涡轮叶片的材料和制造工艺

涡轮叶片的材料和制造工艺涡轮叶片是航空发动机的关键件，其承受温度的能力是评价发动机性能和决定发动机寿命上的重要因素，为了使涡轮叶片获得高耐温能力，应从两方面进行考虑：铸造工艺和叶片材料。涡轮叶片的工作环境极其恶劣，一方面叶片的工作温度很高，对于航机的涡轮进口温度最高已达1950℃,因此要求叶片材料在高温下应具有较高的持久强度和蠕变强度，足够的韧性，良好的抗热疲劳和机械疲劳性能，以及较高的抗高温氧化和抗热腐蚀能力。另一方面，由于叶片承受温度的不均匀性，使其存在很高的热应力，并且燃机在变工况时将承受很大的热冲击，所以要求叶片拥有耐热冲击能力。随着大推力、高效率、长寿命的涡轮发动机的发展，需要不断提高涡轮进口燃气温度，为适应这一要求，无论叶片结构还是叶片材料都应不断改进以提高其耐高温能力。无余量熔模精密铸造目前为涡轮叶片制造的最佳手段。其工艺流程主要包括型芯模具的设计与制造、压制型芯、蜡模模具的设计与制造、装配注蜡、涂浆制壳、干燥型壳、脱蜡、烧结、浇注金属、脱壳脱芯、激光打孔等环节。模具的设计定型：1、精铸模具型腔体设计，首先建立叶片零件模型，包括叶身、缘板、榫头伸根的内型特征，以此构建叶身实体。此后进行叶片的多态模型转化，由叶片零件模型转化到型腔体模型。2、型腔优化及精铸仿真，根据铸件的收缩原理采用反变形优化工艺方法对型腔进行放型最终得到模具型腔。3、精铸模具结构设计与制造，确定核心包络块并设计叶片精铸模具模架，再由模具标准件经机械加工、表面处理、装配、检测、修模到定型。模具结构的合理性和尺寸精度对于熔模精铸件十分重要。设计制造高质量的内外型模具即精铸模具就成为精密熔模铸造技术的关键。陶瓷型芯的制造：在叶片蜡型压制之前是需制作设计陶瓷型芯模具，并压制合格陶瓷型芯。陶瓷型芯的制备包括浆料的配制、型芯压制、型芯素肧的修理、烧结、强化及其过程质量控制与检验等。决定浆料性能的因素有陶瓷粉料的成分与颗粒形状、增塑剂的成分和性质、粉料和增塑剂的比例等。陶瓷型芯的质量很大程度上取决于素胚的压制质量，压制压力、锁模压力、浆料温度、保压时间等是影响陶瓷型芯压制质量的主要原因。蜡模的制造工艺：合格的蜡型是制备精密铸件的前提，压制蜡型时，将陶芯放入蜡型模具中，并依靠定位元件对其定位。生产中大多采用压力把糊状模料压入压型的方法制造熔模。压制蜡基模料时，分型剂可为机油、松节油等；分型剂层越薄越好，使熔模能更好地复制压型的表面，提高熔模的表面光洁度。模料压制温度、压注压力、保压时间、压型温度、和模力、分型剂种类及其用量，以及制模和存放熔模的环境都会影响蜡模的质量。熔模铸型的制造工艺：首先是熔模的组装，把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要采用焊接法，用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。后再经过若干次涂料、挂砂，干燥硬化，密封加固，脱蜡，焙烧最终制成型壳。型壳的性能与质量取决于面层与加固层材料的性能、相应涂挂工艺和过程控制。合金浇铸工艺：高温合金熔模精密铸造广泛使用真空感应熔炼浇注。影响其工艺的主要因素有母合金棒锭的质量，熔炼浇注用陶瓷制件的质量，浇注工艺参数（浇注温度、浇注速度、型壳温度、冷却速度）。影响涡轮叶片精铸尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等。采用模具型腔反变形补偿方法是提高涡轮叶片精铸尺寸精度的一个有效手段。铸造中，浇注后叶片的尺寸变形最大，高温液态合金注入模壳后，随温度的降低，会产生收缩变形，同时会产生弯曲变形和弯扭变形。为了有效地防止变形的产生，采用在传统的模具设计时考虑对收缩变形的补偿，通过数值模拟方法或者经验方法获得变形量，然后向与变形相反的方向预留一定的变形量，这样在变形后就会获得与设计模型一致的铸件。由于涡轮叶片外形复杂，仅采用一次位移场补偿的方法，很难达到精度要求。可以通过迭代法可以较为精确地逼近外形。涡轮进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比能够提高10％左右。据报道，自20世纪60年代中期至80年代中期，涡轮进口温度平均每年提高15℃，其中材料所做出的贡献在7℃左右。可见，材料的发展对提高涡轮进口温度起到了至关重要的作用。20世纪60年代以来，由于真空冶炼技术水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑形，提高了合金的热疲劳性能。到20世纪80年代，随着单晶合金材料在涡轮叶片上成熟应用，更推动了涡轮叶片用材料的又一次革命。但是单晶叶片制造工序繁多，过程复杂，在表面处理、气膜孔加工、喷涂涂层等过程中非常容易产生外来应力，使其在后续长时间的高温使用过程中也有可能出现再结晶现象，为发动机涡轮叶片的安全可靠使用带来了潜在威胁。目前航空发达国家正在发展冷却效果达到0.75以上的层板、发散等先进涡轮叶片冷却方式，但随着冷却技术的不断改进，叶片内部的结构愈发复杂，对于涡轮叶片的材料设计和制造工艺设计提出了更高的挑战。提高涡轮叶片的耐高温能力是我们的追求，目前解决这一问题的主要手段之一是在涡轮叶片表面采用热障涂层技术，热障涂层技术的基本设计思想是利用陶瓷材料优越的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能使其以涂层形式和基体复合，以提高结构件抵抗高温腐蚀的能力。即研制既具有相当隔热效果又可经受长期高温氧化腐蚀的陶瓷热障涂层，通过将低导热性、耐高温的陶瓷材料以涂层的方式沉积到高温合金基体表面以达到隔热和降低工件表面工作温度的目的。热障涂层的应用可提高涡轮前燃气温度或减少冷却空气量，从而提高发动机性能或推力。国外热障涂层系统一般是两层结构，外层为隔热陶瓷层，利用其较低的热传导性和基体自带的冷却系统，可在陶瓷中产生较大的温度降。内层为粘结层，可以改善陶瓷层与金属基体的粘结性能，同时也具有抗氧化功能，保护叶片基体免受氧化侵害。我国在热障涂层研制方面起步较晚，目前我国的热障涂层技术也有了较大的进步，热障涂层已经应用于发动机燃烧室、喷口、涡轮叶片等处，涡轮叶片上热障涂层的制备方法，等离子喷涂热障涂层的工作原理是通过电离形成等离子气流，温度可达2000℃，能在很短时间内迅速将涂层材料熔化或软化，然后以很高的速度(可达200m/s)喷在预热的基体或已喷的涂层上，涂层与基体的结合方式主要是机械锁定。这种方法的优点是喷涂速度快，生产效率高，零件尺寸不受真空容器的体积限制，可以很大；缺点是不易用来喷涂形状复杂的零件，喷涂厚度不均匀，表面较粗糙，结合不牢，涂层寿命较低，因此不适于在对表面粗糙度和寿命都有很高要求的航空发动机涡轮叶片上应用。从单晶合金的发展来看，使用温度已经超过了1200℃，与合金的初熔温度相比仅有不足200℃的差距，镍铝金属间化合物与铌-硅基合金是二种有希望成为新一代超高温材料的新型高温合金，它们的密度不足镍基高温合金的4/5，采用这两种合金制造的高压涡轮叶片估计能够使转子质量减轻30%左右。但它们也有两个致命的缺点，即抗氧化性能差和高温强度相对较低，目前的材料不能满足未来新一代战斗机发动机的设计使用要求，涡轮叶片用的材料的第三次革命还须等待，在未来一段时间内，先进单晶合金仍然是高性能航空燃气涡轮发动机涡轮叶片的主导材料。涡轮叶片的材料以及其加工工艺是未来制造出高性能发动机所必须要发展的。由于其工作环境的恶劣程度，涡轮叶片的制造制约着整个发动机的发展。