原標(biāo)題：成都航宇公司總工程師宋揚(yáng)、空軍某航修廠專業(yè)工程師侯廷紅為您解讀航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的奧秘——小小葉片如何驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)機(jī)飛行

航修廠技術(shù)人員采用激光增材技術(shù)修復(fù)葉片。羅九龍攝

前不久，國(guó)外一架民航客機(jī)在萬(wàn)米高空航行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)突然發(fā)生爆裂，部件碎片擊穿客機(jī)舷窗，導(dǎo)致飛機(jī)瞬間失壓。事后，有關(guān)部門調(diào)查稱，事故原因是發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片發(fā)生斷裂。

葉片是將燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)飛行動(dòng)能的關(guān)鍵零部件，加工難度大、質(zhì)量要求高。葉片一旦發(fā)生斷裂，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部造成連環(huán)破壞，給飛機(jī)帶來(lái)致命損傷。

無(wú)論是過去的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，還是現(xiàn)在的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，都是通過葉片對(duì)空氣壓縮做功，利用空氣反作用力，為飛機(jī)提供飛行動(dòng)能。從螺旋槳槳葉，到風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片歷經(jīng)多次更新迭代，變得質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、更耐高溫。

葉片制造工藝每一次革新進(jìn)步，都在推動(dòng)著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷躍升。看似小巧的“身板”，承載著人類孜孜以求的飛天夢(mèng)，也是國(guó)家軍事航空業(yè)發(fā)展壯大必須要邁過的一道“門檻”。

“小身板”能量大， 處處盡顯“科技范”

現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)多采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)前端的風(fēng)扇吸入空氣后，一部分空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)核心（也稱內(nèi)涵道），與燃料混合燃燒后排出；另一部分空氣進(jìn)入環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)核心的外涵道，不進(jìn)行燃燒，從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外殼向外噴出，形成推動(dòng)飛機(jī)飛行的動(dòng)能。

打開整流罩外殼，觀察發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片竟如此普通：不僅“長(zhǎng)相一般”，身材也略顯“矮小”。從前至后，一排排風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片錯(cuò)落排列。葉片排數(shù)與級(jí)數(shù)相同，排數(shù)越多、級(jí)數(shù)越大。

風(fēng)扇葉片是“三兄弟”中的“高個(gè)子”，位于軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最前端。為了適應(yīng)超音速飛行，戰(zhàn)機(jī)正面風(fēng)阻面積不宜過大，風(fēng)扇葉片尺寸設(shè)計(jì)有一定限制。因此，軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇通常有多級(jí)葉片，確保產(chǎn)生足夠大的推力。

此外，風(fēng)扇葉片的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是影響風(fēng)扇對(duì)空氣做功效率的重要因素。風(fēng)扇葉片經(jīng)歷了窄弦實(shí)心葉片、寬弦空心葉片、復(fù)合材料葉片和整體葉盤的發(fā)展歷程。由英國(guó)羅爾斯羅伊斯公司研發(fā)的EJ200渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)分體式葉片和輪盤相比，整體葉盤將葉片和輪盤設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)連接所需的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，減少了零件數(shù)量，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用新的寬弦、彎掠葉片和窄流道，進(jìn)一步提高了氣動(dòng)效率。

空氣經(jīng)過風(fēng)扇初步壓縮后，進(jìn)入壓氣機(jī)繼續(xù)加溫加壓。壓氣機(jī)葉片在“三兄弟”中最為“纖細(xì)”。葉片經(jīng)過精密鍛造、磨削拋光、表面強(qiáng)化等技術(shù)加工，被制成實(shí)心結(jié)構(gòu)。為了獲得更高的增壓比、產(chǎn)生更大推力，空氣通常需要經(jīng)過多級(jí)壓氣機(jī)葉片壓縮。

在EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)上，五級(jí)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。這一設(shè)計(jì)使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，發(fā)動(dòng)機(jī)重量減少30%以上。

壓氣機(jī)形成的高溫高壓氣體與燃料混合，燃燒生成高溫高壓燃?xì)?，推?dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)做功。渦輪葉片在“三兄弟”中堪稱“八面玲瓏”，面對(duì)高溫、高壓、腐蝕、磨損和復(fù)雜載荷等各種惡劣工況仍能應(yīng)對(duì)自如，而這一切都與它的“硬核”設(shè)計(jì)密不可分。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度非常高。如今，大多數(shù)渦輪葉片材料使用耐高溫性強(qiáng)的鎳基單晶高溫合金。除了單晶高溫合金，渦輪葉片上還應(yīng)用了氣冷空心結(jié)構(gòu)和陶瓷熱障涂層，既為葉片外部披上“防護(hù)服”，更在其內(nèi)部裝上“天然空調(diào)”，葉片的高溫防護(hù)能力明顯增強(qiáng)。各項(xiàng)新材料、新技術(shù)、新工藝不斷投入應(yīng)用，使得葉片小小的“身板”里滿滿都是“科技范”。

戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)力首先取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，而推力則取決于渦輪葉片的耐高溫能力

說(shuō)起來(lái)頗有些傳奇色彩，早期飛機(jī)上使用的螺旋槳，竟源自一次船舶航行試驗(yàn)的意外成果。

1837年，英國(guó)造船工程師史密斯等人駕駛“阿基米德”號(hào)蒸汽船展開航行試驗(yàn)。途中，螺旋推進(jìn)器在碰到水中障礙物后發(fā)生斷裂。盡管推進(jìn)器只剩下一小截，但船的航行速度卻比原來(lái)提高了一倍多。工程師們從中受到啟發(fā)，發(fā)明了螺旋槳的雛形。直到1903年，“飛行者一號(hào)”試飛成功，螺旋槳才正式在飛機(jī)上應(yīng)用。

最早的飛機(jī)螺旋槳采用木質(zhì)雙葉結(jié)構(gòu)，像兒時(shí)玩具“竹蜻蜓”。這種螺旋槳結(jié)構(gòu)在一戰(zhàn)時(shí)期的戰(zhàn)機(jī)上較為多見，英國(guó)“駱駝”式戰(zhàn)機(jī)就是其中代表。當(dāng)時(shí)，戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小，木質(zhì)雙葉螺旋槳已經(jīng)完全可以滿足其全部動(dòng)力。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率不斷提升，木質(zhì)雙葉結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)飛機(jī)高速飛行的要求，增加螺旋槳槳葉數(shù)成為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率、提高螺旋槳推力的常用方法。

進(jìn)入噴氣時(shí)代，螺旋槳槳葉逐漸退出歷史舞臺(tái)，取而代之的是集各種高科技于一身的渦輪葉片。

軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著直接影響。高壓渦輪進(jìn)口溫度每提升100℃，發(fā)動(dòng)機(jī)推力提升10%。因此，渦輪葉片的耐高溫能力越強(qiáng)，越有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

上世紀(jì)40年代，科學(xué)家成功研制出第一塊耐高溫合金，并應(yīng)用到第一代軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上。隨后，渦輪葉片經(jīng)歷了兩次重大變革：一是上世紀(jì)50年代出現(xiàn)的真空熔模鑄造技術(shù)，能夠大幅減少葉片有害雜質(zhì)含量；二是上世紀(jì)60年代興起的定向凝固合金技術(shù)，使葉片的熱疲勞性能得到明顯提升。研究人員將定向凝固高溫合金與簡(jiǎn)單的氣冷技術(shù)結(jié)合，打造出第二代軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。

20世紀(jì)70年代末，葉片制造工藝取得革命性突破，第一代單晶高溫合金葉片正式問世。單晶高溫合金葉片與單通道氣膜冷卻技術(shù)相結(jié)合，綜合運(yùn)用到第三代軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上，渦輪前溫度又一次得到大幅提升。

目前，新一代單晶高溫合金和新型陶瓷基復(fù)合材料相繼問世，多通道雙層空心壁冷卻技術(shù)也日趨成熟。渦輪葉片的材料結(jié)構(gòu)和制造工藝的變化，讓戰(zhàn)機(jī)飛行性能變得更加強(qiáng)大。

葉片快速修復(fù)，像壁虎長(zhǎng)出“尾巴”

戰(zhàn)機(jī)高速飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作條件是什么樣的呢？

以羅爾斯羅伊斯公司研發(fā)的RB211渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，風(fēng)扇葉片繞軸飛旋時(shí)，巨大的離心載荷相當(dāng)于一輛M1A1主戰(zhàn)坦克的重量。除離心載荷外，風(fēng)扇葉片還要面對(duì)氣動(dòng)載荷、交變負(fù)荷，以及與飛鳥、砂石等外物的“不期之遇”。

而渦輪葉片作為第一關(guān)鍵部件，要面對(duì)1000℃以上腐蝕燃?xì)獾恼鏇_擊，還要抵擋來(lái)自燃?xì)怆s質(zhì)的腐蝕。在這樣惡劣條件下，渦輪葉片難保“金剛不壞之身”，出現(xiàn)裂紋、磨損、性能下降等情況在所難免。以國(guó)內(nèi)某型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有2000多個(gè)葉片，如果磨損后一一更換，其費(fèi)用接近發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)采購(gòu)價(jià)的2/3。另外，葉片制造加工難度大、質(zhì)量要求高，其備件供應(yīng)周期難以保證，無(wú)法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的維修保障需求。

那么，能否像壁虎重新長(zhǎng)出“尾巴”，幫助發(fā)動(dòng)機(jī)葉片實(shí)現(xiàn)“快速再生”？

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件再制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)涵蓋表面處理、增材制造、焊接、熱處理、涂層加工等多項(xiàng)先進(jìn)工藝。經(jīng)過再制造技術(shù)修復(fù)的磨損零部件，質(zhì)量不低于新品。在國(guó)外，這一技術(shù)很早就已經(jīng)被應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片修復(fù)上。

每片葉片都有自己的“身份證”，誕生之初就會(huì)被打上標(biāo)簽。葉片每次磨損情況都將記入“病歷檔案”，并進(jìn)行存檔?！皰焯?hào)”登記完畢后，接下來(lái)葉片將被推進(jìn)“手術(shù)室”。一臺(tái)“手術(shù)”大體分為以下3步：

第一步前期處理。對(duì)表面有保護(hù)涂層的葉片采用物理和化學(xué)方法進(jìn)行去除，隨后對(duì)葉片進(jìn)行“全面體檢”，發(fā)現(xiàn)“病灶”后，開展去除裂紋表面氧化膜、制備焊接坡口等“清理創(chuàng)口”工作。

第二步正式“手術(shù)”。應(yīng)用焊接、釬焊、冷/熱噴涂、增材制造等工藝方法，對(duì)葉片型面損傷的地方進(jìn)行填補(bǔ)，再利用磨拋或機(jī)械加工等方法去除多余材料。

第三步后期處理。盡管葉片已“重獲新生”，但仍需要接受多次“復(fù)檢”，確保修復(fù)完成后不會(huì)出現(xiàn)二次損傷。隨后，還要恢復(fù)葉片表面的“保護(hù)外套”、疏通堵塞的“呼吸通道”、調(diào)理表面的“健康狀態(tài)”，方能領(lǐng)取質(zhì)量合格證。

目前，不少國(guó)外公司在葉片修復(fù)技術(shù)上有著豐富的技術(shù)底蘊(yùn)。例如，德國(guó)MTU公司與漢諾威激光研究中心應(yīng)用激光立體成形制造技術(shù)來(lái)修復(fù)渦輪葉片。在國(guó)內(nèi)，空軍某航修廠經(jīng)過10余年的努力探索，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)多型部件故障的解決方案，先后突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)。

經(jīng)過修復(fù)技術(shù)“治療”，葉片能夠像壁虎長(zhǎng)出“尾巴”一樣，在原有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“快速再生”，不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)維修周期明顯縮短，而且為戰(zhàn)機(jī)平安起降提供有力保障。