在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)為“王冠上的明珠”，如圖1所示。渦輪葉片的性能水平，特別是承溫能力，成為一種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，在一定意義上，也是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志。        航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比，使得變形高溫合金和鑄造高溫合金難以滿足其越來(lái)越高的溫度及性能要求，因而國(guó)外自7O年代以來(lái)紛紛開(kāi)始研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料；單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到了第3代，如圖2為鉻基高溫合金葉片。8O年代，又開(kāi)始研制了陶瓷葉片材料，在葉片上開(kāi)始采用防腐、隔熱涂層等技術(shù)，圖3為GE航空集團(tuán)旋轉(zhuǎn)陶瓷復(fù)合材料的噴氣戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。        1.發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的影響因素
       發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)組成及工作原理對(duì)葉片的性能提出了很高的要求，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度、氣流和壓力影響著葉片使用情況。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要分民用和軍用兩種。如圖4為普惠公司民用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要構(gòu)件圖，圖5為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖，圖6為飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度、氣流速度和壓力分布圖，圖7為羅爾斯-羅伊斯噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度和材料分布圖，圖8為航空發(fā)動(dòng)機(jī)用不同材料用量的發(fā)展變化情況圖。        2.變形高溫合金葉片
       2.1葉片材料
       變形高溫合金發(fā)展有50多年的歷史，國(guó)內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用變形高溫合金如表1所示。高溫合金中隨著鋁、鈦和鎢、鉬含量增加，材料性能持續(xù)提高，但熱加工性能下降；加入昂貴的合金元素鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩(wěn)定性。如圖9為鉻鎳變形高溫合金葉片。        2.2制造技術(shù)
       變形高溫合金葉片的生產(chǎn)是將熱軋棒經(jīng)過(guò)模鍛或輥壓成形的。模鍛葉片主要工藝如下：
       1)鐓鍛榫頭部位；
       2)換模具，模鍛葉身，通常分粗鍛、精鍛兩道工序。模鍛時(shí)，一般要在模腔內(nèi)壁噴涂硫化鉬，減少模具與材料接觸面阻力，以利于金屬變形流動(dòng)；
       3)精鍛件，機(jī)加工成成品；
       4)成品零件消應(yīng)力退火處理；
       5)表面拋光處理。分電解拋光、機(jī)械拋光兩種。
       常見(jiàn)問(wèn)題：
       1)鋼錠頭部切頭余量不足，中心亮條缺陷貫穿整個(gè)葉片；
       2)GH4049合金模鍛易出現(xiàn)鍛造裂紋；
       3)葉片電解拋光中，發(fā)生電解損傷，形成晶界腐蝕；
       4)GH4220合金生產(chǎn)的葉片，在試車中容易發(fā)生“掉晶”現(xiàn)象；這是在熱應(yīng)力反復(fù)作用下，導(dǎo)致晶粒松動(dòng)，直至剝落。
       葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件它的制造量占整機(jī)制造量的三分之一左右。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片屬于薄壁易變形零件。如何控制其變形并高效、高質(zhì)量地加工是目前葉片制造行業(yè)研究的重要課題之一。隨著數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，葉片制造工藝發(fā)生重大變化，采用精密數(shù)控加工技術(shù)加工的葉片精度高，制造周期短，國(guó)內(nèi)一般6～12個(gè)月（半精加工）；國(guó)外一般3~6個(gè)月（無(wú)余量加工）。        3.鑄造高溫合金葉片
       3.1葉片材料
       半個(gè)多世紀(jì)來(lái)，鑄造渦輪葉片的承溫能力從1940s年代的750℃左右提高到1990s年代的1700℃左右，應(yīng)該說(shuō)，這一巨大成就是葉片合金、鑄造工藝、葉片設(shè)計(jì)和加工以及表面涂層各方面共同發(fā)展所作出的共同貢獻(xiàn)。葉片用鑄造高溫合金如表2所示，圖11為鑄造高溫合金葉片。北京航空材料研究所、鋼鐵研究總院、沈陽(yáng)金屬所是鑄造高溫合金的研制單位。        2005年，國(guó)內(nèi)在一些新材料(如定向凝固高溫合金、單晶高溫合金、金屬間化合物基高溫合金等)的研制和應(yīng)用上，也逐步跟上了世界先進(jìn)水平的步伐。但是與之相關(guān)的材料性能數(shù)據(jù)較為缺乏，給材料應(yīng)用、航空發(fā)動(dòng)機(jī)選材與設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的困難。
       3.2制造技術(shù)
       研制新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)是鑄造高溫合金發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，而熔鑄工藝的不斷進(jìn)步則是鑄造高溫臺(tái)金發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)后盾，圖12為葉片熔鑄加工過(guò)程?；仡欉^(guò)去的半個(gè)世紀(jì)，對(duì)于高溫合金發(fā)展起著重要作用的熔鑄工藝的革新有許多，而其中三個(gè)事件最為重要：真空熔煉技術(shù)的發(fā)明、熔模鑄造工藝的發(fā)展和定向凝固技術(shù)的崛起。        真空熔煉技術(shù)。真空熔煉可顯著降低高溫合盒中有害于力學(xué)性能的雜質(zhì)和氣體含量，而且可以精確控制合金成分．使合金性能穩(wěn)定。圖13為真空感應(yīng)熔煉設(shè)備。        熔模鑄造工藝。國(guó)內(nèi)外熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展使鑄造葉片不斷進(jìn)步，從最初的實(shí)心葉片到空心葉片，從有加工余量葉片到無(wú)余量葉片，再到定向(單晶)空心無(wú)余量葉片，葉片的外形和內(nèi)腔也越來(lái)越復(fù)雜（如圖14）；空心氣冷葉片的出現(xiàn)既減輕了葉片重量，又提高了葉片的承溫能力。        定向凝固技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展使鑄造高溫合金承溫能力大幅度提高從承溫能力最高的等軸晶合金到最高的第三代單晶合金，其承溫能力約提高l50℃ 。圖15為定向凝固高溫合金加工過(guò)程中的計(jì)算層示意圖。        在采用整體精密渦輪取代鍛件組合工藝中，由于渦輪鑄件幾何形狀復(fù)雜，斷面尺寸大，采用普通鑄造工藝的鑄件，宏觀晶粒粗大且不均勻，由此帶來(lái)組織及性能的不一致性。此外鑄造合金固有的較低屈服強(qiáng)度和疲勞性能，往往不能滿足葉片設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)，出現(xiàn)了“細(xì)晶鑄造工藝”等技術(shù)，即利用鑄型及澆鑄溫度控制、凝固過(guò)程中機(jī)械電磁叫板、旋轉(zhuǎn)鑄造以及加入形核劑等方法，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化的。如圖16為葉片的晶粒結(jié)構(gòu)不同灰度級(jí)顯示圖。        美國(guó)Howmet公司等用于細(xì)晶鑄造制造葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)件，常用合金為：In792、Mar-M247和In713C合金；導(dǎo)向葉片等靜止件則多用IN718C、PWA1472、Rene220、及R55合金。1990s年代之后，為滿足新型發(fā)動(dòng)機(jī)之需要，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在合金成分設(shè)計(jì)和鑄造工藝過(guò)程中的應(yīng)用日趨增多。
       4.超塑性成形鈦合金葉片
       4.1葉片材料
       目前，Ti6Al4V和Ti6Al2Sn4Zr2Mo及其他鈦合金，是超塑性成形葉片等最為常用的鈦合金。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等旋轉(zhuǎn)件用鈦合金及其特點(diǎn)如表3所示；羅爾斯-羅伊斯Trent900用鈦合金葉片如圖17、18所示。        對(duì)于CO2排放及全球石油資源枯竭的擔(dān)心，促使人們提高飛機(jī)效率、降低飛機(jī)重量。盡管復(fù)合材料的應(yīng)用有增長(zhǎng)趨勢(shì)，卻有制造費(fèi)用高、不能回收、高溫性能較差等不足。鈦合金仍將是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等超塑性成形部件的主要材料。圖19為鈦合金GEnx-2B入口導(dǎo)向葉片。        我國(guó)耐熱鈦合金開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面也落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，英國(guó)的600℃高溫鈦合金IMI834已正式應(yīng)用于多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)的Ti-1100也開(kāi)始用于T55-712 改型發(fā)動(dòng)機(jī)，而我國(guó)用于制造壓氣機(jī)盤、葉片的高溫鈦合金尚正在研制當(dāng)中。其它像纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、抗燃燒鈦合金、Ti-Al金屬間化合物等雖都立項(xiàng)開(kāi)展研究，但離實(shí)際應(yīng)用還有一個(gè)過(guò)程。
       4.2制造技術(shù)
       早在1970s，鈦合金超塑性成形技術(shù)就在美國(guó)軍用飛機(jī)和歐洲協(xié)和飛機(jī)中得到了應(yīng)用。在隨后的十年中，又開(kāi)發(fā)了軍用飛機(jī)骨架和發(fā)動(dòng)機(jī)用新型超塑性鈦合金和鋁合金。在軍用飛機(jī)及先進(jìn)的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，均用超塑性成形技術(shù)制造（如圖20），并采用擴(kuò)散連接組裝。        5.新型材料葉片
       5.1 碳纖維/鈦合金復(fù)合材料葉片
       美國(guó)通用公司生產(chǎn)的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)，葉身是碳纖維聚合物材料，葉片邊緣是鈦合金材料，共有渦扇葉片22片，單重30~50磅，總重2000磅。能夠提供最好的推重比，是目前最大的飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，用于波音777飛機(jī)，2010年9月在美國(guó)紐約現(xiàn)代藝術(shù)館展出。        5.2金屬間化合物葉片
       盡管高溫合金用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片已經(jīng)50多年了，這些材料有優(yōu)異的機(jī)械性能，材料研究人員，仍然在改進(jìn)其性能，使設(shè)計(jì)工程師能夠發(fā)展研制可在更高溫度下工作的、效率更高的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，一種新型的金屬間化合物材料正在浮現(xiàn)，它有可能徹底替代高溫合金。        這是因?yàn)楦邷睾辖鹪诟邷毓ぷ飨聲r(shí)會(huì)生成一種γ相，研究表明，這種相是使材料具有高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和耐高溫氧化的主要原因。因此，人們開(kāi)始了金屬間化合物材料的研究。金屬間化合物，密度只有高溫合金一半，至少可以用于低壓分段，用于取代高溫合金，如圖23為鈮硅NB-Si系化合物葉片研究。        英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司，在1999年，申請(qǐng)了一項(xiàng)γ相鈦鋁金屬間化合物專利，該材料是由伯明翰大學(xué)承擔(dān)研制的。這種材料可以滿足未來(lái)軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)的要求，可以用于制造從壓縮機(jī)至燃燒室的部件，包括葉片。這種合金的牌號(hào)，由羅爾斯-羅伊斯公司定為: Ti-45-2-2-XD。        2010年，美國(guó)通用公司、精密鑄件公司等申請(qǐng)了一項(xiàng)由NASA支持的航空工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目（AITP），通過(guò)驗(yàn)證和評(píng)定鈦鋁金屬間化合物（TiAl，Ti-47Al-2Nb-2Cr，原子分?jǐn)?shù)）以及現(xiàn)在用于低壓渦輪葉片的高溫合金，使其投入工業(yè)生產(chǎn)中，如圖24所示為鋁化鈦金屬間化合物葉片（伽馬鈦合金）。與鎳基高溫合金相比，TiAl金屬間化合物的耐沖擊性能較差；將通過(guò)疲勞試驗(yàn)等，將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。