“微观”航空发动机叶片

滕超逸

中国航發北京航空材料         研究院

每朵雪花中蕴藏了万千变化，每片叶子同样也不遑多让。今天，让我们来欣赏一款特殊的叶子：航空发动机叶片。别看这小小的叶片，内有大乾坤，它几乎见证了我国几代航空人近百年的筚路蓝缕与不懈奋斗。

走进新时代，习近平总书记站在实现两个一百年奋斗目标的战略全局发出了建设世界航空强国的伟大号召。什么能够标志一个国家的航空实力甚至整个国家的工业实力呢？那就是航空发动机制造技术！作为现代工业皇冠上的明珠和工业之花，航空发动机是飞机的动力，是飞机的心脏！

发动机当中最重要、数量最庞大的一款零件就是航空发动机叶片。按照功能和工作部件，叶片可分为风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片。而无论哪款叶片，它们都面临一个共同的问题，那就是工作环境极为严苛。

正是通过叶片的高速旋转，将高温高压气体吸入燃烧室内，才能维持整个发动机的正常运转，给飞行器提供足够的动力。而且，叶片在工作过程中，长期经受着各种机油、冷却液的冲刷。因此，航空发动机叶片的工作环境可总结为“三高一腐蚀”，即高温、高速、高压、腐蚀。在这样的恶劣环境下，叶片损伤乃至失效的案例时有发生，例如因高温产生的烧蚀，因外力或者内应力而造成的开裂、断裂，或是因液体工作环境导致的腐蚀等。

因此，提升整个航空发动机性能的关键，在于如何赋予发动机叶片更高的耐热能力。为了实现这一目标，航空人在叶片的微观组织中一个叫作晶界的地方发现了解决办法。

回顾整个航空发动机叶片的发展历程，对于晶界的控制贯穿始终。那晶界究竟是什 么？

以初代高温合金叶片——等轴晶叶片为例，它由多个大小相近的晶粒组成，等轴晶叶片就好比一块水泥与许多石子随机混合的混凝土，石子是晶粒，晶粒与晶粒之间的水泥便是晶界。在高温条件下，水泥强度低于内部石子，于是遇上高温，晶界开始软化，再遇上发动机运作时巨大的离心力，叶片就会在晶界的位置出现开裂。在等轴晶叶片发展初期，其承温能力大概在800摄氏度，看起来似乎已经很高了，但航空发动机运转过程中，燃烧室内的最高温度可达到2000摄氏度，显然，这样的叶片还无法满足要求。

为了提高叶片的耐热性，20世纪60年代，定向凝固技术应运而生，也成就了定向晶叶片。沿用之前的比喻，定向晶叶片中就不再是小石子了，而是一个个沿着径向方向接近条状的石头，石头与石头间同样由水泥粘合。这种结构极大地削弱了发动机叶片高速旋转过程中离心力对叶片的破坏作用，因此定向晶叶片可承载接近1000摄氏度的高温。然而，这种叶片对横向的力仍然没有足够的抵抗能力。

为了进一步改善叶片性能，20世纪70年代，终于迎来了我们的第一片单晶高温合金叶片。单晶，顾名思义，一个叶片只有一个晶粒。这下叶片就不再是混凝土，而是一整块没有任何水泥掺杂的长条形的石头，其性能可想而知。时至今日，我国航空发动机叶片已经进入第五代单晶叶片的研制阶段，其承温能力直指1200摄氏度，这将极大推进我国航空强国建设，创造航空事业新的辉煌。

猜你喜欢晶粒单晶微观乡村的“功能”——振兴乡村的“微观”推进当代陕西(2022年4期)2022-04-19氧化铝晶粒度的影响因素探讨快乐学习报·教师周刊(2021年6期)2021-09-10基于微观公平的现代中小学校内部制度与文化建构福建基础教育研究(2019年6期)2019-05-28精密铸造304L不锈钢晶粒度检测方法研究科技视界(2019年7期)2019-05-13有机卤化铅钙钛矿单晶材料的生长和应用研究现状中国科技纵横(2018年3期)2018-03-15低周冲击加载评价硬质合金韧性的研究湖南大学学报·自然科学版(2014年2期)2014-12-25微量镧对纯铜晶粒大小及硬度的影响新媒体研究(2014年14期)2014-08-22PVT法制备4英寸碳化硅单晶研究现代仪器与医疗(2014年1期)2014-03-28微观看世界智慧与创想(2013年2期)2013-03-25组成与构成 含义各不同数理化学习·初中版(2011年9期)2011-11-14