在當今高度工業化的時代，精密特種加工技術正逐漸成為制造業的新寵，以其高精度、高效率和高靈活性的特點，引領著制造業向更高層次邁進。精密特種加工技術究竟有何魅力？它又是如何改變我們的生產和生活方式的呢？接下來，就讓我們一起走進精密特種加工的世界，探索它的奧秘和前景。
精密特種加工技術，是指在傳統機械加工基礎上，采用先進的工藝方法、高精度的設備和工具，對難加工材料或復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、電火花加工、超聲波加工等多種加工方式，具有加工精度高、加工質量好、適用范圍廣等顯著特點。
二、精密特種加工技術的應用領域
精密特種加工技術在航空航天、汽車制造、醫療器械等領域有著廣泛的應用。在航空航天領域，精密特種加工技術可用于制造高精度、高可靠性的零部件，如發動機葉片、導軌等；在汽車制造領域，它可用于制造復雜形狀的零部件，提高汽車的性能和安全性；在醫療器械領域，精密特種加工技術可用于制造高精度的醫療設備和器械，提高醫療水平。
三、精密特種加工技術的優勢與挑戰
精密特種加工技術的優勢在于其高精度、高效率和高靈活性。通過采用先進的工藝方法和設備，可以實現微米級甚至納米級的加工精度，大大提高產品的質量和性能。同時，精密特種加工技術還具有加工速度快、加工成本低等優勢，能夠顯著提高生產效率和經濟效益。
然而，精密特種加工技術也面臨著一些挑戰。首先，精密特種加工技術需要高度專業化的設備和操作人員，對技術和人才的需求較高；其次，精密特種加工技術通常涉及到高精度、高難度的加工過程，對工藝控制和質量控制的要求非常嚴格；此外，隨著制造業的快速發展和市場競爭的加劇，精密特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
盡管面臨著一些挑戰，但精密特種加工技術的發展前景依然廣闊。隨著科技的不斷進步和制造業的不斷升級，精密特種加工技術將在更多領域得到應用和推廣。未來，精密特種加工技術將更加智能化、自動化和柔性化，實現更高效、更精準、更靈活的生產方式。同時，隨著新材料、新工藝的不斷涌現，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，其性能優劣直接關系到整個機械設備的運行效率和穩定性。而發動機葉片作為發動機的關鍵部件，其精密加工技術更是重中之重。本文將帶您領略發動機葉片精密加工的魅力，探尋其背后的技術秘密。
發動機葉片作為發動機中的“心臟”，承受著高溫、高壓和高速旋轉等多重考驗。因此，對葉片的精密加工要求極高，不僅要求葉片表面光滑如鏡，更要求其在復雜的工作環境下保持穩定的性能。這就需要采用先進的加工設備和工藝，確保每一片葉片都能達到最高的品質標準。
在精密加工領域，數控加工技術成為主流。通過高精度的數控機床和編程軟件，可以實現對葉片的微米級加工，確保葉片的尺寸精度和形狀精度。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工的材料上實現高精度、高效率的加工。特別是在處理復雜曲面和微小結構時，特種加工技術更是展現出了其獨特的優勢。
然而，精密加工并非一蹴而就。它需要加工人員具備豐富的經驗和精湛的技術，每一個細節都需要精益求精。從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，每一個環節都容不得半點馬虎。正是這種對技術的執著和對品質的堅守，才使得發動機葉片的精密加工成為一項令人敬畏的技藝。
隨著科技的進步，發動機葉片精密加工技術也在不斷創新和發展。未來，我們可以預見，這一領域將會有更多的新技術、新工藝涌現，推動發動機性能的不斷提升。同時，隨著智能制造和工業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。
發動機葉片的精密加工是一項集技術、工藝和匠心于一體的綜合性工程。它不僅要求加工設備的高度精密和加工技術的不斷創新，更要求加工人員的精湛技藝和對品質的極致追求。在這個充滿挑戰和機遇的時代，我們有理由相信，在精密加工技術的推動下，發動機的性能將不斷攀升，為人類的工業發展寫下更加輝煌的篇章。
測量
葉片作為發動機的相關重要部件之一，其在航空發動機制造中所占比重約為30%。
由于葉片形狀復雜、尺寸跨度大（長度從20mm~800mm）、受力惡劣、承載最大，且在高溫、高壓和高轉速的工況下運轉，使得發動機的性能在很大程度上取決于葉片型面的設計制造水平。
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、高溫合金等材料制成；同時由于葉片空氣動力學特性的要求，葉型必須具有精確的尺寸、準確的形狀和嚴格的表面完整性。
隨著航空發動機性能要求越來越高，各大主機生產廠對葉片加工精度要求也越來越高。目前，航空發動機的葉片制造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄造等。其中，數控銑削加工由于加工精度高、切削穩定、工藝成熟度高等優點而被廣泛應用。
然而由于葉片零件壁薄、葉身扭曲大、型面復雜，容易產生變形，嚴重影響了葉片的加工精度和表面質量。如何嚴格控制葉片的加工誤差，保證良好的型面精度，成為檢測工作關注的重點。
葉片型面是基于葉型按照一定積累疊加規律形成的空間曲面，由于葉片形狀復雜特殊、尺寸眾多、公差要求嚴格，所以葉片型線的參數沒有固定的規律，葉片型面的復雜性和多樣性使葉片的測量變得較為困難。
傳統的檢測方法無法科學地指導葉片的生產加工，隨著汽輪機、燃氣機等制造業的發展，要求發動機不斷更新換代，提高發動機的安全性和可靠性；先進技術的體現在于葉片的改進與創新，從而必須提高葉片制造技術水平，同時要求葉片加工測量實現數字化，體現其精準度，精確給出葉片各點實際數值與葉片理論設計的誤差。
且隨著我國航空發動機制造企業的迅猛發展，發動機葉片數量大、種類多，檢測技術面臨著前所未有的機遇和挑戰。
目前，在國內的葉片檢測過程中，傳統的標準樣板測量手段仍占主導地位，效率低下、發展緩慢，嚴重制約著設計、制造和檢測的一體化進程。
為適應快速高效檢測要求，目前西方發達國家已普遍采用三坐標測量機對葉片進行檢測。
由于航空發動機葉片的數量大、檢測項目多，三坐標檢測技術的引入很大程度地改善了葉片制造過程中檢測周期長、檢測結果不準確以及由于和外方檢測方式不一致所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性強、適用面廣、檢測快速、結果準確的這一優點，使得三坐標測量機在葉片生產企業得到廣泛應用。
近年來，隨著我國航空工業的發展，三坐標測量機在葉片生產主機廠家逐漸得到普及。
但由于葉片型面復雜、精度要求高，不同廠家的測量方式、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，測量工作反復，嚴重制約著葉型檢測效率的提高。
葉型檢測難點具體表現為：
（1）測量精度和效率要求高。葉片型面的測量精度直接反映制造精度，通常要求測量精度達到10μm，甚至1μm。
因此對測量環境要求嚴格苛刻，通常需要專門的測量室。葉片是批量生產零件，數量成千上萬，應盡可能提高測量速度和效率。生產車間和測量室之間的反復運輸和等待，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制造質量。
（3）數據處理過程復雜。葉片參考紙上不但有葉型、弦長、前緣后緣半徑等尺寸誤差要求，還有葉片的形狀輪廓、彎曲、扭轉、偏移等形位誤差要求。
利用三坐標測量機獲取的測量數據存在噪點，通常需要對原始的測量點集進一步簡化，提取不同的尺寸和特征參數；還需進行復雜的配準運算，迭代求解葉片的形位誤差。
其中算法選用不同得到的誤差評定結果各有差異，導致整個處理過程復雜。
葉片測量新技術
（1）基于數字樣板葉型檢測方法。
標準樣板是根據葉片的理論型線設計制造的與葉型截面對應的母模量具，使用葉片固定座（即型面測具）把葉片固定后，用處于理想位置的葉盆標準樣板和葉背標準樣板檢查葉盆、葉背型面間隙，并反復調整葉片空間位置，以型線的吻合度作為衡量其是否合格的依據。
葉型設計參考多以透光度，或相對誤差來表示，如±0.15mm。這個比對誤差實際上并不是單純的形狀誤差，而是形狀誤差、尺寸誤差、位置誤差三者的綜合體。
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于數字樣板的檢測方法。
數字樣板檢測方法是基于標準樣板法的原理，利用數字化測量手段獲取測量數據，然后利用虛擬的數字樣板，與實測的數據進行匹配，在公差約束條件下達到最佳匹配。最后在該最佳姿態下，求解葉型各項形位誤差。
下文將數字樣板檢測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。
由葉片設計模型構造的三維CAD模型，它包括了加工葉片完整的截面幾何信息、基準信息，是數字樣板法誤差評定的模型基礎，可以進行表面輪廓度分析、葉型特征參數和形位誤差的分析和評定。
對于數字樣板法的原始測量點集，主要通過CMM測量獲得。在數字樣板構造的基礎上，通過匹配過程的模型化對測量數據和數字樣板自動進行調整。
針對數字樣板法中的原始測量數據，通常需要進行數據預處理，獲取真實有效的型面測量數據參與數字樣板檢測。
其中，數據預處理包括測量點去噪、測頭半徑補償、坐標變換、測量點與曲面的配準、測量點排序等。其中，數據處理的第一步，就是對得到的型面測量點進行去噪，篩選有效的測量數據。
其次，CMM測量得到的數據是測頭球心數據，必須進行測頭半徑補償。對于葉片測量時的裝夾引起的系統誤差，在樣板匹配前必須進行坐標系對齊來消除。
（2）葉片高速連續掃描技術。
為提高整體葉盤葉片的檢測效率，雷尼紹公司近年來開發了SPRINT高速掃描系統。
與傳統的機內測量技術相比，SPRINT葉片測量系統可以顯著縮短測量循環時間，對葉片前邊緣也能提供精確出色的測量結果，可以為葉片自適應加工、工序間檢測等提供很好的檢測數據。
葉片測量分析軟件可通過數控機床控制器上的Productivity+?CNC plug-in直接運行，因此測量數據可通過宏變量自動提供給數控機床，也可以自動提供給連接的計算機進行下游數據處理。
SPRINT系統配備的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要求。
利用SPRINT系統進行測量時，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干涉。
在測量之后，四部分的測量數據將被拼合成一個完整的葉片測量數據集。SPRINT系統可以用于加工過程中工序間的檢測，以確保產品的加工過程正確。同時，還可以作為加工完之后的質量檢測使用。
加工過程中以及加工后的型面誤差檢測是確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，逐漸發展處快速、簡易、高效的葉片測量與數據處理技術。
同時，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測量和加工質量的評估標準，從而為這類技術的推廣使用奠定基礎。
質量控制
航空發動機葉片是發動機的核心部件之一，發動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。
發動機就是依靠這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的動力來推動飛機前進的工作，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發動機的推進效率的大小。
參考1 JAT生產的航空發動機
什么是發動機葉片
參考2各類型葉片
航空發動機葉片是發動機的核心部件之一，發動機的性能很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平（各類型葉片如參考2所示）。
葉片是一類典型的自由曲面零件，發動機就是依靠這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的動力來推動飛機前進的工作，它的曲面形狀和制造精度直接決定了飛機發動機的推進效率的大小，
參考3為噴氣發動機的渦輪葉片。
參考3噴氣發動機的渦輪葉片
葉片質量為何如此重要
在航空發動機中，葉片型面的復雜程度非常高，尺寸跨度大，而且承載也比較大，如參考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，當葉片型面的質量比較差時，發動機會承受二次流損耗，進而影響能量轉換效率。
基于此，在進行葉片型面制造時，要對質量十分的注重，通過檢測技術的有效應用，提升提高葉片型面制造的質量，并保證航空發動機的性能。
參考4復雜發動機葉片
參考5GE9X發動機的薄葉片
怎樣控制葉片質量
葉片質量控制的主要手段為檢測，當前，比較常用的發動機壓氣機葉片型面檢測技術比較多，下面主要為大家介紹幾種葉片型面檢測技術，以便于提升檢測工作的有效性，保證葉片制造的質量，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工程師檢查發動機葉片
參考8測量發動機葉片
幾種葉片檢測技術
電感測量技術
對于機械位移量，通過電感方法對其進行轉換，變成電量之后進行放大、處理，最后，將機械位移量顯示出來，這種測量方法就是電感測量。
在利用電感測量方法檢測時，不能單獨進行使用，需要配備相應的測量機械裝置，以便于對被測零件進行定位，并將傳感器固定。
優點：簡便性比較高，能夠實現直觀的測量，而且測量的精度和效率都比較高。在進行航空發動機壓氣機葉片型面檢測時，經常使用此種方法。
參考11渦輪葉片探傷
局限：從理論上來說，檢測時葉片各個部位的形狀可以通過加密測點的方法來進行，不過，在使用加密測點方法后，檢測的復雜程度提升，尤其是葉片型面型線的測量，由于測量點比較多，測量無法有效的保證。
光學投影檢測技術
利用光學投影檢測技術對葉片型面進行檢測時，需要借助相應的光學投影設備，通常來說，斷面投影儀以及光學跟蹤投影儀是比較常用的兩個設備。
參考12光學投影檢測
優點：通過光學投影設備的屏幕，檢測人員可以直接的觀看葉型；經過放大之后，將其與理想葉型對比，進而準確的發現實際葉型與理想葉型之間存在的差異，從而有針對性的對實際葉型進行改進，保證葉片制造的質量。
參考13光學投影檢測環路
局限：在進行檢查時，葉片表面反射能力會在很大程度上影響檢測結果，導致檢測結果的準確性降低；另外，屏幕也具備一定的限制性，只有弦寬不大的葉子才能利用此種檢測技術進行檢測。
三坐標測量技術
在三坐標測量技術中，參考系為空間直角坐標系，機械零件在利用此種技術檢測時，輪廓上各被測點的坐標值可以準確的測量出來，同時，還可以處理數據群，將零件各個幾個元素形位尺寸計算出來。
參考14三坐標測量技術測量葉片坐標
優點：測量對象數字化；利用誤差補償技術，測量精度顯著提升；利用算法靈活的軟件，提升檢測的有效性；自動化測量，減少人力使用，節約檢測成本，提升檢測質量，從設計到制造到檢測，實現一體化。
參考15三坐標測量技術曲線偏差評估
局限：測量機所需花費的成本比較高，對工作環境的要求比較高，功能冗余的專業性比較差，測量軟件需要進行二次開發，測量效率比較差，而且測量時間比較長。
標準樣板法
將標準樣板和實際葉片對應檢測截面靠近，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的誤差進行估計。
參考16獲得標準樣板
參考17標準樣板
優點：檢測時速度比較快，而且操作比較簡單，比較適合在現場使用。在進行葉片加工時，標準樣板法得到了比較廣泛的應用。
參考18標準樣板用于模型比對
局限：零件合格與否的檢測為定性檢測，測量精度比較差；樣板與葉型型線之間具備對應關系，一個樣板只能檢測與其對應的葉片截面的一條型線，因此需要很多數量的標準樣板才能完成檢測，花費的檢測成本比較高。
因此，在當前的葉片型面檢測中，只有工序間型面檢測才會應用標準樣板法。
激光測量技術
參考19激光振動計檢測發動機葉片
比較典型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。
四坐標激光測量的基礎為三坐標測量，增加精密轉臺，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，獲取葉片型面大量點云數據，形成點云參考，以標準葉片的CAD模型為參考依據，進行對比分析，找出存在的誤差。
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，具備比較高的檢測效果。
局限：測量精度稍差。在實際的航空發動機壓氣機葉面型面檢測中，應用還比較少。
文章來源：航空制造網
葉片材料
一、航空燃氣渦輪發動機簡述
航空燃氣渦輪發動機是屬于熱機的一種發動機，常見的燃氣渦輪機類型如參考1所示：
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—加力渦輪噴氣機
燃氣輪機可以是一個廣泛的稱呼，基本原理大同小異，包括燃氣渦輪噴氣發動機等等都包含在內。
它主要由進氣道（Intake）、壓氣機（compressor）、燃燒室（combustion chamber）、渦輪（turbine）、噴管（Exhaust）等部分構成（組成如參考2，參考3所示）。
參考2航空燃氣輪機
參考3燃氣渦輪噴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：新鮮空氣由進氣道進入燃氣輪機后，首先由壓氣機加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合后在燃燒室進行燃燒成為高溫高壓燃氣，然后進入渦輪段推動渦輪，將燃氣的焓和動能轉換成機械能輸出，最后的廢氣由尾噴管排出。
二、渦輪發動機性能與葉片材料的關系
燃氣渦輪是航空燃氣渦輪發動機的重要部件之一，我們通過采用更高的燃氣溫度，可以使得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經達到了1600℃左右，預計未來新一代戰斗機發動機的渦輪進口溫度有望達到1800℃左右。
據報道，自20世紀60年代中期至80年代中期，渦輪進口溫度平均每年提高15℃，其中材料所做出的貢獻在7℃左右。各代發動機渦輪葉片選用材料發展如表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輪葉片的使用要求，20世紀50年代研制成功的高溫合金憑借其較為優異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼，使其使用溫度有一個飛躍的提高，達到了800℃水平，掀起了渦輪葉片用材料的第一次革命。
參考5高溫合金材料及其微觀結構
20世紀60年代以來，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發展，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。
參考6高溫合金真空鑄造航空發動機葉片
定向凝固高溫合金通過控制結晶生長速度、使晶粒按主承力方向擇優生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應力軸的橫向晶界，進一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷使用溫度達到了1000℃水平。
參考7定向凝固高溫合金，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
參考8定向凝固高溫合金，在80K/cm的溫度梯度下，
有和沒有0.5T的橫向磁場B的橫向微觀結構
單晶合金渦輪葉片定向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氣渦輪發動機界的普遍認可，幾乎所有先進航空發動機都采用了單晶合金用作渦輪葉片，成為二世紀80年代以來航空發動機的重大技術之一，掀了渦輪葉片用材料的第二次革命。
參考9單晶合金葉片的有限元分析
參考10三個不同的渦輪葉片的顯微結構
各代發動機渦輪葉片結構與選材發展歷程如參考11所示。
參考11各代發動機渦輪葉片結構與選用材料的發展歷程
以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE司的Rene′N5為代表的第二代單晶合金與第一代單晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當增大了和鉬元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持強度與抗氧化腐蝕能力達到很好的平衡。
在第三單晶合金Rene N6和CMSX-10中，合金成分進行一步優化，提高原子半徑大的難溶元素的總含量特別是加入高達5wt％以上的錸，顯著提高高溫蠕變強度，1150℃的持久壽命大于150小時，遠遠高于第一代單晶合金約10小時的壽命，并獲得高強度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。
美國和日本相繼開發出了第四代單晶合金，通過添加釕，進一步高了合金微觀結構的穩定性，增加了長時間高溫露下的蠕變強度。其1100℃下的持久壽命比第二單晶合金提高了10倍，使用溫度達到了1200℃。同代的單晶成分如表2所示。
參考12渦輪葉片的性能在過去50年內持續改善，
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：
葉片結構設計
葉片強度設計
葉片材料設計
葉片制造工藝設計
葉片使用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，世界航空發動機設計與制造商在各種新型發動機渦輪葉片的設計上大都采用了先進的復合傾斜、端壁斜率和曲率控制等技術。
該技術的劣勢在于：
（1）給單晶生長控制帶來很大困難；由于凝固過程中的溫度場與溫度梯度分布復雜，一旦結構的突變區溫度梯度控制不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生長的完整性，降低葉片局部的力學性能。
（2）單晶葉片制造工序繁多，過程復雜，在表面處理、氣膜孔加工、噴涂涂層等過程中非常容易產生外來應力，使其在后續長時間的高溫使用過程中也可能出現再結晶現象，為發動機渦輪葉片的安全可靠使用帶來潛在危險。
參考13渦輪葉片的設計創新
參考14渦輪葉片冷卻膜冷卻孔
從材料學的角度來看，決定渦輪葉片材料破壞的主要參數是溫度、時間、應力、環境氣氛和材料的微觀結構狀態等。
發動機工作的溫度、時間和環境氣氛能簡單地確定，而應力的參數則難以確定，因為實際葉片都是在復雜應力狀態下工作的，材料的微觀結構狀態則是以上四種狀態變量的體現。
發動機渦輪葉片是渦輪部件中溫度最高和承受熱沖擊最嚴重的零件，不僅處于腐蝕性的燃氣包圍中，而且還承受高溫和高應力的作用；
因此，對于葉片材料的要求也是全方位的
第一，必須在較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極限；
第二，要保證材料在使用壽命下具有良好的組織穩定性、再結晶傾向盡可能小；
第三，要具有良好的物理性能，如較低的密度、良好的導熱性能、較小的線膨脹系數；
第四，要具有良好的工藝性能；
第五，要求在長期使用溫度下有高的抗氧化和抗熱腐蝕的能力，良好的抗熱疲勞性與抗熱沖擊的性能。
五、渦輪葉片用新型材料展望
從單晶合金的發展來看，使用溫度已經超過了1200℃，與合金的初熔溫度相比僅有不足200℃的差距，鎳鋁金屬間化合物與鈮-硅基合金是二種有希望成為新一代超高溫材料的新型高溫合金，
它們的密度不足鎳基高溫合金的4/5，采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計能夠使轉子質量減輕30%左右。
缺點是：
（1）抗氧化性能差；
（2）高溫強度相對較低。
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斗機發動機的設計使用要求，渦輪葉片用材料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渦輪發動機渦輪葉片的主導材料。
六、結論
從航空發動機渦輪葉片的發展歷程來看，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，設計要求不同，設計方法不同，采用的材料和制造工藝也不相同。
因此，必須根據葉片結構設計要求不斷開發新型高溫材料，擴大葉片選材范圍，保證發動機性能的不斷提高。
冷卻關鍵技術
對于渦扇發動機而言，提高渦輪進口燃氣溫度對于改善發動機性能，如增大發動機推力，提高發動機的效率和發動機的推重比都具有極其重要的意義。
然而，渦輪進口燃氣溫度卻受渦輪材料的耐熱能力所限制。
目前，先進航空渦扇發動機的渦輪進口燃氣溫度已經達到1800K~2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁面溫度。參考1給出了渦輪進口燃氣溫度的逐年變化趨勢。
目前，渦輪葉片冷卻技術普遍應用于大型航空渦扇發動機，而在彈用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，要求導彈飛的更高、更快、更遠，同時又不能過多增加發動機的尺寸和重量，這就對彈用發動機的性能提出了更高的要求，為了滿足導彈這種研制模式的需求，彈用渦扇發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、渦輪葉片冷卻技術的基本原理
能在高溫、高速、高壓（簡稱“三高”條件下穩定工作是現代渦扇發動機對渦輪性能提出的最基本要求。
對于氣流而言，溫度、速度和壓力是密切相關的三個參量，于是“三高”要求最終就體現在盡可能提高渦輪進口燃氣溫度上面，而渦輪進口燃氣溫度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，在發動機尺寸不變的條件下，發動機推力約可提高10%。可見，提高渦輪進口燃氣溫度有很高的實用價值，但由于渦輪葉片材料可承受的溫度有限，這就需要對渦輪葉片采用冷卻技術來提高這一指標。
航空發動機冷卻技術很復雜，并且各個發動機制造廠采用的技術各不相同，甚至相同的發動機制造廠為各種不同型號的發動機使用了不同的冷卻系統。
發動機冷卻系統的設計要保證系統在運行時,葉片表面最高溫度和溫度梯度與設計壽命規定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，從而降低熱部件工作可靠性，縮短熱部件壽命，但冷卻工質太多又會降低發動機性能。
因而必須合理設計發動機冷卻系統，以使冷卻用的壓氣機抽氣量最小，同時能提高渦輪進口燃氣溫度，達到最大效益。
目前，國內外廣泛采用的是開式冷卻方法，即冷卻空氣從壓氣機引出，冷卻渦輪后排入渦輪通道與燃氣混合。參考2為典型的發動機冷卻供氣系統。
該方案比較簡單，結構上容易實現，而且不用額外負載大量的冷卻氣；缺點是引走了部分經過壓氣機壓縮的空氣，消耗能量，而且隨著增壓比和飛行速度的增加，冷卻空氣本身溫度增高，冷卻效果變差。
對于不同的冷卻方式，其基本的冷卻原理是冷氣從葉片下部進入葉片內部，通過冷卻通道對葉片的內表面進行有效的冷卻，然后由葉片上的小孔流出對葉片外表面進行冷卻保護。
2、國外研究現狀
由于渦輪進口燃氣溫度的重要性，這一指標總是作為發動機發展的一個重要標志。
20世紀70年代，渦輪進口燃氣的溫度為1600K~1700K；90年代末已達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，高溫合金耐溫程度的發展速度卻遠遠滯后于這一水平，而且據估計，高溫合金的允許工作溫度不會超過1500K。
這樣，除了發展新材料和新結構之外，在不改變目前可用金屬材料的情況下，要保證燃燒室和燃氣渦輪這兩個主要的熱端部件可靠地工作并達到要求的使用壽命，唯一可行的便是采取冷卻和熱防護措施。
事實證明，冷卻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年代中期冷卻溫降為300K,目前冷卻溫降已達400K~600K;而且隨著冷卻方法的不斷改進，冷卻溫降還有可能達到一個新的水平。
目前，先進發動機的渦輪進口燃氣溫度已達到了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家都在大力研究發展冷卻技術，而且先進的冷卻設計能夠帶來巨大的經濟和使用效益，主要體現在以下5個方面：
因提高渦輪進口燃氣溫度而提高了發動機性能；
因允許使用更簡單的材料而降低了成本；
因減少金屬壁厚度而減輕了重量；
因減小了冷氣消耗量而提高了效率；
因延長部件壽命進而延長了發動機的使用期限。
目前，國外廣泛用于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、沖擊冷卻、發散冷卻、肋壁強化換熱、繞流柱強化換熱等。參考3為常用典型渦輪葉片冷卻結構。
3、發展趨勢
美國國防部開展的綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)計劃制定了詳細明確的部件級目標。對于渦輪部件，其研究目標是渦輪進口燃氣溫度提高500K，冷卻空氣減少60%，質量減少50%，單級載荷增加50%，生產成本和維修成本降低10%。
為實現這些目標，必須面臨一系列技術挑戰。該計劃提及的三大技術難題是：在不增加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；在減少冷氣流量的情況下提高燃氣進口溫度的困難。
英國也相應開展了“先進核心軍用發動機”（AC-ME）的研究，計劃把推重比為20定為2020年的目標，到那時發動機的渦輪進口燃氣溫度將達到2400K。
為了解決更高溫度帶來的一系列問題，在提高材料的耐熱性，發展高性能耐熱合金，并制造單晶葉片的同時，就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，精細組織冷卻氣流提高冷卻效果；發展新的冷卻結構和冷卻方式。新型冷卻技術有層板冷卻和復合冷卻技術。
3.1層板冷卻技術
層板冷卻技術始于Colladay提出的一個理論：在燃氣輪機高溫部件的冷卻中，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、沖擊冷卻、擾流柱、肋壁等強化換熱方式對葉片進行冷卻。
基于這種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結構。其基本原理類似于多孔發散冷卻。冷氣在層板內部許多細小的通道內流過并吸收熱量，然后從氣膜孔流出。參考4給出了層板冷卻的結構示意參考。
3.2復合冷卻技術
復合冷卻技術（見參考5)就是在渦輪葉片上同時使用多種冷卻技術，但并不是簡單的組合，因為不同冷卻方式之間會產生相互的影響，比如冷卻氣流經過肋的擾動形成的二次流會對氣膜孔的出流產生—定的影響。
因此，復合冷卻的研究相對比較復雜，目前國內外在這方面的研究還不是很多。
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，美國等西方發達國家正在努力發展航空發動機及渦輪冷卻葉片的多學科優化技術（MDO)，包括優化理論與算法、計算流體力學方法、多學科耦合分析等，取得了很大的進步，出現了多種MDO軟件。
4、關鍵技術
渦輪冷卻技術的研究在國外已經有60多年的發展歷史，到現在已經取得了顯著的成果，總結出了一些渦輪冷卻設計方面的經驗和方法。
但是由于渦輪冷卻技術具有多學科的復雜性，至今并不算十分完善，還有許多關鍵技術需要解決，以進一步提高渦輪冷卻的效率。
在后續渦輪冷卻技術的研究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葉片結構設計方法。選擇合理的冷卻結構，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系統，必須充分了解渦輪內部詳細的燃氣流動特性，準確預測葉片的冷卻效果和熱分布，防止出現局部熱斑；
完善冷卻系統和向流通通道放氣的方法。目的是減小所需的冷卻空氣流量和所用的能量，以及附加損失；
減少冷卻系統的空氣泄流（采用的方法有密封冷卻系統，應用渦輪導向器裝置等），以及發動機工作在低負荷時，關閉冷卻系統；
研究冷卻結構和工藝方法，以提高渦輪冷卻效率。如在葉片上涂隔熱涂層、冷卻氣路設計等。
5、結束語
本文通過對國外的渦輪葉片冷卻技術發展及相關關鍵技術的研究，認為采用渦輪葉片冷卻技術能夠大幅度提高渦扇發動機的性能，并且具有廣泛的應用前景。
目前，國外先進的航空發動機基本均已采用此項技術。對于彈用渦扇發動機而言，隨著導彈的不斷發展，對發動機的要求越來越高，采用渦輪葉片冷卻技術將是一個必然的發展趨勢。
參考6渦輪葉片的發展歷程
因此，加大研究力度，注重吸取國外的先進技術和經驗，強調理論研究和試驗相結合。相信渦輪葉片冷卻技術的發展必將把彈用渦扇發動機推向一個新的高度。
單晶葉片
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沖刷、溫度交變，轉子葉片受高轉速下的離心力作用，要求材料在高溫下具有一定蠕變強度、熱機械疲勞強度、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。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉片部分承受拉應力大約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要標志,從某種意義上說，未來發動機葉片的鑄造工藝直接決定了發動機的性能,也是一個國家航空工業水平的顯著標志。
因此，渦輪葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度，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、良好的抗沖擊強度、可鑄性及較低的密度。
燃機功率的不斷提高,是靠提高透平進氣溫度來實現的,需要采用承溫能力愈來愈高的先進葉片。
除了高溫條件,熱端葉片的工作環境還處在高壓、高負荷、高震動、高腐蝕的極端狀態,因而要求葉片具有極高的綜合性能,這就需要葉片采用特殊的合金材料(高溫合金),利用特殊的制造工藝(精密鑄造加定向凝固)制成特殊的基體組織(單晶組織),才能最大可能地滿足需要。
復雜單晶空心渦輪葉片已經成為當前高推重比發動機的核心技術,正是先進單晶合金材料的研究使用和雙層壁超氣冷單晶葉片制造技術的出現,使單晶制備技術在當今最先進的軍用和商用航空發動機發揮關鍵作用。
目前,單晶葉片不僅早已安裝在所有先進航空發動機上,也越來也多地用在了重型燃氣輪機上。
發展歷史
20世紀60年代中期，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，使合金的晶粒沿熱流流失方向定向排列，基本消除垂直于應力軸的薄弱的橫向晶界，這使鑄造合金的力學性能又上一個新臺階。
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成一個晶體，即單晶葉片，單晶葉片鑄件的理想組織是葉根、葉身和葉冠，都由毫無缺陷的多相單晶體組成。
這種改進不僅可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70年代，美國首先用在軍用發動機上，然后在民用飛機上使用PWA1422定向葉片，到80年代又在F100發動機上使用PWA1480單晶葉片.
從此，定向和單晶葉片成為各類先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幅度提高.80年代后發動機推重比由8提高至10，渦輪葉片開始用第一代單晶高溫合金PWA1480和RenéN4等。
隨后采用第二代單晶合金PWA1484，在1100℃、100h持久強度達140MPa。20世紀90年代后研制第三代單晶合金有RenéN6、CMRX-10、添加錸(5%～7%)或鎢和鉭等元素，提高合金的熔點、初熔溫度、使用溫度。
研究表明，第3代單晶高溫合金CMSX-10比第2代單晶合金CMSX-4具有十分明顯的蠕變強度優勢。通過葉片內孔冷卻(≥400℃)和表面隔熱涂層(≥150℃)，從而使渦輪前溫度達到1650℃。
導向葉片用金屬間化合物合金在1200℃，100h持久強度達100MPa。1550℃以下陶瓷復合材料及1650℃以上C/C復合材料是渦輪葉片和導向葉片的后繼材料。
英國RR公司近年研制的第四代單晶合金RR3010的承溫能力比定向柱晶合金約高100℃。
目前幾乎所有先進航空發動機都以采用單晶葉片為特色,正在研制中的推重比為10的發動機F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新型發動機都采用單晶高溫合金制作渦輪葉片。
美國的Howmet公司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及英國RR公司,法國的CNECMA公司,俄羅斯的SALUT發動機制造廠等廠商均大量生產單晶零件,品種包括渦輪葉片、導向葉片、葉片內外環、噴嘴扇形段、封嚴塊、燃油噴嘴等,用于軍用和商用飛機、坦克、艦船、工業燃氣輪機、導彈、火箭、航天飛機等。
渦輪葉片制造技術
渦輪葉片的發展經歷了細晶強化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。
半個多世紀以來，渦輪葉片的承溫能力從上世紀40年代的750℃提高到了90年代的1500℃左右再到目前的2000℃左右。
而鎳基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉片相比可提高工作溫度25℃~50℃，而每提高25℃從工作效率的角度來說就相當于提高葉片工作壽命3倍之多。
應該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設計和加工以及表面涂層各方面共同發展所做出的共同貢獻。
現代航空發動機渦輪前溫度大大提升，F119發動機渦輪前溫度高達1900~2050K，傳統工藝鑄造的渦輪葉片根本無法承受如此高的溫度，甚至會被熔化，無法有效地工作。
單晶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，單晶渦輪葉片優異的耐高溫性能主要取決于整個葉片只有一個晶體，從而消除了等軸晶和定向結晶葉片多晶體結構造成晶界間在高溫性能方面的缺陷。
單晶葉片的凝固缺陷
單晶渦輪葉片是目前航空發動機所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴格的發動機零件。
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、引晶系統系統及澆冒口組合、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、終檢等制造環節。
除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設計和制造工作。
砂塵沖蝕測試
葉片三維數據型面檢測
高溫合金單晶化工藝
從加工工藝上來分，高溫合金有變形、鑄造和粉末高溫合金。從上世紀40年代起至今，鑄造高溫合金有了很大的發展。
包括鎳基和鈷基合金，經常使用的合金不下幾十種。為了滿足實際生產的需要和充分發揮鑄造合金的綜合性能，采用了一些措施來控制晶粒度、改善枝晶偏析和冶金缺陷。
各種渦輪工作葉片的晶體結構
高溫合金單晶化的方法通常分為液相法，氣相法，和固相法三種。概括起來就是控制形核和抑制生長。為了使鑄件單晶化，必須嚴格控制凝固時間的溫度梯度。
1）液相法
液相法是從液體中結晶出單晶體的方法。
基本原理是設法使液體結晶時只有一個晶核形成并長大，它可以是事先制備好的籽晶（小尺寸單晶），也可以是在液體中析出的晶核。
液體可以是水溶液，但更多的是高溫下的熔體。
其中垂直提拉法是制備大尺寸單晶硅（重達十幾公斤）的主要方法。先將材料放入坩堝熔化，將籽晶放在籽晶桿上，下降到與熔體接觸，然后使坩堝溫度緩慢下降，并向上旋轉提拉籽晶桿，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。
為保證材料純度，避免非均勻形核，全部操作應在真空或惰性氣體保護下進行。
另一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，然后使容器從加熱爐中緩慢退出，讓尖端部分先冷卻，形成第一個晶核，并不斷長大，形成單晶體。
尖端形核法示意參考
2）選晶法
選晶法的原理是具有狹窄截面的選晶器只允許一個品粒長出它的頂部,然后這個晶粒長滿整個鑄型型腔,從而得到整體只有一個晶粒的單晶部件。
選晶法是單晶高溫合金葉片制備中最基本的工藝方法,選晶行為對單晶凝固組織以及單晶缺陷的形成有重要影響,最終作用于合金的力學性能。
通常把常見的單晶選晶器歸納為4種類型:轉折型、傾斜型、尺度限制型(縮頸選晶器)和螺旋型。螺旋型選晶器是目前應用最廣泛也是最成功的選晶器類型。
3）籽晶法
制取單晶的另一種方法是籽晶法材料和要鑄造部件相同的籽晶安放在模殼的最底端,它是金屬和水冷卻銅板接觸的唯一部分。
具有一定過熱的熔融金屬液在籽晶的上部流過,使籽晶部分熔化,這就避免了由于籽晶表面不連續或加工后的殘余應力引發的再結晶所造成的等軸晶形核。
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。金屬熔液就從剩余的籽晶部分發生外延生長,凝固成三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氣相化學反應制備單晶體的方法。包括升華法（如硫化鎘和硫化鋅單晶）、氣相反應法（如氧化鋅、氮化鋁和氮化釩單晶）、氣相分解法（如低價氧化物和金屬單晶）、氣相外延法（如砷化鎵、磷化鎵、砷化銦和磷化銦單晶）。
化學氣相沉積合成石墨烯
應用差距
國內外各時期典型葉片材料的使用溫度對比
羅.羅公司的Trent800發動機的渦輪葉片使用第三代單晶合金CMSX-10制造，工作溫度達1204℃。我國第一代單晶合金為DD3，于20世紀90年代用于航空發動機渦輪葉片，該合金相當于美國第一代單晶合金PWA1480。
我國第二代單晶合金DD6也用于航空發動機渦輪葉片。
目前先進的燃氣渦輪發動機幾乎都采用單晶鑄造合金葉片。
單晶高溫合金是迄今在先進發動機中用作渦輪葉片的重要材料，承受著最苛刻的工作條件，從F100-PW-220發動機用于PWA1480第一代單晶合金到EJ200和F119采用的RR3000和CMXS10的第三代單晶，使渦輪進口溫度提高了80℃，接近材料的初熔溫度。美國普惠公司建立了單晶葉片生產線，年產量達9萬片。
據統計，現在至少有六種軍用機和民航機使用了單晶鑄造葉片，工作時數達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。
單晶渦輪葉片，目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、法國、中國等少數幾個國家能夠制造。近年來，國內在單晶渦輪葉片制造中也取得了較大的進步，研制并批量生產了高功重比渦軸發動機單晶渦輪葉片。
展望未來
20世紀70年代以來,各國都對其他系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金這樣具有良好的綜合性能。
在本世紀,通過優化的合金設計,再加上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單晶高溫合金。
在本世紀的相當長時期內,單晶合金仍將是燃氣渦輪發動機最重要的材料。
目前正在大力開發陶瓷等新材料、新技術，估計在不遠的將來，新的、性能更好的、采用陶瓷材料制造的渦輪工作葉片及用其他新技術裝備起來的航空發動機可望投入使用，到那時軍、民用飛機的性能必將有大幅度的提高。
HPT葉片俗稱航空工業皇冠上的明珠，技術含量極高，可以說代表了一個國家航空工業水平的高低，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價值，而且市場流通的量非常有限，價值不菲。
五、結語
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