飞机空发动机叶片(从高温合金到单晶合金+复合冷却，)

涡轮叶片是整架飞机的“核心中的核心”。

众所周知，aero 空发动机是整个飞机的核心，其性能直接决定了飞机的整体性能，因此aero 空发动机也被称为“工业皇冠上的明珠”。在aero 空燃气涡轮发动机中，涡轮叶片是最恶劣的工作环境和最复杂的应力。同时，涡轮叶片也是aero 空发动机在体积小、重量轻方面获得高性能的关键点。所以，如果说aero 空发动机是整架飞机的核心，那么涡轮叶片就是整架飞机的“核心中的核心”！

J -20发动机尾喷管

对于aero 空发动机，温度的升高会提高热效率。相关研究表明，在涡轮前温度为55℃，其他条件不变的情况下，aero 空发动机推力可提高10%左右。因此，在高性能的aero 空发动机不断追求高推力、高推重比的情况下，提高涡流前轮温度自然成为aero 空发动机蓬勃发展的方向，涡轮前温度的提高是基于材料性能(耐久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳性等)的提高。)的高温涡轮叶片。

大涵道比涡扇发动机分析图

但在aero 空发动机不断发展的过程中，涡流前轮温度(叶片工作温度)的发展速度远快于涡轮叶片材料的轴承温度。按照目前的技术水平，航空空发动机中一个“裸”涡轮叶片的轴承温度在中最多只有1100℃左右，但叶片的工作温度已经达到了1700℃。两者的区别离不开涡轮叶片各种冷却技术的发展。

涡轮部件结构和截面图

高温合金的应用迎来了涡轮叶片的第一次革命。

航空空发动机涡轮叶片材料的第一次革命始于高温合金的出现。20世纪40年代，第一种高温合金被开发出来。随后，该高温合金以其优异的高温性能完全取代了以往的高温不锈钢，并于20世纪50年代应用于第一代航空空燃气涡轮发动机。此时高温合金涡轮叶片的使用温度达到800℃，因为轴承温度与工作温度相差不大。

航空发动机叶片

定向合金大大提高了叶片的轴承温度。

到20世纪60年代，true 空铸造技术的应用是高温合金发展史上最重要的事件之一。true 空铸造大大降低了对高温合金性能有害的杂质含量，提高了合金的纯度，促进了叶片的各种特性。后来为了解决合金中的“塑槽”问题，还发明了定向凝固合金技术，因为定向凝固使合金的结晶方向与叶片主应力轴方向平行，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，提高了合金叶片的塑性和热疲劳性能。

不同工艺下涡轮叶片的性能比较

此时定向铸造高温合金制成的涡轮叶片轴承温度已达到1000℃(约1273K)，较上一代高温合金提高约200℃，第二代航空空燃气涡轮发动机涡轮前温度已达到1300K-1500K，航空空

第一代单晶合金+气膜冷却技术

20世纪70年代，合金化理论和热处理技术取得突破。此时，该技术可以在定向凝固合金的基础上完全消除晶界。由此，单晶合金涡轮叶片的制造技术诞生，也掀起了涡轮叶片所用材料的第二次革命，进一步提高了合金叶片的热强度(约30℃)，涡轮叶片的轴承温度达到1050℃左右(约1323K)。

不同工艺叶片的微观比较

然而，第三代航空空燃气涡轮发动机的要求也使涡轮叶片的工作温度和载荷温度进一步加宽，因此涡轮叶片的冷却技术受到重视。通过在叶片上设计冷却通道和孔，然后将压气机中几百摄氏度的“低温气体”引入涡轮叶片，再从叶片表面的冷却孔喷出，形成气膜，可以将温度较低的涡轮叶片与其工作环境中的高温气体隔离开来，即气膜冷却技术。

发动机叶片上冷却孔的特写

随着气膜冷却技术的应用，涡轮叶片的工作温度可以远高于叶片材料本身承载温度。因此在第一代单晶合金+单通道气膜冷却技术的综合应用下，第三代aero 空发动机涡轮前温度达到1680K-1750K，开始出现推重比8的涡扇发动机(目前涡扇-10在这一代)。

第二代单晶合金+复合冷却技术

到上世纪末，第五代战斗机提出了“超音速巡航”的要求，发动机的推重比和推力需要进一步提高。在第二代单晶合金中加入铼、钴、钼等元素，进一步提高了涡轮叶片合金的组织稳定性，持久强度和抗腐蚀能力达到了很好的平衡，使其轴承温度再次提高30℃左右，达到1100℃左右(1370K左右)的水平。

涡轮叶片材料的发展

此时，通过改善材料性能来提高涡轮叶片的工作温度已经变得困难，单通道气膜冷却技术开始不足。具有多种冷却技术(对流、冲击、气膜结构、发散冷却等)的复合冷却技术。)已经开发出来了。目前，涡轮叶片联合冷却可使叶片工作温度(涡轮前温度)比负荷温度高400K左右，达到1850 K-1980 K。

叶片冷却技术的发展

第二代单晶合金结合复合冷却技术的涡轮叶片已应用于主流的第四代aero 空发动机(主要是F-119和EJ-200发动机)。

第三代单晶合金/陶瓷基复合材料+多通道双层空芯壁冷却技术

目前，第六代战斗机的研发已经提上日程，但关于第五代燃气涡轮发动机的信息还比较少。根据近年来相关技术的突破，合金元素成分进一步优化的第三代单晶合金和新型陶瓷基复合材料将成为第五代燃气涡轮发动机叶片的首选材料，其中陶瓷基复合材料的提升更为明显(轴承温度可达1200℃，重量仅为镍基单晶合金的1/3)。

不同代发动机涡轮叶片的发展

另一方面，在下一代涡轮叶片冷却技术中，涡轮叶片中的冷却通道将进一步增加，使叶片散射更加均匀。采用双层空芯壁冷却技术，在涡轮叶片双层夹板上增加空结构，可进一步提高冷却效率。由于多通道双层空芯壁冷却技术的研究相对复杂，目前国内在该领域的研究相对较少。

涂覆涡轮叶片

航空空发动机涡轮叶片发展综述与展望

一般来说，航空空发动机涡轮叶片材料的制造和优化是一个极其复杂的过程，需要大量的实验来寻找最佳或接近最佳的成分比。涡轮叶片冷却方案的优化是以设计和制造为基础的，涡轮叶片冷却技术的每一次优化也是对叶片设计和制造的一次巨大考验。所以说单晶体刀片的价格超过同等重量的黄金也不为过。

通用电气展示的陶瓷基复合材料涡轮叶片

从aero 空发动机涡轮叶片的发展历史来看，开发更耐高温的涡轮叶片是提高发动机性能的关键。然而，经过几十年的发展，单晶合金叶片的潜力似乎已经耗尽。为了进一步提高aero 空发动机的性能，寻找新的方向已经成为开发涡轮叶片的选择。虽然aero 空发动机涡轮叶片的冷却技术还有很大的优化空间空，但无疑会进入一个化的步骤，增加叶片的制造难度。