一"叶"一世界 匠心独运的大发叶片制造工艺

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　　叶片家族

　　航空发动机基本类型有涡轮喷气、涡轮螺旋桨、涡轮轴、涡轮风扇发动机等。这几类发动机主要差别在于将高温燃气所具有的能量转换成飞机动力的原理不同。高温高压燃气使涡轮运转，靠的是涡轮叶片。高压气体的产生，靠的是压气机叶片的增压。这些安装在发动机转子和静子上具有符合气动要求和不同翼型截面的薄壁零件就是航空发动机叶片。


　　叶片的作用在于与发动机腔体配合形成空气或燃气截面及方向的不断变化，与主轴或涡轮盘等配合实现燃气的高温压缩，同时保证燃气的高速流动并转换成所需要的飞机运动动力。

　　叶片家族肩负重则，工作强度自然不容小觑。发动机工作过程中，叶片要受到离心力、空气燃气产生的气动力、热应力、交变力、随机载荷等等，各种载荷的作用下，叶片极易产生高周疲劳、热疲劳、低周大应力疲劳损坏，为了保证工作质量、工作效率，叶片的选材工艺都十分讲究。


　　按照叶片的分工，叶片可以分为压气机叶片和涡轮叶片，对于涡扇发动机，压气机叶片又分为风扇叶片和高压压气机叶片。以我们的大发为例，就有风扇叶片、增压级叶片、高压压气机叶片，高压涡轮叶片，低压涡轮叶片。按照工作状态的不同，叶片又可以分为转子叶片(工作叶片，简称动叶)和静子叶片(整流叶片，简称静叶)。静叶和动叶弯曲方向相反，就是为了完成整流作用或导向作用。


　　叶片的材料有铝合金、不锈钢钢、钛合金、高温合金和复合材料叶片等等。具体的选材要综合考虑工作温度、强度、状态以及重量多个因素。当然，作为商业用航空发动机的大发，勤俭持家也很重要，所以经济性也要考虑。压气机叶片工作温度相对较低，一般采用钛合金、不锈钢等材料。钛合金，因其比重低、比强度高、耐腐蚀，在减重方面贡献出众，所以被大量采用。值得一提的是，大个头的风扇叶片就采用了钛合金材料，这个大家伙身高超过700mm，宽度超过400mm。巧夺天工的攻城狮们利用钛合金材料的特点，为其量身设计了内部桁架结构，将钛合金的面板、芯板通过加工、丝网印刷、高温高压扩散连接、热扭转、热校形、超速成形、抛光等工序加工成一片合格的风扇叶片。






　　涡轮叶片工作温度高，均采用高温合金，随着发动机性能的提升，逐步发展到了定向结晶和单晶材料的叶片，大家一定还没有忘了上期的单晶小子吧，他就是极佳的涡轮叶片材料。涡轮叶片个头没有那么大，但是心思极为巧妙。外表看起来一般长这样。


　　内部为了抵抗工作高温，结构设计及其复杂。

图：复杂的涡轮叶片

　　疑问来了，为什么要设计如此复杂的结构?答案是降温。这么复杂的结构如何做出来呢?这得先来讨论两种材料制造方法，锻造和铸造。

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　锻铸造：千锤百炼出神器

　　锻造

　　锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有特定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造是一种非常古老的金属加工工艺，从远古时代起人类就开始通过锻造工艺来制造金属刀剑，以及通过锻造来改变金属的性质。

　　金属零件经过锻造方法热加工变形后，由于金属的变形和再结晶，原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等缺陷得到了压实和焊合，组织变得更加紧密，提高了金属零件的塑性和力学性能。同时锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使得锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，具有更好的力学性能和更长的使用寿命。所以，锻造零件的机械性能一般优于同样材料的铸造、轧制零件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制板材、型材或焊接件外，多采用锻件。简约而不简单，就是锻造。

　　铸造

　　铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700~前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是指将固态金属溶化为液态倒入特定形状的铸型，待其凝固成形的加工方式。普通铸型的材料是原砂、黏土、水玻璃、树脂及其他辅助材料。

　　特种铸造的铸型包括：熔模铸造、消失模铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造等。中国商朝的重875公斤的后母戊方鼎就是古代铸造的代表作品。

　　锻造和铸造历史悠久，特点各异，叶片家族当然不会错过。而对于复杂结构的涡轮叶片来讲，铸造的优势显而易见，上一期单晶小子其实悄悄透漏了，他的杀手锏就是熔模铸造。整个流程是这样的，大家看图说话。经过蜡模组合、涂料、撒沙、脱蜡、焙烧、定向凝固、清壳、切割加工等工序，就得到了铸造叶片。

图：熔模铸造流程

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　特种工艺：螺蛳壳里作道场

　　叶片上密密麻麻的小孔，专业名称叫做气膜冷却孔，这些小孔的作用就是为了在叶片表面形成一层气膜从而对叶片进行冷却。这些小孔太小了，涡轮叶片上的气膜孔直径一般在0.25mm~0.8mm范围内。为了达到优良的冷却效果，这些小孔还具有不同的角度和形状，而且，孔的数量也是多的不要不要的，有些单个叶片上就要遍布几百个气膜孔。


　　对于叶片气膜孔加工，可以用电火花打孔、电液束打孔也可以用激光打孔。

　　电火花加工(ElectricalDischarge  Machining，简称EDM)，利用电、热能对零件进行加工，即利用工具电极和工件电极间瞬时火花放电所产生的高温来熔蚀材料。

图：电火花加工原理

　　电化学加工(ElectrochemicalMachining，简称ECM  )是利用金属在电解液中电化学反应的阳极溶解将工件加工成形。电化学加工包含电解加工、电解抛光、电镀加工、电铸加工、电解磨削和一些电化学复合加工。

图：电化学加工原理

　　激光加工(Lasermachining，简称LM)利用高能量密度的激光光束聚焦在工件上，使工件材料瞬间受热熔化、气化喷出而到达加工材料的目的。利用激光可以做切割、标刻、打孔、焊接、表面强化、激光熔覆修复以及现在最最热门的3D打印中的激光快速成形，而这些，在航空发动机中均有应用。

图：典型激光去除加工工艺

图：激光加工工艺在航空发动机中的应用

图：激光加工叶片气膜孔

　　电火花、电化学、激光加工在加工气膜孔各有利弊。

图：不同工艺加工气膜孔对比

　　气膜冷却孔的加工难点包括：精度要求高;加工效率低;异型孔加工;易出现重熔层、微裂纹;大深径比气膜孔加工;带涂层零件的气膜孔加工。

　　激光加工和电火花加工小孔的孔壁一般存在数十微米厚的再铸层,而且再铸层内通常也存在微裂纹,有的甚至进人基体。这些缺陷的存在直接影响叶片的疲劳寿命,更严重的会导致叶片在工作中疲劳断裂,其后果不堪设想。改善孔壁再铸层及微裂纹状况,满足高性能航空发动机涡轮叶片长寿命安全工作的需要,一直是加工气膜孔技术面临的主要问题。这时候电化学(电解)加工及超快激光加工的优势就凸显出来了。用于气膜孔加工的电化学加工方式主要有以下两种。

　　CD(ECF)毛细管加工，采用玻璃管内的金属丝电极，也就是我们所说的电液束打孔，加工孔直径范围在Φ0.20mm~Φ0.5mm，最大加工孔深15mm;

　　型管电极加工，采用中空的外壁涂有绝缘涂层的金属管作为电极，加工孔直径范围在Φ0.5mm~Φ5mm，最大加工孔深600mm。

　　这种方法最大的优势在于没有重熔层，但是局限性就在于只能加工导电材料，带涂层的叶片无法使用。

　　相比于电化学加工方法的局限性，激光加工小孔就不在乎材料了，包括叶片上面的不导电陶瓷涂层也不在话下，高能量必须妥妥的，但是再铸层极大限制了这种工艺的使用。超短脉冲激光出现了。与常规激光对比，超短脉冲激光的特点在于，可以加工出无重熔层的气膜孔哦。

　　超短脉冲激光也叫超快激光，就是脉宽接近或小于皮秒量级的激光。

　　皮秒和飞秒激光是目前已经用于加工气膜孔的两种激光类型。长脉冲激光通过高能量密度熔化、蒸发或升华去除表面物质，属热加工。而超短脉冲激光加工时，极高功率密度在极短时间内直接打断分子键，基本不产生热能，没有重熔层。

图：超短脉冲激光与长脉冲激光加工原理对比

　　利用这些新技能，涡轮叶片的小孔，当然也包括温度很高的燃烧室的小孔族们。不过这些方法看似解决了小孔加工中的重熔层问题，其实里面还有很多难点，例如，如何控制孔加工的精度，不打穿到孔的内壁。

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　　复合材料

　　复合材料(Composite  Materials)是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各组分材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原任何一种组分材料而满足更多领域的需求。

　　早在一千多年以前，我们的祖先就学会了用稻草或麦秸增强粘土，用泥土和干燥的植物(例如稻草)来制作土坯(又称土砖)。

　　使用了上百年的钢筋混凝土，都是由两种材料复合而成，这就是最常见的复合材料原理应用!另一类复合材料是自然的复合材料，例如人或动物的骨头、心脏、贝壳，以及各种植物的杆、枝、叶等都可以说是既古老又先进的自然复合材料的范例。

　　复合材料可分为三类：聚合物基复合材料(PMCs)、金属基复合材料(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)。用到叶片的复合材料主要是前两种。为了达到发动机的高推重比、低耗油率、低噪声、低维修成本的需要，世界各主要发动机厂商都在大力推广复合材料在大涵道比涡扇发动机上的使用。原因在于复合材料具有金属材料无法比拟的低密度、高比强度和高比刚度。

图：先进树脂基复合材料在航空发动机冷端上的应用是实现发动机减重增效的重要技术手段之一

图：树脂基复合材料叶片

　　金属基复合材料基体主要是铝、镍、镁、钛、铁等。其中以铝基复合材料发展最快成为金属基复合材料中的主流。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。

　　此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与基体合金相比,铝基复合材料具有许多优良的性能，例如低密度，良好的尺寸稳定性，增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时,降低了塑性，高的耐磨性是铝基复合材料的特点之一。

　　不过复材虽好，其性能取决于组分材料的性质和各组分材料之间结合面的性能，也就是说，复合材料的优良性能仅仅靠优质的组分材料是远远不够的。在复合材料中，增强相和基体相之间还存在着明显的结合面。位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域，称为复合材料的界面(Interface)。

图：复合材料的结合面

　　一个贴切比喻得将复材比作经营婚姻，这里也分享给大家。在复合材料的制备过程中，并非每种组分材料的某种性能越强越好，而是一定要讲究“相容性”和“匹配性”。

　　组分材料的相容性决定了某些材料不可能“组成”很好的复合材料，甚至连制备成功的可能性都没有，那就不能强求。而匹配性要求某种性能差别不能超出“优质结合的范围”，否则性能超强一方“感觉”性能闲置，而落后一方又“感到”难望对方项背，这样也同样得不到“经济的”优质复合材料。

　　对于经营婚姻同样如此。婚姻的质量(相当于材料的Performance)既取决于组成婚姻的双方的“性能”(Performance)，又不仅仅取决于双方各自的“性能”(Properties)。

　　根据组成复合材料的“相容性”原理，中国传统婚姻观中的“门当户对”还是有些道理的。一个人的成长环境就相当于材料的制备历史，一定会对最后性能的“背后的组织结构”留下深远的影响，只是一时没有被发现或当事人都没有意识到而已。

　　对于“匹配性”也应该做仔细而科学的分析判断，要避免双方某些“性能”的差距过大而使匹配失衡，造成婚姻的不稳定。其次，婚姻双方中有一方必须承担起“基体”的作用，能够“包容”对方，才能达到完美的结合。

　　一般说来，某方面性质强(Property)的一方应当是“增强相”，而另一方呢想尽一切办法去“主动结合增强相”——当材料整体遇到“压力”或“拉力”时，作为基体的一方首先“接到任务”，可以通过优质的结合面把载荷“传递”到增强相上去。至于夫妻双方谁承担“增强相”、谁充当“基体”就要视基体情况而定了。

袖手无言

长知识，辛苦，谢谢

YANG20099

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