1_高溫合金單晶定向結晶葉片的新發(fā)展

高溫合金單晶渦輪葉片的新發(fā)展

四角星航空材料研究中心：攻克高溫合金單晶渦輪葉片量產(chǎn)關鍵技術

專訪報道：四角星航空材料研究中心CEO劉培帥先生

2024年11月，四角星航空材料研究中心科研團隊，通過多年時間的研制，成功攻克高溫合金單晶渦輪葉片量產(chǎn)的關鍵技術，為后期高溫合金單晶渦輪葉片。

航空發(fā)動機和地面燃氣輪機被譽為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”, 而在航空發(fā)動機中工作環(huán)境最為惡劣、應力最為復雜的就是渦輪葉片，他的制造不亞于當年氫彈的制造。

推重比、渦輪前溫度、燃油消耗率是衡量發(fā)動機性能的主要指標，也是發(fā)動機分代的重要依據(jù)。航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢就是不斷提高推重比和渦輪前溫度，同時降低燃油消耗率。其中，提高渦輪前溫度有助于提升航空發(fā)動機的推重比，渦輪進口溫度每提高100℃，航空發(fā)動機的推重比能夠提高10%左右。隨著渦輪前溫度的逐步提高，渦輪葉片所用的材料及制造工藝的耐高溫要求也日益苛刻。單晶渦輪葉片是目前先進航空發(fā)動機普遍所采用的渦輪葉片，單晶渦輪葉片的制造工藝非常復雜，需要掌握先進的制造設備和工藝流程。

為什么要研發(fā)高溫合金單晶定向結晶葉片：

創(chuàng)新始于熱愛，中國男人自小對于軍工的熱愛大于一切，早年看過一遍關于師昌緒院士的報道后，對航空發(fā)動機以及核心部件產(chǎn)生強大的熱愛興趣。為了這個興趣，投入全部精力和資金建立了研究實驗室，帶領團隊開展高溫合金定向、單晶結晶技術。研究和開發(fā)單晶葉片技術耗費了大量的人力、物力和財力，經(jīng)過不屑的努力，克服一道道難關，成功制作出符合要求的高溫合金單晶渦輪葉片。

什么是單晶葉片：

高溫合金的發(fā)展以提高渦輪葉片的承溫能力為主要導向，經(jīng)歷了變形、普通 鑄造、定向以及單晶高溫合金四個階段。對于多晶材料，晶粒與晶粒之間有晶界。在某些場合下，晶界對于材料性能提高有好處。但在上個世紀60年代，美國惠普公司發(fā)現(xiàn)對于渦輪葉片來說，晶界是個“壞孩子”。普通鑄造多晶高溫合金中與應力軸垂直的晶界是高溫應力下產(chǎn)生裂紋的“源頭”，所以必須減少晶界，由此發(fā)展了高溫合金定向凝固技術。相比于等軸高溫合金和定向高溫合金，由于單晶高溫合金優(yōu)化了合金成分、消除了晶界等薄弱環(huán)節(jié)，使得葉片的承溫能力和力學性能大幅提升。單晶葉片是只有一個晶粒的鑄造葉片。 高溫合金單晶葉片的制備主要通過選晶技術和籽晶技術來實現(xiàn)。

?  單晶葉片是采用單晶高溫合金為材料鑄造的葉片?。整個鑄造葉片由一個晶粒組成，它消除了對空洞和裂紋敏感的橫向晶界，使全部晶界平行于應力軸方向，從而顯著提高了合金的使用性能?。

單晶高溫合金是鑄造高溫合金的一種，具有優(yōu)良的高溫強度、抗蠕變性、抗疲勞性、抗氧化性和抗熱腐蝕性，因此特別適用于單晶葉片的制造領域。這種合金的使用溫度顯著提升，能夠滿足航空發(fā)動機等高端機械設備在高溫、高壓條件下的工作要求?。

具體來說，航空發(fā)動機葉片所使用的主要材料是鎳基高溫合金，通常稱其為“超耐高溫合金”。為了保持其強度并抵抗極端溫度下的氧化，會添加其他難熔金屬元素。在制造過程中，利用電磁鐵產(chǎn)生強大的定向磁場，使未凝固的高溫合金在定向磁場的作用下向同方向凝固，最后形成所有的分子排列一致的單晶體?2。這種單晶葉片在航空發(fā)動機中靠近燃燒室，對結構材料的選擇和制造工藝的要求極高，而單晶高溫合金正是滿足這些要求的理想材料。

制造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型芯燒結、型芯檢驗、型芯與外型模具的匹配、蠟模壓注、蠟模X 光檢驗、蠟模壁厚檢測、蠟模修整、蠟模組合、引晶系統(tǒng)系統(tǒng)及澆冒口組合、涂料撤砂、殼型干燥、殼型脫蠟、殼型焙燒、葉片澆注、單晶凝固、清殼吹砂、初檢、熒光檢查、脫芯、打磨、弦寬測量、葉片X 光檢查、X 光底片檢查、型面檢查、精修葉片、葉片壁厚檢測、終檢

單晶葉片的重點工序：陶瓷芯制作  單晶定向凝固工序（真空定向凝固爐技術）

加工流程：打中心支撐孔、四軸加工中心開粗、數(shù)控曲線磨、機器人倒角、物理涂層（PCD）熱障陶瓷涂層（TBC）通常TBC陶瓷涂層YSZ和NiCoCrAlY金屬粘接層都可以通過大氣等離子噴涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和電子束物理氣相沉積Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法實現(xiàn)。NiCoCrAlY金屬粘接層也可以通過真空等離子噴涂Vacuum Plasma Spray (VPS)來完成。

四角星航空 將繼續(xù)堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，不斷提升自主研發(fā)能力和核心競爭力，積極響應國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略的號召，加強與行業(yè)相關單位的合作與交流，共同推動中國兩機工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

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