航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，那么渦輪葉片就是心臟的“主動(dòng)脈”。渦輪葉片的材質(zhì)可以分為等軸晶、定向柱晶以及單晶，今天本文介紹的就是單晶空心葉片，也是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵材料，其鑄造工藝直接決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志之一。

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目前，先進(jìn)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部位幾乎都采用單晶空心葉片。單晶空心葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期服役于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境惡劣的條件下，要承受超過(guò)其金屬融化溫度700度的高溫、大約1000千克的離心拉伸應(yīng)力，每個(gè)葉片承受的作用力相當(dāng)于一輛F1賽車的產(chǎn)生的馬力，成為工況條件最為惡劣的航空零件，被譽(yù)為“王冠上的明珠”。

空心葉片：殲-10所使用的“太行”發(fā)動(dòng)機(jī)  

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Trent-XWB的一個(gè)渦輪葉片，共有68個(gè)渦輪葉片    

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為了冷卻、減少應(yīng)力、調(diào)頻等目的而制成的只有一個(gè)晶粒、具有內(nèi)部空腔的鑄造葉片，整個(gè)葉片沒(méi)有晶界，不僅消除了葉片上所有晶界避免裂紋源的產(chǎn)生，而且對(duì)葉片采用有效的復(fù)合冷卻方式，以降低渦輪葉片在工作過(guò)程中的表面溫度，應(yīng)對(duì)逐漸提高的渦輪進(jìn)口溫度，大大提高了工作能力和自身壽命。

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之所以稱之為單晶空心葉片，顧名思義，不僅表達(dá)出葉片構(gòu)型為空心結(jié)構(gòu)，鑄造所選用的材料也必須是單晶高溫合金。

目前的渦輪葉片材料以高溫合金為主，Ni是Cr、CO、W、Mo、Al等眾多合金元素良好的基體，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，出現(xiàn)了20多種單晶鑄造高溫合金。

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這些合金可以分為五代：第一代以鎳基單晶高溫合金PWA1480、CMSX-2、RenéN4和我國(guó)生產(chǎn)的DD3為代表，其承溫能力比最好的定向凝固鑄造高溫合金PWA1422有25℃的優(yōu)勢(shì)；第二代以PWA1484、CMSX-4、René N5和DD6為代表，比第一代又提高了30℃左右；第三代單晶合金René N6、CMRX-10和DD9等，比第一代耐溫提高60℃；目前正在研制的是以MC-NG、TMS-138、TMS-162等為代表的第四代和第五代單晶高溫合金。

籽晶法：前者是在陶瓷型殼的底部預(yù)先安裝一段與鑄件材料及晶粒取向相同的籽晶，當(dāng)熔融態(tài)的合金液進(jìn)入型殼后，然后隨型殼的移動(dòng)，合金液沿籽晶的晶粒取向開(kāi)始生長(zhǎng)，以獲取單晶材料。

選晶法：相當(dāng)于千軍萬(wàn)馬過(guò)獨(dú)木橋，利用螺旋選晶器的狹窄通道，使多個(gè)晶粒通過(guò)螺旋通道的競(jìng)相生長(zhǎng)，僅選取一個(gè)優(yōu)勢(shì)晶粒進(jìn)入型殼型腔，然后隨固液界面的向前推進(jìn)，該晶粒持續(xù)長(zhǎng)大，而得到單晶材料。 

PWA系列：

由美國(guó)普惠公司研發(fā)，是最早發(fā)展起來(lái)的單晶合金，在定向合金PWA1422基礎(chǔ)上去除了低熔點(diǎn)元素C、B、Zr和Hf等，增加Ta含量，提高了合金的初熔溫度和固溶處理溫度。

CMSX系列：

CMSX系列單晶屬于英國(guó)羅·羅公司，在軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用已較廣泛和成熟，且成功經(jīng)歷了系列化的發(fā)展。

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René系列：

由美國(guó)通氣公司開(kāi)發(fā)，其中第二René N5、三代René N6單晶含B和C，因此適用于制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件，應(yīng)用最廣。

TMS系列：

由日國(guó)立材料研究所開(kāi)發(fā)的TMS系列單晶成功進(jìn)行了系列化的發(fā)展，特點(diǎn)在于熱處理窗口非常寬，有助于大尺寸零件的熱處理，且Mo含量高，有效提高了蠕變性能。

長(zhǎng)期以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直都是我國(guó)航空工業(yè)中的一個(gè)短板，迄今為止，我國(guó)部分軍用飛機(jī)依然使用國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)，商業(yè)航空領(lǐng)域，前不久剛下線的C919大型噴氣式客機(jī)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)也來(lái)自于一家美法合資企業(yè)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)中，尤其耐高溫的單晶渦輪葉片是研制生產(chǎn)中的難點(diǎn)中的難點(diǎn)，目前世界上只有美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、日本、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家能夠制造。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在單晶渦輪葉片制造中也取得了較大的進(jìn)步，自20世紀(jì)80年代中期中國(guó)第一件以DD3為材料的單晶空心渦輪葉片誕生以來(lái)，中國(guó)的航空材料人已經(jīng)為多種型號(hào)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供了大批單晶葉片，將某些裝配單晶渦輪葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)送上藍(lán)天?？梢哉f(shuō)，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的每一次重大進(jìn)步背后，都有高性能單晶葉片不可或缺的功勞。

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