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（zào）業的（de）新寵，以其高精度、高效率和高靈活性的特點，引領著製造業向更高層次邁進。精密特種（zhǒng）加工技（jì）術究竟有何魅力？它又是如何（hé）改變我（wǒ）們（men）的生產和（hé）生活（huó）方式的呢？接下來（lái），就（jiù）讓我（wǒ）們一起走進精密特（tè）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（zài）傳統（tǒng）機械加（jiā）工基（jī）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（cái）料（liào）或複雜形狀零件進行（háng）高精（jīng）度、高效率的（de）加（jiā）工技術。它涵蓋了激光加工、電火花加工、超聲波（bō）加工等多種加工方式，具有加工精度高、加工質量好、適用範圍廣等顯著特點。
二、精密特種加工（gōng）技術的應用領域
精（jīng）密特種加工技術在航空航天、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（jīng）密特種加工技術（shù）可用於製造（zào）高精度、高可靠性的零部件，如（rú）發動機葉（yè）片、導軌等；在汽車製造領域，它可用於製造複雜（zá）形狀的零部（bù）件，提高汽（qì）車（chē）的（de）性能和安全性；在醫療器械領（lǐng）域，精密特種加（jiā）工技術可用於製造高精度的醫療設備和器械，提高醫療水平。
三、精密特種（zhǒng）加工技術的（de）優勢與挑（tiāo）戰
精密特種加（jiā）工技術的優勢（shì）在於（yú）其高精度、高（gāo）效率和高靈活性。通（tōng）過采用先進的工藝（yì）方法和設備，可以實現微米級甚至納米（mǐ）級的加工（gōng）精度，大大提高產（chǎn）品的（de）質量和性能。同時，精密特種加工技術還具有加工速度快、加（jiā）工成本低等優勢，能夠顯著提高生產效率和經濟（jì）效益。
然而，精密特種加工技術（shù）也麵（miàn）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（bèi）和操作人員，對技術（shù）和人才的需求較高；其次，精密特種加（jiā）工技術通常涉及到高精度、高難度的加工過程（chéng），對工藝控製和質量控製的要求非（fēi）常嚴格；此外，隨著製（zhì）造業的快速發展和市場競爭的加劇（jù），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
盡管麵臨著一些挑（tiāo）戰，但精密特種（zhǒng）加工技術的發（fā）展前景依然廣闊。隨著科技的（de）不斷進（jìn）步和製造業的不斷升級，精密特種加工技術將在更（gèng）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（gèng）靈活的生產方式（shì）。同時（shí），隨著新材料（liào）、新工藝（yì）的不斷湧現，精密特種加工技術也將不（bú）斷拓（tuò）展其應用領域（yù）和加工能（néng）力。
發動機葉片精密加工：技術之巔，匠心獨運
隨（suí）著現代工業的發展，發動機作為核心動力裝（zhuāng）置，其（qí）性能優劣直接關係到整個機械設備的運行效率和（hé）穩定性（xìng）。而發動機葉片作為發動機的關鍵（jiàn）部件，其精密（mì）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（de）魅力，探尋其背後的技術秘密。
發（fā）動（dòng）機葉片作為發動機中的“心髒”，承受著（zhe）高溫、高壓和高速旋轉等多重考驗。因（yīn）此，對葉片的精密加工要求極高，不僅要（yào）求葉片表麵光滑（huá）如鏡，更（gèng）要求其在複雜的工作環境下保持穩定的性（xìng）能。這就需要采（cǎi）用先進的加工設備和（hé）工藝，確保每一片（piàn）葉片都能（néng）達到最高的品質標準。
在精（jīng）密加工（gōng）領域，數控（kòng）加工技術成（chéng）為主流。通（tōng）過高精度的（de）數控機床和編程軟件，可以（yǐ）實現對葉片的微米級加工，確（què）保葉片的尺寸精度和形狀精度。同時，采用先進的（de）刀具材料和切（qiē）削技術，可以有效減少加工過程中的（de）摩擦（cā）和（hé）熱量，避免葉片變形和損傷。
除了數控加工技（jì）術，特種加（jiā）工技術也在發動機（jī）葉片加工中發揮著重（chóng）要作用。如激光加工（gōng）、電火花加工等，這些技術可（kě）以在難以加（jiā）工（gōng）的材料（liào）上（shàng）實現高精度、高效率的加工。特別是在處理（lǐ）複（fù）雜（zá）曲麵和微小結構時，特種（zhǒng）加工技術更是展現出了其獨特的優勢。
然而，精密加工並非一蹴而就。它需要加工人員具備豐富（fù）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（cān）數的（de）設定，從刀具的磨（mó）損檢測（cè）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（zhí）著和對品質的堅守，才（cái）使得發動機（jī）葉片的精密加工成為一（yī）項令人敬畏的技藝。
隨著科技的進步，發動機葉片精密加（jiā）工技術也在（zài）不（bú）斷創新和發展。未來，我們可以（yǐ）預（yù）見，這一領域將會有更多的新技術（shù）、新工藝湧現，推動發動機性能的不斷（duàn）提升。同時，隨著智能製造和工業4.0的推進，發動機葉片（piàn）的精密加（jiā）工也（yě）將實（shí）現更高的自動化和智能化，為整個工業（yè）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（yì）和匠心於（yú）一體的綜合性工程（chéng）。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（yóu）相信，在精密加工技術的推動下，發動機的性能將（jiāng）不斷攀升，為人類的工業發展寫下更加輝（huī）煌的篇章。
測量
葉（yè）片作為發動機的相關重要部件之一，其在（zài）航空發動機（jī）製造中所占比重約（yuē）為30%。
由於葉片形狀複（fù）雜、尺寸跨度大（長度從20mm~800mm）、受力惡（è）劣、承載最大，且在高溫、高（gāo）壓和高轉速的工況下運轉，使得發（fā）動機的性能在很大程度上取決於（yú）葉片型麵的設計製造水平。
為滿足發動機高（gāo）性能、可靠性及壽命（mìng）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（cái）料製成；同時由於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（biǎo）麵完整性。
隨著航空發動機性能要求越（yuè）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（yè）片製造方法主要有電解加工、銑削加工、精密鍛造、精密鑄（zhù）造等。其中，數控銑削加工由於加工精度高（gāo）、切削穩定、工藝成熟度高等優點而被廣泛應用。
然而由於葉片零件壁薄、葉身扭曲大、型麵複雜，容易產生變形，嚴重影響了葉片的加工精度和（hé）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。
葉片型麵是基於葉型按照一定積累疊加規律形成的空間曲麵，由於葉片形（xíng）狀（zhuàng）複雜特殊、尺寸眾多、公差要求嚴格，所（suǒ）以葉片型線的參數沒有固定的規律，葉片型麵的複（fù）雜性和多樣性使葉片的測量變得較為困難。
傳（chuán）統的檢測方法無法科學地指導葉片（piàn）的生產加工，隨著汽輪機、燃氣機等製（zhì）造（zào）業（yè）的發展，要求發（fā）動機不斷更新換代，提高發動機的（de）安全性和可靠性；先進技術（shù）的體現在於葉片的改進與創新，從而必須提高葉片（piàn）製造技術水平，同時要求葉（yè）片加工（gōng）測量實現數字化，體現其精準度，精確給出葉片各點實際數（shù）值與葉片理論設計的誤差。
且隨著我（wǒ）國航空發動機製造（zào）企業的迅猛發展，發動機葉片（piàn）數量大、種類多，檢測技術麵臨著前所未有的機遇和挑戰。
目前，在國（guó）內的葉片檢測過程中（zhōng），傳統的標準樣板測量手段仍占主導地（dì）位，效率低下、發展緩慢，嚴重製約著設計、製造和檢測的一體化進程。
為適應快速高效（xiào）檢測要求，目前西方發達國家已普遍（biàn）采用三坐標測量機對葉片進行（háng）檢測。
由於航空發動機（jī）葉片（piàn）的（de）數（shù）量大、檢（jiǎn）測項目多，三坐標檢測技（jì）術的引入很大程度地改善（shàn）了葉片製造過程（chéng）中檢測周期長、檢測結果不準確以（yǐ）及由於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（sān）坐標（biāo）檢測所特有的適用性強、適用麵廣、檢測快速、結果準確的這一優點，使得三坐標（biāo）測量機在葉（yè）片生產企業得到（dào）廣泛應用。
近年來，隨著我國航空工業（yè）的（de）發展，三（sān）坐標測量機在葉片生產主機廠家逐漸得到普及。
但由於葉片型（xíng）麵複雜、精度要（yào）求高，不同廠家的測（cè）量方式、測量（liàng）流程和數據處理方式不（bú）同，導致葉片的測量（liàng）結果（guǒ）不一（yī）致，測量（liàng）工作（zuò）反複，嚴重製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（liàng）精度和效率要求高。葉片型（xíng）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（zhì）1μm。
因（yīn）此對測量環境要求（qiú）嚴格苛刻（kè），通常需要專門的（de）測量室。葉片是批量生產零件，數量成千上萬，應盡可能提高（gāo）測量速度和效率。生產車間和測量室之間的反複運輸和等（děng）待，使得檢測效率低下。
（2）測量（liàng）可靠性要求（qiú）高。葉片（piàn）測量和數據處理結果應（yīng）反映葉片的實際加（jiā）工狀態，這（zhè）樣才能保證葉（yè）片的製造質量。
（3）數據處理過程複雜。葉片參考紙上不但有葉型（xíng）、弦長、前緣後緣（yuán）半徑等尺（chǐ）寸誤差要求，還有葉片（piàn）的形（xíng）狀輪廓、彎曲、扭轉、偏（piān）移等形位誤差要求。
利用三坐標測量（liàng）機獲取的測量（liàng）數（shù）據存在（zài）噪點，通常需要對原始的測量點（diǎn）集進一步簡化，提取（qǔ）不同的尺寸和特征參數；還（hái）需（xū）進行複雜的（de）配準運算，迭代求（qiú）解葉片的形位誤差。
其中（zhōng）算法（fǎ）選用不同得到的誤差評定結果各有差異，導致整個處理過程複雜（zá）。
葉片測（cè）量新技術
（1）基於數字樣板（bǎn）葉型檢測（cè）方法。
標準樣板是根據葉片的理論型線設計製造的與葉型截（jié）麵對應的母（mǔ）模量具，使用葉片固定座（即型麵測具）把葉片固定後（hòu），用處於理想位置的葉盆標準（zhǔn）樣板和葉背標準樣板檢查葉盆、葉背（bèi）型麵間隙，並反複調（diào）整（zhěng）葉片空間位（wèi）置，以型線的吻合度作為衡量其是否合格（gé）的（de）依據。
葉（yè）型設計（jì）參考多以（yǐ）透光度，或相對誤差來表示，如（rú）±0.15mm。這個比對誤差實際上並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（de）綜合體。
針（zhēn）對標準樣板法的特點和存在的缺點，西北工業（yè）大學研（yán）究了（le）基於（yú）數字樣板的檢測方法。
數字（zì）樣板檢測方法是基於標準樣板（bǎn）法的原理，利用數字化測量手（shǒu）段獲取測量數據，然（rán）後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。最後在該（gāi）最佳姿（zī）態下（xià），求解（jiě）葉型各項形位誤差。
下文將數字樣板檢測方（fāng）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（tǒng）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（wéi）CAD模型，它包括了加工葉片完整（zhěng）的截麵幾（jǐ）何（hé）信息、基準信息（xī），是（shì）數（shù）字樣板法（fǎ）誤差評定的模（mó）型基（jī）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。
對於數字樣板法的原始測量點集（jí），主要（yào）通過CMM測量獲得。在（zài）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（bǎn）自（zì）動進行調整（zhěng）。
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，獲取真實有效的型麵測量數據參與數字樣板檢測。
其中，數據預（yù）處理包括測量點去噪、測頭半徑補（bǔ）償、坐標變換、測量點（diǎn）與曲（qǔ）麵的配準、測量點排序等。其中，數據處理的第一步，就是對得到的（de）型麵測量點（diǎn）進行去噪，篩選有效的測量（liàng）數據。
其次，CMM測量得（dé）到的數據是測（cè）頭球心數據，必須進行測頭半徑補償。對於葉片測量（liàng）時的裝夾引起的係統誤差，在樣板匹配前必須（xū）進行坐標係對（duì）齊（qí）來消除。
（2）葉片高速連（lián）續掃（sǎo）描技術。
為提高（gāo）整體葉盤葉片的檢測效率，雷尼紹（shào）公司近年來開發了SPRINT高速掃描係統。
與傳統的機內測量技術相比，SPRINT葉（yè）片（piàn）測量係（xì）統可以顯著縮（suō）短測量循環時間，對葉片前（qián）邊緣也能提供精確出色的測量結果（guǒ），可以為葉片自適應（yīng）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製器上的（de）Productivity+™CNC plug-in直接運行，因此測量數據可通過宏變（biàn）量（liàng）自動提供（gòng）給數控機床（chuáng），也可以自動提供給連接的計算機進行下遊數據處理。
SPRINT係統配備的（de）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係統進行測量時，在CNC機床上分別從四個方向（xiàng）對葉（yè）片進行測量，從而避免在（zài）測量過程中發生（shēng）測頭與工件之間（jiān）的（de）碰撞幹（gàn）涉。
在測量之後，四部分的測量數據將被拚合成一個完（wán）整的葉片測量數據集。SPRINT係統（tǒng）可以用於加工過程中工序間的檢測，以確保產品的加工過程正（zhèng）確。同時，還可以作為加工完（wán）之後的質量檢測（cè）使用。
加工過程中（zhōng）以及（jí）加工後的（de）型（xíng）麵誤差檢測是確保葉片加工質（zhì）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（sù）、簡易、高效的葉片測量與數據處理技術。
同時，隨著智（zhì）能加工（gōng）技術的發展，在機（jī）快速檢測技術將推動葉片加（jiā）工（gōng）質量與成品率的提升。在這一發展過程中，需要重（chóng）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（guǎng）使用奠（diàn）定基礎。
質量（liàng）控製
航空發動機葉片是發動機（jī）的核心部件之一，發動機的性能很大程度上取決於（yú）葉片型麵的設計和製造水平。
發動機就是依靠這眾多的葉片完（wán）成對氣體的壓縮和膨脹以及以最高的效率產生（shēng）強大的動力來推動飛機前進的工作，它的（de）曲麵形狀和製造精度（dù）直接決定（dìng）了飛機發動機的（de）推（tuī）進效率的大小。
參考1 JAT生產的航空（kōng）發動機
什麽是發動機葉片（piàn）
參考2各類（lèi）型葉片
航空（kōng）發（fā）動機葉（yè）片是發動機的核心部件之一，發動機的性能很大程度（dù）上取決於葉片型麵的設計和製造水平（各類型葉片如參考2所（suǒ）示）。
葉片是一類典型的自由曲（qǔ）麵零件（jiàn），發動機就是依靠這（zhè）眾多的葉（yè）片完成對氣體的壓縮和膨脹以及以（yǐ）最高的效率產生（shēng）強大的（de）動力來（lái）推動飛機前進的工作（zuò），它的（de）曲麵形狀和製造精度直接決定了飛機發動機的推進效率的（de）大小，
參考3為噴氣發動機的渦輪（lún）葉片。
參考3噴氣發動機的渦輪葉（yè）片
葉片質量為何如此重要
在航空（kōng）發動機（jī）中，葉（yè）片型麵的複（fù）雜程度非常高，尺寸（cùn）跨度大，而且承載（zǎi）也比較大，如（rú）參考（kǎo）4、5所示。
葉片的工作性能受到其（qí）幾何形狀和尺寸的直（zhí）接影響，當葉片型麵的質量比較差時，發動機會承受二次流損耗，進而影響能量轉換效率。
基於此，在（zài）進行（háng）葉片型麵製造時，要對質量十分的注重，通過檢測（cè）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
怎樣控製葉片質量
葉片質量控製的主要手段為檢測，當前，比較常用的發（fā）動機壓氣機葉（yè）片型麵檢測技（jì）術比（bǐ）較多（duō），下麵主要為大（dà）家介紹幾（jǐ）種葉片型麵檢測技術，以便於（yú）提升檢測工（gōng）作的有效性，保證葉片製造的質量，提升航空發動（dòng）機的性能。
參考（kǎo）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（kǎo）8測量發動（dòng）機葉片
幾（jǐ）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（diàn）量之（zhī）後（hòu）進（jìn）行放大、處（chù）理，最後，將機械位移量顯示出來，這種測量方法就（jiù）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（de）測量機械裝置，以便於對被測零件進行（háng）定位（wèi），並將（jiāng）傳感器固定。
優點：簡便性比較高，能夠實現直觀的測量，而（ér）且測量的精度和效（xiào）率都比較高。在進行航空發動（dòng）機壓氣機葉片型麵檢測時，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（gè）個部位（wèi）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後，檢測的複雜程度提升，尤其是葉片型麵型線的（de）測量，由於測量點（diǎn）比較多（duō），測量無（wú）法有效的保證。
光學投（tóu）影檢測技術
利用（yòng）光（guāng）學（xué）投影檢測（cè）技術對葉片型（xíng）麵進行檢測（cè）時，需要借助相應（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用的（de）兩個設備。
參（cān）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（zhí）接（jiē）的觀看葉型；經過放（fàng）大（dà）之後，將其與（yǔ）理想葉型對比，進而準確的發現實（shí）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（piàn）製造的質量。
參考（kǎo）13光學投影檢測（cè）環路（lù）
局限：在進行檢查時，葉片表麵（miàn）反射能力會在（zài）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（wài），屏幕也具備一定（dìng）的限製性，隻有弦寬不大的葉子才能利用此種（zhǒng）檢（jiǎn）測（cè）技術進行檢測。
三坐標測量技術
在三（sān）坐標測（cè）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檢（jiǎn）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（hái）可以處理數據群，將零件各個幾個元（yuán）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（yòng）誤差補償技術，測量精度顯著提升（shēng）；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（shè）計到製造到檢測，實（shí）現一體化。
參考15三坐標測量（liàng）技（jì）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（jiào）高，功能冗餘的（de）專業性比較差，測量軟件需要（yào）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（biāo）準（zhǔn）樣板和（hé）實際葉片對應檢（jiǎn）測截麵（miàn）靠近（jìn），在照明燈光（guāng）的輔助下，根據二（èr）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（jì）。
參考16獲得（dé）標準（zhǔn）樣板
參考17標準樣板
優點：檢測時速度比較快，而且操作（zuò）比較簡單，比較適合在現場（chǎng）使用。在進行（háng）葉片加工時，標準樣板法得到了（le）比較廣（guǎng）泛的應用。
參考18標準樣板用（yòng）於（yú）模型比對
局限：零件合格與否（fǒu）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（jù）備對應關係，一個樣板（bǎn）隻能檢測與其對應的葉片截麵的一條型線（xiàn），因（yīn）此需要很多數量的（de）標準樣板才能（néng）完（wán）成檢測，花費的檢測成本比較高。
因此，在當前（qián）的葉片（piàn）型麵檢測中，隻有（yǒu）工序間型麵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（jiǎn）測發動機（jī）葉片（piàn）
比較典型的激光測量技術（shù）主要有兩種，
一種是四（sì）坐標激光（guāng）測量，一種是激光（guāng）掃描（miáo）測量。
四坐標激光測量的基（jī）礎為三坐標測量，增加精密轉台（tái），通過非接觸式激光側頭完成測量；激光掃描測量（liàng）為（wéi）高速掃（sǎo）描葉片，借助激光光束，在進行掃描時，獲取葉片型麵大（dà）量點雲數據（jù），形成點（diǎn）雲參考，以標準葉片的CAD模型為（wéi）參（cān）考依據，進行對比分析，找出存在的（de）誤差（chà）。
參考（kǎo）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（kuài），采樣頻率（lǜ）比較高（gāo），具備（bèi）比較高的檢測效果。
局限（xiàn）：測量精度稍差。在實際的航空發動機壓（yā）氣機葉麵型麵檢測中，應用還比較少。
文章來源：航空製造網
葉片材料
一、航空燃氣渦輪發動機簡述
航空（kōng）燃氣渦輪發動機是屬於熱機的一（yī）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（dòng）機，Turbofan—渦輪風扇發（fā）動機，
Turboprop—渦輪螺旋（xuán）槳發動機，Afterburning Turbojet—加力渦輪噴氣（qì）機
燃氣輪機可（kě）以是一個廣泛的稱呼，基（jī）本原理大同小異，包括燃氣渦輪噴氣發動機等等（děng）都包含在內。
它主（zhǔ）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（組成如參考2，參考（kǎo）3所示）。
參考2航空燃氣輪機
參考3燃氣（qì）渦輪噴射機引擎的示意參（cān）考（kǎo）（參考中（zhōng）我們可以看（kàn）到（dào）不同部位的能量大小）
它的工作原理是：新鮮空氣由進氣道（dào）進（jìn）入燃氣輪機後，首（shǒu）先由壓氣機（jī）加壓成高壓氣體，接著由噴油嘴噴出燃油與空氣混合後（hòu）在（zài）燃燒室進行燃燒成為（wéi）高溫高壓燃氣（qì），然後進入渦輪段推（tuī）動渦輪，將燃（rán）氣的焓和動能轉換成機械能輸出，最後的廢氣由尾噴管排出。
二、渦輪發動機（jī）性能與葉片材料的關係
燃氣渦輪（lún）是航空燃氣渦（wō）輪發動（dòng）機的重要部件之一，我們通過（guò）采用更高的燃氣溫度，可以使得航空燃氣渦輪發（fā）動機在（zài）尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能；
參考4燃氣渦輪（lún）的（de）示意參考
例（lì）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（zuì）先進第四代推重（chóng）比10一級發動機（jī）的渦輪進口平均（jun1）溫度已經達到了1600℃左右（yòu），預計未來新一代戰鬥（dòu）機（jī）發動機的渦輪進口溫度有（yǒu）望達到1800℃左右。
據報道，自20世紀60年代中期至80年代（dài）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（fā）動機渦輪葉片選用材料發展如表（biǎo）1所示。
可見，材（cái）料的發展對提高渦輪進口（kǒu）溫度起到了至關重（chóng）要（yào）的作用。
三、渦輪葉片材料的發展
為了滿（mǎn）足第一代航空噴（pēn）氣式渦輪發動機的渦輪（lún）葉片的使用要求，20世紀50年代研製成功的高溫合金（jīn）憑借其較為優異的高溫使用性能全麵代替高溫不鏽鋼，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，由於真空冶煉水平的提高和加（jiā）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（liào）。
參考6高溫合金真空鑄（zhù）造航空發動機葉片
定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（lì）方向擇優生長，改善了合（hé）金的強度和塑性，提高了合金（jīn）的熱疲勞性能，並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（shū）鬆、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（wēn）合金，在80K/cm的溫度梯度（dù）下，
有和沒（méi）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（tī）度下，
有和沒有0.5T的橫（héng）向磁場B的橫向微觀結構
單晶合金渦輪葉片定向凝（níng）固技術的進一步發展（zhǎn），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（níng）固（gù）柱晶合金有了顯著提高，從（cóng）而很快得到了（le）航燃（rán）氣渦（wō）輪發（fā）動機界的普（pǔ）遍認（rèn）可，幾乎所（suǒ）有先進航空發動機都采用了單（dān）晶合金用作渦輪葉片，成為（wéi）二世紀80年代以來航空發動機的重大（dà）技術之一，掀了渦輪葉（yè）片用（yòng）材料的第（dì）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（de）渦輪葉片的顯微結構
各代（dài）發動機（jī）渦（wō）輪葉（yè）片結構與（yǔ）選材發展曆程如參考（kǎo）11所示。
參考（kǎo）11各代發動機渦輪葉片結構與選用材料的發展曆程（chéng）
以PW公司的PWA1484、RR的CMSX-4，GE司的（de）Rene′N5為代表的第二代單晶合金（jīn）與第一代（dài）單（dān）晶合金相比，通過加入3%的錸元素、適當增大了和鉬（mù）元素的含量，使其工作溫度提高了30℃，持強度（dù）與抗氧化（huà）腐蝕能力（lì）達到很（hěn）好的平衡。
在第三單晶合金Rene N6和CMSX-10中，合金成分（fèn）進（jìn）行一步（bù）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（de）持（chí）久壽命（mìng）大於150小時，遠遠高於第（dì）一（yī）代單晶合金約10小時的壽命，並獲得高強度（dù）抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。
美（měi）國和（hé）日本（běn）相繼（jì）開發出了第（dì）四代單晶合金，通過添加釕，進一步（bù）高（gāo）了（le）合金微觀結構的穩定性，增（zēng）加（jiā）了長時間高溫露（lù）下的蠕變強度。其1100℃下的持久壽命比（bǐ）第二單晶合金提高了10倍，使用溫（wēn）度達到了1200℃。同代的單晶成分如表2所（suǒ）示（shì）。
參考12渦輪葉片的性能在（zài）過去50年內持續改善，
單晶合金鑄造技術成為現今的（de）主流
四、渦輪葉片設計思想（xiǎng）簡述
完整的渦輪葉（yè）片選材工作主要包括：
葉片（piàn）結（jié）構設計
葉片強度設計
葉片材料設計（jì）
葉片製造工藝設計
葉片使用過（guò）程中的故障模（mó）式分析
渦輪葉（yè）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（shè）計與製造商在各種新型發動機渦輪葉片（piàn）的設計上大都采（cǎi）用了先進（jìn）的複合傾斜、端壁斜率和曲（qǔ）率（lǜ）控製等技術。
該（gāi）技術的劣勢（shì）在（zài）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（dù）場與溫度（dù）梯度分布複雜，一旦結（jié）構的突變區溫度梯度控製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（zhì），就容易形成新的（de）晶粒而（ér）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（piàn）製造工序繁（fán）多，過程（chéng）複雜，在表麵處理、氣膜孔（kǒng）加工、噴塗塗層等過程中非常容易產生外來應力，使其在後續長時間的高溫使用過程（chéng）中也（yě）可能（néng）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在危險。
參考13渦輪（lún）葉片的設計創（chuàng）新
參考14渦輪葉片冷卻膜冷卻孔（kǒng）
從材料學的角度來看，決定渦輪葉片材（cái）料破壞的主要（yào）參數是溫度、時間、應力、環境氣氛和（hé）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（ér）應（yīng）力的參數則難以確定，因為實際葉片都是在複雜應力狀態下工作（zuò）的，材料的微觀結構狀態則是以上（shàng）四種狀（zhuàng）態（tài）變量的體現。
發動機渦輪葉片是渦輪部件中溫度最（zuì）高和承受熱衝擊最嚴重的零件，不僅處於腐蝕性的燃氣包圍中，而且還承受高溫和高應力的作用；
因（yīn）此，對於葉片材料的要求也是全方位的
第一（yī），必（bì）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（qiáng）度極限和蠕（rú）變極限（xiàn）；
第二，要保（bǎo）證材料在使用壽命下具有良好的組（zǔ）織（zhī）穩定性（xìng）、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（de）線膨脹係數；
第四，要具（jù）有良好的（de）工藝性能；
第五，要求在長期使（shǐ）用溫度（dù）下有高的抗氧化和抗熱腐蝕的能力，良（liáng）好的抗熱疲勞性與抗熱衝擊的性能（néng）。
五、渦輪葉（yè）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（hé）金的初熔溫度相比僅（jǐn）有不足200℃的差（chà）距，鎳鋁金屬間化（huà）合物與铌-矽基合金是二種有希（xī）望成為新一代超高溫（wēn）材（cái）料（liào）的新型高溫合金，
它們的密度不足（zú）鎳基高溫（wēn）合金的4/5，采用這兩種合（hé）金製（zhì）造的高壓渦輪葉片（piàn）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（yī）代戰鬥機發動（dòng）機的設計使用要求（qiú），渦輪葉片用材料的（de）第三次革命還須等待，在未來的一段時間內，先進（jìn）單晶合金仍然是高性能航空燃氣渦輪（lún）發動機（jī）渦輪葉片的主（zhǔ）導材料。
六（liù）、結論
從（cóng）航空發（fā）動機（jī）渦輪葉片的發展曆程來看（kàn），材料、工藝與設計一體化的趨勢越（yuè）加明顯（xiǎn）。發動機設計是由低水平向高水平發展，葉（yè）片材料設計（jì）也是如此，設（shè）計（jì）階段不同，設計要求（qiú）不同，設（shè）計（jì）方法不（bú）同，采用的材料和製造工藝（yì）也不相（xiàng）同（tóng）。
因此，必須（xū）根據葉片結構設計要求不（bú）斷開（kāi）發新型高溫材料，擴大葉片選材範圍，保證發（fā）動機性能的（de）不斷提（tí）高。
冷卻關鍵技術
對於渦扇發動機而言，提高渦輪進口燃氣溫度對（duì）於改善發動機性（xìng）能，如增大發動機推力，提高發動機的效（xiào）率和發動機（jī）的推重（chóng）比都具有極其重要的意義。
然而，渦輪（lún）進口燃氣溫（wēn）度卻受渦輪材料（liào）的耐熱能力所限製。
目前，先進航空渦扇發動（dòng）機的渦輪進口燃氣溫度已（yǐ）經達到1800K~2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的（de）極限溫度，所以必須采（cǎi）用有效的冷（lěng）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（qián），渦輪葉片冷卻技（jì）術普（pǔ）遍應用於大型航空渦扇發動機，而在彈用渦扇發（fā）動機上（shàng）的應用相對較少。
但隨（suí）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（yòu）不能過多增加發動機的尺寸和重量，這就對彈用（yòng）發（fā）動機的性能提出了更高的要求，為了滿（mǎn）足導彈這種研製模式的需求，彈用渦扇發動機（jī）采用渦輪葉片冷卻技術已成為一種（zhǒng）必然的發展趨勢。
1、渦輪葉（yè）片冷（lěng）卻（què）技術的基本原理（lǐ）
能在高溫、高速、高壓（簡稱“三高”條件下（xià）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。
對於氣流而言，溫度、速度和壓力是密切相關的三個參量，於是（shì）“三高”要（yào）求最（zuì）終就體現在盡可能（néng）提高渦（wō）輪進口燃氣溫度上麵，而渦輪進口燃（rán）氣溫度也就成了衡（héng）量發動機（jī）性能好壞的一（yī）個關鍵性指標。
根據計算，渦輪進口（kǒu）燃氣溫度每提高（gāo）55°C，在發動機尺（chǐ）寸不變（biàn）的條件下，發動機推力約可提高10%。可（kě）見，提高渦輪進口燃氣溫度有很高的（de）實用價值，但由於渦輪葉片材料可承受的溫度有限，這就需要對渦輪葉（yè）片采用冷卻技術來提高這一指標。
航空發動機冷（lěng）卻技術很複雜，並且各個發動機製造廠采用的（de）技術各不相同，甚至相同的發動（dòng）機製造廠為各種不同型號的發動機使用了不同的冷（lěng）卻係統。
發動機冷卻（què）係統的設（shè）計要保證（zhèng）係統在運行時,葉片（piàn）表麵最高溫度和溫度梯度與設計壽命（mìng）規定的（de）最大葉片熱應力相適應。
冷（lěng）卻工質太少會導致葉（yè）片溫度較高，從而降低熱部件工作可靠性，縮短熱部件壽（shòu）命，但冷卻（què）工質太多又會降低發動機性（xìng）能。
因而必（bì）須合理設計發動機冷卻係統，以使冷卻用的壓氣機抽氣量最小，同時能提（tí）高渦輪進口（kǒu）燃氣（qì）溫度，達到最大效益。
目前，國內外廣泛（fàn）采用的（de）是開式冷卻方法，即冷卻（què）空氣從壓氣機引出，冷卻渦輪後排入渦輪（lún）通道與燃（rán）氣混（hún）合。參考2為典型的發（fā）動機冷卻供氣（qì）係統。
該方（fāng）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（néng）量，而且隨著增壓比和飛行速度的增加，冷卻空氣（qì）本身溫度增高，冷卻效果變差。
對於不同（tóng）的（de）冷卻方式，其基本的冷卻原理是冷氣（qì）從葉片下部進入葉片內部，通（tōng）過冷（lěng）卻通道對（duì）葉片的內表麵進行有效的冷（lěng）卻，然後由葉片上的小孔流出（chū）對葉片外表麵進行冷卻（què）保護。
2、國（guó）外研究現狀
由於渦輪進口燃氣溫度的重要性，這一（yī）指標總是作為發動機發展的一個重（chóng）要標誌。
20世紀70年代，渦輪進口燃氣的溫度為（wéi）1600K~1700K；90年（nián）代末已達2112K；而本（běn）世紀初將要達（dá）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（de）發展速（sù）度卻遠遠滯（zhì）後於這一（yī）水平，而且據估計，高（gāo）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（gǎi）變目前可用金（jīn）屬材料的情況下，要保證燃燒室和燃氣渦（wō）輪這（zhè）兩個主要的熱端部件可靠地工作並達到要求的使（shǐ）用壽命，唯一可（kě）行的便是采取冷卻和（hé）熱防護措施。
事實（shí）證明，冷卻技術的效果極為顯著，20世紀60年代（dài），采用（yòng）冷卻技術而帶來（lái）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（jiàng）已達400K~600K;而且隨著冷卻方法的不斷改（gǎi）進，冷卻溫降還有（yǒu）可（kě）能達到一個新的（de）水平。
目前，先（xiān）進發動機的渦輪進口燃氣溫度已達到了2000K左右，比高（gāo）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（guó）外很多（duō）航空航天先進國家都在大力研究發展（zhǎn）冷卻技術，而且先進的冷卻設計能夠帶來巨大的經濟和（hé）使（shǐ）用效益，主要體現在以下5個方（fāng）麵：
因提高（gāo）渦輪進口燃氣溫度而提（tí）高了發動機性能；
因允許使用更簡單的材（cái）料而降低了成本；
因（yīn）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（zhǎng）部件壽命進而延長（zhǎng）了發動機的使用期限。
目前，國外廣泛用於航空（kōng）發動機渦（wō）輪葉片冷卻的（de）基本冷卻技術主要有氣膜冷卻、衝擊冷卻、發散冷卻、肋壁強化換熱（rè）、繞流柱強（qiáng）化（huà）換熱等。參考3為常用典型（xíng）渦輪葉片冷卻結（jié）構。
3、發展趨（qū）勢
美國國防部開展的綜合高性能渦輪發動機技術(IHPTET)計劃製定了詳細明確的部件級目標。對於渦輪部件（jiàn），其研究目標是渦輪進口燃氣溫度提高500K，冷卻空氣減（jiǎn）少60%，質量減少50%，單級（jí）載荷增加（jiā）50%，生產成本和維修成本降低10%。
為實現這些（xiē）目標，必須麵臨一（yī）係列技術挑（tiāo）戰。該計劃提及（jí）的三大技術難題是：在不增加損失和極限（xiàn）載荷的情況下提高級載荷；在不增加轉子（zǐ）質（zhì）量的情況下為（wéi）提高轉（zhuǎn）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（jìn）核心軍用發（fā）動機”（AC-ME）的（de）研究，計劃把推重比為20定為2020年（nián）的目標，到（dào）那時發（fā）動機的渦（wō）輪進口燃氣溫（wēn）度將達到2400K。
為了（le）解（jiě）決更高（gāo）溫（wēn）度帶來的一係列問題，在提高材料的耐熱性，發展高性能耐熱合金，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（de）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（qì）流提高冷卻效果；發展（zhǎn）新的（de）冷卻結構和冷卻方式（shì）。新型冷卻（què）技術有（yǒu）層板（bǎn）冷卻和複合冷（lěng）卻技術。
3.1層板冷卻技術
層板冷卻技術始於Colladay提出（chū）的一個理（lǐ）論：在燃氣（qì）輪機高溫部件的冷卻中，為了有效（xiào）利用冷氣，在形成氣膜之（zhī）前一定要增強內部對流換熱（rè），即（jí）可以通過內部對流冷卻、衝擊冷卻、擾流柱、肋壁等（děng）強化換熱方（fāng）式對葉片進行冷卻。
基於這種理（lǐ）論及全（quán）氣膜冷卻（què）形成了多層壁氣膜冷卻結構。其基本（běn）原理類似於多孔發（fā）散冷卻。冷（lěng）氣在層板內部許多細小的通道內（nèi）流過並吸收熱（rè）量，然後從氣膜孔流出。參考4給出了層板（bǎn）冷卻的（de）結（jié）構示意參考。
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，比如冷卻氣流經過肋的擾動形成的二次流（liú）會（huì）對氣膜孔的出流產生—定的影響。
因（yīn）此，複合冷卻的研（yán）究相對比較複雜（zá），目前（qián）國內外在這方麵的研（yán）究還不是很多。
3.3冷卻葉片設計優化
在發（fā）展冷卻技術的同時，渦輪冷卻葉片（piàn）的設計優化也非常重（chóng）要。目（mù）前，美國等西方發達國家正在努力發展航空發動機（jī）及（jí）渦輪冷卻葉片的多學科優化技術（MDO)，包括優化理（lǐ）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（le）多種MDO軟件。
4、關鍵技（jì）術
渦輪冷卻技術的（de）研究在國（guó）外已經有60多年（nián）的發展曆史，到現在（zài）已經取得了顯（xiǎn）著的（de）成果（guǒ），總結出了一些渦輪冷卻設計方麵的經驗和（hé）方法。
但是由於（yú）渦輪冷卻技術具有（yǒu）多學科的複雜性，至今並不算十分完善，還有許多關鍵技術需要解決，以進一步提高渦輪冷卻的（de）效率。
在後續渦輪冷卻技術的（de）研究中如下關鍵技術和研究方向（xiàng）有待關注（zhù）：
研（yán）究合理的渦輪冷卻葉片結構設計方（fāng）法（fǎ）。選擇合理的冷卻結構，降低冷卻結構對葉片強度、氣流流（liú）動的影（yǐng）響;
設計有效的渦輪葉片冷（lěng）卻係統，必須（xū）充分了解渦輪內部詳細的燃氣流動特性，準（zhǔn）確預測（cè）葉片的（de）冷卻效果和（hé）熱（rè）分布，防止出（chū）現局部熱斑；
完（wán）善冷卻係統（tǒng）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；
減少冷卻係統的空氣泄流（采用的方法有密封冷卻係統，應用渦輪（lún）導向（xiàng）器裝置等），以及（jí）發動機工作在低負荷時，關閉冷卻係統；
研（yán）究冷卻結構和工藝方（fāng）法（fǎ），以提高渦輪冷卻效率。如在葉片上塗隔熱塗層、冷卻氣路設計等。
5、結束語
本（běn）文通過對國外的渦輪（lún）葉片冷卻技（jì）術發展及相（xiàng）關關鍵技（jì）術的研（yán）究，認為采用渦（wō）輪葉片冷卻技術能（néng）夠大（dà）幅度提高渦扇發動機的性能，並且（qiě）具有廣泛（fàn）的應用前景。
目前，國外先進的航空發動機（jī）基本均已采用此（cǐ）項技術（shù）。對於彈（dàn）用渦扇發動機而言，隨著導彈的不斷發展，對（duì）發動機的要求越來越高，采用渦輪葉片（piàn）冷卻技術將是一個必然的發展趨勢。
參考6渦輪葉片的發展曆程
因（yīn）此，加大研究（jiū）力度，注重（chóng）吸取國外的先（xiān）進技術和經驗（yàn），強調理論研究和（hé）試驗相結合。相信（xìn）渦（wō）輪葉片冷卻技術的發展必將把彈用渦扇發（fā）動機（jī）推向一個新的（de）高度。
單（dān）晶葉片
概述
渦輪葉片也稱動葉片（piàn），是渦輪發動（dòng）機中工（gōng）作條（tiáo）件最惡劣的部件，又是最重要的轉（zhuǎn）動部件。
在航（háng）空發動機熱端部件（jiàn）中，渦輪葉片承（chéng）受發動機起動（dòng）、停車循環的高溫燃氣衝刷、溫度交變，轉子葉片受高轉速下的離心力作用（yòng），要求材料在高溫下具（jù）有一定蠕變強（qiáng）度、熱機械疲勞強度（dù）、抗硫化介質腐蝕等。
先進航空發動機的燃氣進（jìn）口溫度達1380℃，推力達226KN。渦輪葉（yè）片承受氣（qì）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（shòu）平（píng）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（xìng）能水平(特別是承溫（wēn）能力)成為一種型（xíng）號發動機先進程度的重要標誌,從某種意義上說，未來發動機葉片的鑄造工藝直（zhí）接決定了發（fā）動機的性（xìng）能,也是一個國家航空工業水平的顯著標誌。
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（yào）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（xìng）。此外，還（hái）要（yào）求長期（qī）組織穩定性、良好的（de）抗衝擊強度、可鑄性及較低（dī）的密度。
燃機功率的不斷提高,是靠提高透（tòu）平進氣（qì）溫度（dù）來實現的,需要采用承溫能力（lì）愈來愈高的先進葉片。
除了高（gāo）溫（wēn）條件（jiàn）,熱端葉片的工（gōng）作環境還（hái）處在高壓、高負（fù）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（xìng）能,這就需要葉片采用特殊的合（hé）金材料(高溫合金),利用特殊（shū）的製造工藝(精密鑄造加定向凝固)製成特（tè）殊的基體（tǐ）組織(單晶組織),才能最大可能地滿足需要。
複雜單晶空心渦輪葉片已經成（chéng）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（jiū）使用和雙層壁超（chāo）氣冷單（dān）晶葉片製造技（jì）術的出現,使單晶製備技術在當今（jīn）最先（xiān）進的（de）軍用和商用航空發（fā）動機發揮關鍵作用。
目（mù）前,單（dān）晶葉（yè）片不僅早（zǎo）已安裝在所有先進航空發動機上,也越（yuè）來也多地用在了重型燃氣輪機上。
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向定向排列，基本消除垂直於應力軸的薄弱的橫（héng）向晶界，這使鑄造合金的力學性能又上一（yī）個新台階。
70～80年代，又由鑄造的多品結（jié）構發展為定（dìng）向（xiàng）結晶結構，現（xiàn）在已實現能將整（zhěng）個葉片鑄成一個晶體，即單晶葉片，單晶葉片鑄件的理想（xiǎng）組織是葉（yè）根、葉身和葉（yè）冠，都由毫無缺陷的多相單晶體組成（chéng）。
這種改（gǎi）進不僅可（kě）提高葉片的耐高溫性能，還能延長（zhǎng）葉片在高溫條（tiáo）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（měi）國首先用在軍（jun1）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發動機上使（shǐ）用（yòng）PWA1480單（dān）晶葉片.
從此，定（dìng）向和單（dān）晶葉（yè）片成為各類先進發動機的重要（yào）特色，定向（xiàng）凝固技術的發展使鑄造高溫合金承溫能力（lì）大幅度提高.80年代後（hòu）發動機（jī）推重比由8提高至10，渦輪葉片開（kāi）始用第一代單晶高（gāo）溫合金PWA1480和RenéN4等。
隨後采用第二代單晶合金PWA1484，在1100℃、100h持久強度達140MPa。20世紀90年代後研製第三代單晶（jīng）合金有RenéN6、CMRX-10、添加（jiā）錸(5%～7%)或鎢（wū）和鉭等元素，提高合金的熔點、初（chū）熔溫度、使用溫度。
研究表明（míng），第3代（dài）單晶高溫合（hé）金CMSX-10比第2代單晶（jīng）合金CMSX-4具有十分明顯的蠕變強度優（yōu）勢。通過葉片內孔冷卻(≥400℃)和表麵隔熱塗層(≥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（jīn）在1200℃，100h持久強度達100MPa。1550℃以（yǐ）下陶瓷複（fù）合材料及（jí）1650℃以上C/C複合材（cái）料是渦輪葉片和導向葉片的後（hòu）繼材料。
英國（guó）RR公（gōng）司近年研製的第四代單晶合金RR3010的承溫能（néng）力比定向柱晶合金約高100℃。
目前幾乎所有先進（jìn）航空發動機都以采用單晶葉（yè）片為特色,正在研製中的推重比為10的發動機F119(美),F120(美),GE90(美)，M88-2(法),P2000(俄)以及其他新（xīn）型發動機都采用單晶高溫合金製作渦輪葉片。
美（měi）國的Howmet公（gōng）司、GE公司、PCC公司、Allison公司以及（jí）英國RR公（gōng）司,法國的CNECMA公（gōng）司,俄羅（luó）斯的SALUT發動機製造廠等廠商均大量生產單晶零件（jiàn）,品（pǐn）種包括渦輪葉片、導向（xiàng）葉片、葉片內外環（huán）、噴嘴扇形段、封嚴塊、燃油噴（pēn）嘴等（děng）,用於軍用和商用飛機（jī）、坦（tǎn）克、艦船、工業燃氣輪機、導（dǎo）彈、火箭、航天飛機等。
渦（wō）輪葉片製造（zào）技術
渦輪葉片的發展經曆了細晶強化、定向凝固和鑄造單晶三個階段。
半個（gè）多世（shì）紀以（yǐ）來，渦輪葉片（piàn）的承溫能（néng）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（niè）基高溫合金單晶葉片與定向凝固葉（yè）片相比可提高工作溫度25℃~50℃，而每提高25℃從工（gōng）作效率的角（jiǎo）度來（lái）說就相當於提高葉片工作壽命3倍之多。
應（yīng）該說，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉（yè）片設計和（hé）加工以及表麵塗層各方麵共同發（fā）展所做出的（de）共同貢獻。
現代（dài）航空發動機渦（wō）輪前（qián）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（wō）輪葉片根本無法承受如此高的（de）溫度，甚至會被（bèi）熔化，無（wú）法有效地工作。
單（dān）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（néng）主要取決於整個葉片隻有一個晶體，從而消除了等軸晶和定（dìng）向結晶葉片多晶體結構造成晶（jīng）界間在高溫性能方麵的缺陷。
單晶葉片的凝固缺陷
單晶（jīng）渦輪葉片是（shì）目前航空發（fā）動機所有零件中（zhōng）製造工序最多、周期（qī）最長、合格率最低、國外（wài）封鎖和壟（lǒng）斷最（zuì）為嚴格的發動機零件。
製造單晶渦輪葉片的工序包括壓芯、修芯、型（xíng）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（yàn）、蠟模壁厚檢測、蠟模修整、蠟模組合、引晶（jīng）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（chuī）砂、初檢、熒（yíng）光檢查、脫芯、打磨、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（yè）片壁厚檢測、終檢等製（zhì）造（zào）環節。
除此之外，還必須完成渦輪葉片精鑄模具設計和（hé）製造工作。
砂塵衝蝕測試
葉片三維數（shù）據（jù）型麵檢測
高（gāo）溫合金單晶化工藝
從加工工藝上來分（fèn），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（gāo）溫（wēn）合金有了（le）很大的（de）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（shí）際生產的需要（yào）和充分發揮鑄造合金的綜合性能，采用了一些措施來控製晶粒度、改善枝晶偏析和（hé）冶金缺（quē）陷。
各（gè）種渦輪工作葉片的晶體結構
高溫合金單（dān）晶化的方法通常分為液相法，氣相法，和固相法（fǎ）三種。概括起來（lái）就是控製形（xíng）核和抑製生長。為了使鑄件單晶化，必須嚴格（gé）控製凝固（gù）時間的溫（wēn）度梯（tī）度。
1）液相法
液相（xiàng）法是從液體（tǐ）中結晶出單晶體的方法。
基本原理是設法使液體結晶時隻有一個晶核形成並長大，它可以是事先（xiān）製備好的籽晶（小尺寸單晶），也可以是（shì）在液體中析出的晶核。
液體（tǐ）可（kě）以（yǐ）是（shì）水溶液，但（dàn）更多的是高溫（wēn）下的熔體。
其中垂直提拉法是製備大尺寸（cùn）單晶矽（重達十幾公斤）的主要方法。先將材料放入坩堝熔化，將（jiāng）籽晶放在籽晶杆上，下降到與熔體接觸，然後使坩堝溫度緩慢下降，並向上（shàng）旋轉提拉籽晶杆，這樣液體以籽晶為核心不斷長大，形成單晶體。
為保證材料純度，避（bì）免（miǎn）非均勻形核，全部（bù）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（xíng）核法，其原理（lǐ）是將材料放入具有尖底的容器中熔化，然後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，並不斷長大，形成單晶體。
尖端（duān）形核法示意參考
2）選（xuǎn）晶法
選晶法的原理是具有狹窄截麵的選晶器隻允許一個（gè）品粒長（zhǎng）出它的頂部,然後這個（gè）晶粒長（zhǎng）滿整個鑄型型腔,從而得到整（zhěng）體隻有一（yī）個晶粒的（de）單晶部件。
選晶法是單（dān）晶高溫合金葉片製備中（zhōng）最基本的工藝（yì）方法,選晶行為（wéi）對單晶凝固組織以及（jí）單晶缺陷的形成有重要影響,最終作用於合（hé）金（jīn）的力學性能。
通常把常（cháng）見的單晶選晶器歸納為4種（zhǒng）類型:轉折型、傾（qīng）斜型、尺度限製型(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（xuǎn）晶器類型。
3）籽晶法
製取單晶的另一種方法是籽晶法材（cái）料和要鑄造部件相同（tóng）的籽晶安放在模殼的最（zuì）底端,它是金屬和水冷卻銅（tóng）板接觸的唯一部分（fèn）。
具有一定（dìng）過熱的熔融金屬液在籽晶的上（shàng）部流（liú）過（guò）,使籽晶部分熔化,這就避免了由於籽晶表麵不連續或加（jiā）工後的殘（cán）餘應力引發的再（zài）結晶所造成的等（děng）軸晶（jīng）形核。
同時，過熱（rè）熔（róng）融金屬的熱量把模殼溫度升高到了合金的熔點（diǎn）以上,防止了在模殼壁上形成新的晶粒。金屬熔液就從剩餘（yú）的籽晶部分發（fā）生（shēng）外延生長,凝固成三維取向和籽晶相同的單晶體。
4）氣相法（fǎ）
直接從氣體中凝固或（huò）利用氣相（xiàng）化學反應製備單晶體的方（fāng）法。包括升華法（如硫化鎘和硫化鋅單晶）、氣相（xiàng）反（fǎn）應法（如氧化鋅（xīn）、氮（dàn）化鋁（lǚ）和（hé）氮化釩單晶）、氣（qì）相分解法（如低價氧化物和金屬單晶）、氣相外延法（如（rú）砷（shēn）化镓、磷化镓、砷化銦和磷化銦單晶）。
化學氣相沉積合成石墨烯
應用差（chà）距
國內外各時（shí）期典型葉片材料的使用溫（wēn）度對比
羅.羅公司的（de）Trent800發動機的渦輪葉片使用第（dì）三代單（dān）晶合（hé）金CMSX-10製造，工作溫度達（dá）1204℃。我國第一代單晶合（hé）金為DD3，於20世（shì）紀90年代用於航（háng）空（kōng）發動機渦輪葉（yè）片，該合金相當於美國第一代單（dān）晶合金PWA1480。
我國第二（èr）代單晶（jīng）合（hé）金DD6也用於航空發動機渦輪葉（yè）片。
目前先（xiān）進的燃氣渦輪發動機幾乎都采用（yòng）單晶鑄造（zào）合金葉片（piàn）。
單晶高溫合金是迄今在先進發動機中用（yòng）作渦輪葉片的重要（yào）材料，承受著最苛刻的工作條件（jiàn），從（cóng）F100-PW-220發動機用於PWA1480第一（yī）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（wēn）度提高了80℃，接（jiē）近材料（liào）的初熔溫度。美國普惠公司建立（lì）了單（dān）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（dān）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（jī）、米格-29、蘇-27等。
單晶渦輪葉片，目前世界（jiè）上隻有美國、俄羅斯、英國、法國、中國等少數幾個國家能夠製造。近年來（lái），國內在單晶（jīng）渦輪葉片製造中也（yě）取得（dé）了較大的進（jìn）步，研製並批量生產了高功重比渦軸發動機單晶渦輪葉片。
展望未來（lái）
20世（shì）紀70年代以來,各國都對其他係列的高溫材料進行過大（dà）量（liàng）的研（yán）究,但（dàn）是,迄今還沒（méi）有一類材料能像（xiàng）鑄造高溫合金這樣具有良好（hǎo）的綜合性能。
在本（běn）世紀,通過優化的合金設計,再加（jiā）上定向工藝的繼續進步,將研究出（chū）超過現有合金強度和承溫能力的單晶高溫合金。
在（zài）本世紀的相當（dāng）長時期內,單晶合金（jīn）仍將是（shì）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（gū）計在不遠的將來（lái），新的、性能更好的、采（cǎi）用陶瓷材（cái）料製造的渦輪工作（zuò）葉片及（jí）用（yòng）其他新技術裝備起來的（de）航空發動機可望投入使用，到那時軍、民（mín）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（háng）空工業水平的高低，就算報廢不（bú）裝機使用的退役葉片都具（jù）有較高的收藏價值（zhí）和教學科研價值，而且市場流（liú）通的量非常有限，價值不菲。
五、結（jié）語
精密特種加工技術作為未來製造業的重要發展方向之一，正以（yǐ）其高精度、高效率（lǜ）和高靈活性的特點引領著製造業的轉型升級。我們有理由相信，在不久的將來，精密特種加工技術www.xjssy.cn將為我們帶來更多驚喜和變革，推（tuī）動製造業邁向更加美好的未來。
（來源於網絡，如有侵權，來電刪除！）
