高温合金单晶涡轮叶片的新发展

四角星航空材料研究中心：攻克高温合金单晶涡轮叶片量产关键技术

专访报道：四角星航空材料研究中心CEO刘培帅先生

2024年11月，四角星航空材料研究中心科研团队，通过多年时间的研制，成功攻克高温合金单晶涡轮叶片量产的关键技术，为后期高温合金单晶涡轮叶片。

航空发动机和地面燃气轮机被誉为现代工业的“皇冠”, 而在航空发动机中工作环境最为恶劣、应力最为复杂的就是涡轮叶片，他的制造不亚于当年氢弹的制造。

推重比、涡轮前温度、燃油消耗率是衡量发动机性能的主要指标，也是发动机分代的重要依据。航空发动机的发展趋势就是不断提高推重比和涡轮前温度，同时降低燃油消耗率。其中，提高涡轮前温度有助于提升航空发动机的推重比，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。随着涡轮前温度的逐步提高，涡轮叶片所用的材料及制造工艺的耐高温要求也日益苛刻。单晶涡轮叶片是目前先进航空发动机普遍所采用的涡轮叶片，单晶涡轮叶片的制造工艺非常复杂，需要掌握先进的制造设备和工艺流程。

为什么要研发高温合金单晶定向结晶叶片：

创新始于热爱，中国男人自小对于军工的热爱大于一切，早年看过一遍关于师昌绪院士的报道后，对航空发动机以及核心部件产生强大的热爱兴趣。为了这个兴趣，投入全部精力和资金建立了研究实验室，带领团队开展高温合金定向、单晶结晶技术。研究和开发单晶叶片技术耗费了大量的人力、物力和财力，经过不屑的努力，克服一道道难关，成功制作出符合要求的高温合金单晶涡轮叶片。

什么是单晶叶片：

高温合金的发展以提高涡轮叶片的承温能力为主要导向，经历了变形、普通 铸造、定向以及单晶高温合金四个阶段。对于多晶材料，晶粒与晶粒之间有晶界。在某些场合下，晶界对于材料性能提高有好处。但在上个世纪60年代，美国惠普公司发现对于涡轮叶片来说，晶界是个“坏孩子”。普通铸造多晶高温合金中与应力轴垂直的晶界是高温应力下产生裂纹的“源头”，所以必须减少晶界，由此发展了高温合金定向凝固技术。相比于等轴高温合金和定向高温合金，由于单晶高温合金优化了合金成分、消除了晶界等薄弱环节，使得叶片的承温能力和力学性能大幅提升。单晶叶片是只有一个晶粒的铸造叶片。 高温合金单晶叶片的制备主要通过选晶技术和籽晶技术来实现。

‌  单晶叶片是采用单晶高温合金为材料铸造的叶片‌。整个铸造叶片由一个晶粒组成，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，从而显著提高了合金的使用性能‌。

单晶高温合金是铸造高温合金的一种，具有优良的高温强度、抗蠕变性、抗疲劳性、抗氧化性和抗热腐蚀性，因此特别适用于单晶叶片的制造领域。这种合金的使用温度显著提升，能够满足航空发动机等高端机械设备在高温、高压条件下的工作要求‌。

具体来说，航空发动机叶片所使用的主要材料是镍基高温合金，通常称其为“超耐高温合金”。为了保持其强度并抵抗极端温度下的氧化，会添加其他难熔金属元素。在制造过程中，利用电磁铁产生强大的定向磁场，使未凝固的高温合金在定向磁场的作用下向同方向凝固，最后形成所有的分子排列一致的单晶体‌2。这种单晶叶片在航空发动机中靠近燃烧室，对结构材料的选择和制造工艺的要求极高，而单晶高温合金正是满足这些要求的理想材料。

制造单晶涡轮叶片的工序包括压芯、修芯、型芯烧结、型芯检验、型芯与外型模具的匹配、蜡模压注、蜡模X 光检验、蜡模壁厚检测、蜡模修整、蜡模组合、引晶系统系统及浇冒口组合、涂料撤砂、壳型干燥、壳型脱蜡、壳型焙烧、叶片浇注、单晶凝固、清壳吹砂、初检、荧光检查、脱芯、打磨、弦宽测量、叶片X 光检查、X 光底片检查、型面检查、精修叶片、叶片壁厚检测、终检

单晶叶片的重点工序：陶瓷芯制作  单晶定向凝固工序（真空定向凝固炉技术）

加工流程：打中心支撑孔、四轴加工中心开粗、数控曲线磨、机器人倒角、物理涂层（PCD）热障陶瓷涂层（TBC）通常TBC陶瓷涂层YSZ和NiCoCrAlY金属粘接层都可以通过大气等离子喷涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和电子束物理气相沉积Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法实现。NiCoCrAlY金属粘接层也可以通过真空等离子喷涂Vacuum Plasma Spray (VPS)来完成。

四角星航空 将继续坚持创新驱动发展战略，不断提升自主研发能力和核心竞争力，积极响应国家军民融合发展战略的号召，加强与行业相关单位的合作与交流，共同推动中国两机工业的高质量发展。

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