“微觀”航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

滕超逸

中國(guó)航發(fā)北京航空材料? ? ? ? ?研究院

每朵雪花中蘊(yùn)藏了萬(wàn)千變化，每片葉子同樣也不遑多讓。今天，讓我們來欣賞一款特殊的葉子：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。別看這小小的葉片，內(nèi)有大乾坤，它幾乎見證了我國(guó)幾代航空人近百年的篳路藍(lán)縷與不懈奮斗。

走進(jìn)新時(shí)代，習(xí)近平總書記站在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)一百年奮斗目標(biāo)的戰(zhàn)略全局發(fā)出了建設(shè)世界航空強(qiáng)國(guó)的偉大號(hào)召。什么能夠標(biāo)志一個(gè)國(guó)家的航空實(shí)力甚至整個(gè)國(guó)家的工業(yè)實(shí)力呢？那就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)！作為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠和工業(yè)之花，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力，是飛機(jī)的心臟！

發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中最重要、數(shù)量最龐大的一款零件就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。按照功能和工作部件，葉片可分為風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片。而無論哪款葉片，它們都面臨一個(gè)共同的問題，那就是工作環(huán)境極為嚴(yán)苛。

正是通過葉片的高速旋轉(zhuǎn)，將高溫高壓氣體吸入燃燒室內(nèi)，才能維持整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給飛行器提供足夠的動(dòng)力。而且，葉片在工作過程中，長(zhǎng)期經(jīng)受著各種機(jī)油、冷卻液的沖刷。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作環(huán)境可總結(jié)為“三高一腐蝕”，即高溫、高速、高壓、腐蝕。在這樣的惡劣環(huán)境下，葉片損傷乃至失效的案例時(shí)有發(fā)生，例如因高溫產(chǎn)生的燒蝕，因外力或者內(nèi)應(yīng)力而造成的開裂、斷裂，或是因液體工作環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕等。

因此，提升整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵，在于如何賦予發(fā)動(dòng)機(jī)葉片更高的耐熱能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，航空人在葉片的微觀組織中一個(gè)叫作晶界的地方發(fā)現(xiàn)了解決辦法。

回顧整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的發(fā)展歷程，對(duì)于晶界的控制貫穿始終。那晶界究竟是什 么？

以初代高溫合金葉片——等軸晶葉片為例，它由多個(gè)大小相近的晶粒組成，等軸晶葉片就好比一塊水泥與許多石子隨機(jī)混合的混凝土，石子是晶粒，晶粒與晶粒之間的水泥便是晶界。在高溫條件下，水泥強(qiáng)度低于內(nèi)部石子，于是遇上高溫，晶界開始軟化，再遇上發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作時(shí)巨大的離心力，葉片就會(huì)在晶界的位置出現(xiàn)開裂。在等軸晶葉片發(fā)展初期，其承溫能力大概在800攝氏度，看起來似乎已經(jīng)很高了，但航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，燃燒室內(nèi)的最高溫度可達(dá)到2000攝氏度，顯然，這樣的葉片還無法滿足要求。

為了提高葉片的耐熱性，20世紀(jì)60年代，定向凝固技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，也成就了定向晶葉片。沿用之前的比喻，定向晶葉片中就不再是小石子了，而是一個(gè)個(gè)沿著徑向方向接近條狀的石頭，石頭與石頭間同樣由水泥粘合。這種結(jié)構(gòu)極大地削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)過程中離心力對(duì)葉片的破壞作用，因此定向晶葉片可承載接近1000攝氏度的高溫。然而，這種葉片對(duì)橫向的力仍然沒有足夠的抵抗能力。

為了進(jìn)一步改善葉片性能，20世紀(jì)70年代，終于迎來了我們的第一片單晶高溫合金葉片。單晶，顧名思義，一個(gè)葉片只有一個(gè)晶粒。這下葉片就不再是混凝土，而是一整塊沒有任何水泥摻雜的長(zhǎng)條形的石頭，其性能可想而知。時(shí)至今日，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)進(jìn)入第五代單晶葉片的研制階段，其承溫能力直指1200攝氏度，這將極大推進(jìn)我國(guó)航空強(qiáng)國(guó)建設(shè)，創(chuàng)造航空事業(yè)新的輝煌。