殼的最底端,它是金屬和水冷卻（què）銅板接（jiē）觸的唯一部分。
具（jù）有一定過熱的熔融金屬液在籽晶的上部流過,使籽晶部（bù）分熔化,這就避免了由（yóu）於籽晶表麵不連續或加工（gōng）後的殘餘應力引發的再結晶所造成的等軸晶形核（hé）。
同時，過熱熔融金屬的熱量把模殼溫度升高到了合金的熔點以上,防止了在模殼壁上形成新的晶粒。金屬熔液就從剩餘的籽晶部分發生外延生長,凝固成三（sān）維取向和籽晶相同的單晶體。
4）氣相法
直接從氣體中凝固或利用（yòng）氣相化（huà）學反應製（zhì）備單晶體的方法。包括升華法（fǎ）（如硫化鎘和（hé）硫化鋅單（dān）晶）、氣相（xiàng）反（fǎn）應法（如氧化鋅（xīn）、氮化鋁和氮化（huà）釩單晶）、氣相分解法（如低價氧化物和金屬單晶）、氣相外延法（如砷化镓、磷化镓、砷化銦和磷化銦單晶）。
化學（xué）氣相沉積合成石墨烯
應用差距
國內外各（gè）時期典型葉（yè）片（piàn）材料的使（shǐ）用（yòng）溫度對比
羅.羅公司的Trent800發動機的渦（wō）輪葉片使用（yòng）第三代單晶合金CMSX-10製造，工（gōng）作溫度達1204℃。我國第一代單晶合金為DD3，於20世紀90年代用於航空（kōng）發動（dòng）機渦輪葉片（piàn），該（gāi）合金相當於美國第一代單晶合金PWA1480。
我國第二代單晶（jīng）合金DD6也用於航空發動機渦輪葉片（piàn）。
目前先進（jìn）的燃氣渦輪發動機幾乎都采用單晶鑄造合（hé）金葉（yè）片。
單晶高溫合金是迄今（jīn）在先進發（fā）動機中用作渦（wō）輪葉片的重要材料，承受著最苛刻的工作條件，從F100-PW-220發動機用於PWA1480第一（yī）代單晶合金到（dào）EJ200和F119采用的RR3000和CMXS10的第三代單（dān）晶，使渦輪進口溫度提高了80℃，接近材料的初熔溫度（dù）。美國普惠公（gōng）司建立了單（dān）晶葉（yè）片生產線，年產量達9萬片（piàn）。
據統計，現在至少有六種軍用機和（hé）民航機使用了單晶鑄（zhù）造葉片，工（gōng）作時數達960萬h，這些飛機包括F-16、波音767、空客A310、AH-1T直升機、米格-29、蘇-27等。
單（dān）晶渦輪葉片，目前世界上隻有美國、俄羅斯、英國、法國、中國（guó）等少數幾個國家能夠製造。近年來（lái），國內在單晶渦輪葉片製造中也取得了較大的進步，研（yán）製並批量生產了高功重（chóng）比渦（wō）軸發動機單晶渦輪葉片（piàn）。
展望未來
20世紀70年代以來,各國都對其他（tā）係列的高溫材料進行過大量的研究,但是,迄今還沒有一類材料能像鑄造高溫合（hé）金這樣具（jù）有良好的綜合性能。
在本世紀,通過優化的合金設計,再（zài）加上（shàng）定向工藝的繼續進步,將研究出超過現有合金強度和承溫能力的（de）單晶（jīng）高溫合金。
在本世紀（jì）的相當長時期內,單晶合金仍將是燃氣渦輪發動機最重要的材（cái）料。
目前正在大力開發陶瓷等（děng）新材料、新技術，估計在不遠的將來，新的、性能（néng）更好（hǎo）的、采用陶瓷材料製（zhì）造的渦輪工作葉片及用其他新（xīn）技術裝備起來的航空發動（dòng）機可望投入使用，到那時軍、民用飛機的性能必將有大（dà）幅度的提高。
HPT葉片俗稱航空工業皇（huáng）冠上的明珠，技術含量極高，可以說代表了一個國家航（háng）空工業水平的高低，就算報廢不裝機使用的退役葉片都具有較高的收藏價值和教學科研（yán）價值，而且市場（chǎng）流通的量非常有限，價（jià）值不菲。
五、結（jié）語
精密特種加工技術作為未來（lái）製造業的重要發展方向之（zhī）一，正以其高精（jīng）度、高效率和高靈活性的特點引（yǐn）領（lǐng）著製造業的（de）轉型升級。我們有理由相信，在不久的將來，精（jīng）密特種（zhǒng）加工技術www.dxqiumoji.com將為我們帶來更多驚喜和變革，推動製造業邁向更加美好的未來。
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