我国“涡扇”发动机取得突破的关键，单晶叶片的前世今生

单晶叶片是只有一个定向结晶晶粒的铸造叶片，它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。在过去60年中，单晶涡轮叶片对喷气发动机的发展至关重要，并且一直是推动航空航天工业发展的重要技术。

航空发动机所使用的叶片主要材料是镍基高温合金。正常来说，镍能承受1000℃左右的高温，但在高温下极易氧化并变形，所以需要再添加其它难熔金属元素使得镍基高温合金叶片保持其强度并抵抗极端温度下的氧化。也就是说最靠近发动机燃烧室的镍合金叶片材料必须保证能在远远超过其熔点的温度下运行，并且必须保证冷却到其熔化温度的80％至90％的程度下还能继续工作（军用喷气发动机需满足1,982°C）。也因此，用于发动机叶片的合金材料是决定一个航空发动机性能和寿命的关键因素。

通常我们制造超耐高温的合金需要在真空铸造，使其在1240°至1371°C之间软化并熔化。单晶材料就是在叶片浇铸的同时，利用电磁铁产生强大的定向磁场，未凝固高温合金在定向磁场的作用下向同方向漫漫凝固，最后形成所有的分子排列一摸一样的单晶体，而不是像一般的钢材等分子是乱七八糟排的，这样排列整齐的材料能承受更高的温度。

单晶叶片的发展大约起源于上世纪50年代，美国的工程师从概念到制造大约进行了10年。就在1966年，美国工程师制造出定向凝固的柱状晶粒涡轮叶片，这是向单晶叶片迈出的第一步，这种镍基合金中含有碳，硼和锆三种材料。

一般来说，喷气发动机的热效率是随着离开燃烧室并进入涡轮机的气体的温度而增加，在高性能喷气发动机的气路中，涡轮入口温度可以超过1,600℃，碳，硼和锆这三种元素虽然能优先偏析晶界并提供高温晶界强度和抗蠕变延展性，但是在铸件中，凝固时间较长且没有晶界，还会产生一次碳化物，进而伤害叶片高低疲劳特性。

到了上世纪70年代，美国工程师在第一代的基础上继续改进，制造出新的合金，这种被称为“SX合金”的单晶铸件至今仍在服役。SX合金消除了碳，硼和锆，更换了新的单晶配方，其大致包括镍（59％），钴（10％），钽（9％），铝（6％），钨（6％）和其他元素（10％）。在其它元素中，最重要的材料就是铼（3％），它能使最终合金在变弱和熔化之前承受更高的温度。铼是一种“副产品的副产品”，来源于特定的铜钼矿石，储量稀少，非常昂贵。

一直会有网友被其它自媒体误导而存在一个误区，认为铼是这两年才被我国航空发动机的研究者发现，其实并不是。铼元素早就被我国的科学家熟知，只是近年来才在制造含铼单晶合金的技术上取得突破，也正是因为这项技术的突破，我国自主的“涡扇”系列飞机发动机取得了很大的进展，研发速度大幅提升。

单晶叶片是由真空铸造炉中的单晶生长而成的超级合金。它能提高了涡轮机的效率和单个叶片的使用寿命，同时赋予其无与伦比的抗高温蠕变和疲劳性能。在喷气式发动机中，与等轴晶体叶片相比，单晶涡轮翼型在蠕变强度和耐热疲劳性方面的相对寿命已证明高达9倍，而耐腐蚀性相对寿命则高出3倍以上。如果没有这些单晶翼型，现代喷气发动机的涡轮入口温度高，寿命长是不可能的（美国发动机的大修时间约25,000小时）。通过消除晶界，它们延长了喷气发动机的热和疲劳寿命，并拥有了更高的熔点和更高的耐腐蚀性。此外，叶片也能使用较少的材料，因为它们也可以是空心的，从而减少了喷气发动机的重量。所有这些改进都有助于提高燃气轮机的效率。

美国使用SX合金叶片的涡轮机翼被安装在P＆W F100生产发动机中，为F-15和F-16喷气式战斗机提供动力。第一架商业航空用于P＆W的JT9D-7R4喷气发动机，该发动机于1982年获得飞行认证，并为波音767和空中客车A310提供动力。1986年，单晶涡轮叶片的发明者，美国材料工程师普拉特惠特尼获得了ASM国际工程材料成就奖，以表彰其为航空业所做出的贡献。

现在，单晶叶片制造技术已经成为各国航空事业绝对的高端材料核心机密，以SX合金为基础的单晶叶片仍可以在许多现代高性能喷气发动机中找到，包括为F-22 提供动力的发动机和大型发电涡轮机。

• < 前へ
• 次へ >