高性能渦輪葉片激光成形技術

北京航空航天大學王華明院士團隊面向高推重比航空發動機及重型燃氣輪機研製對高性能高溫合金葉片製造技術的重大需求，創造性地提出將「微細柱晶激光成形技術」與「對開葉片連接技術」有機結合起來的高性能渦輪葉片製造技術，有望克服長期困擾現代定向凝固單晶高溫合金渦輪葉片的「凝固組織粗大」「疏鬆、偏析嚴重」「葉片合格率低」三大難題。

渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的熱端核心關鍵部件,其工作應力和工作溫度高、環境條件惡劣（要經歷氧化、熱腐蝕、熱疲勞等）。隨著發動機推重比的不斷提高，渦輪進口溫度也越來越高，對渦輪葉片材料高溫力學性能、使用溫度及氧化熱腐蝕等環境性能的要求也越來越高。

高推重比航空發動機渦輪葉片都必須採用高溫力學性能優異的定向凝固柱晶及單晶高溫合金製造，國外已經研發出了四代先進的渦輪葉片鎳基單晶高溫合金和三代定向凝固柱晶鎳基高溫合金，以CMSX-10為代表的第三代鎳基單晶高溫合金其使用溫度已達到1204攝氏度。美國通用電氣公司(GE)、普拉特.惠特尼集團公司(P&W)、英國羅爾斯.羅伊斯公司(RR)、德國發動機及渦輪機聯盟弗里的希哈芬股份有限公司(MTU)等當今國外著名發動機公司,其生產的軍用及民用高推重比先進航空發動機渦輪葉片全都採用先進的定向凝固柱晶及單晶高溫合金製造。

我國DZ4、DZ22、DZ125等定向凝固柱晶高溫合金渦輪葉片也已在某兩型發動機上得到應用，某新型發動機將採用第二代單晶高溫合金渦輪葉片。但在定向凝固柱晶及單晶高溫合金材料性能、葉片質量、葉片生產合格率和製造技術水平等方面均同國外先進水平之間存在較大差距（例如,國外單晶渦輪葉片生產合格率達80%以上，我國甚至低於10%）。高性能低成本高溫合金材料及其先進高質量、高效冷卻渦輪葉片零件製造技術，長期以來一直是嚴重困擾我國高推重比航空發動機研製和生產的重大瓶頸技術之一。

由於發動機渦輪葉片高溫合金的合金化程度很高，特別是由於空心渦輪葉片具有壁薄、內部冷卻通道複雜等特點，即使採用當今最先進的液態金屬冷卻定向凝固技術，也無法避免渦輪葉片凝固組織粗大（樹枝晶粗大和發達）及凝固枝晶間疏鬆嚴重（如圖1所示）、合金力學性能及渦輪葉片使用性能降低、葉片合格率低等突出缺點，嚴重影響了先進定向凝固柱晶與單晶高溫合金獨特性能優勢的發揮，成為影響發動機渦輪葉片使用性能和生產成本的關鍵因素。此外，傳統定向凝固工藝的限制進一步制約了渦輪葉片使用性能的提高。

圖1 某發動機定向凝固柱晶高溫合金一級渦輪葉片粗大的樹枝晶組織及其枝晶間嚴重的疏鬆及枝晶間大量殘留（未固溶）塊狀初生γ 相

即使當今先進的液態金屬冷卻定向凝固渦輪葉片成形製造技術，也無法從根本上避免凝固組織粗大、凝固偏析及枝晶間疏鬆嚴重、葉片初熔溫度低、熱處理窗口窄甚至喪失、疲勞等力學性能低、使用壽命短、葉片生產合格率低等突出缺點，嚴重製約了定向柱晶或單晶高溫合金性能優勢的發揮和渦輪葉片性能的提高。

因此，要大幅提高發動機渦輪葉片的使用性能（高溫及室溫力學性能、疲勞及熱疲勞性能、高溫持久與蠕變性能、高溫組織與性能長期穩定性等）與使用溫度,並有效降低渦輪葉片製造成本，必須探索渦輪葉片高性能低成本高溫合金新材料及其高質量渦輪葉片零件製備成形新工藝，以有效減輕枝晶偏析、枝晶間γ/γ 共晶和枝晶間疏鬆等有害缺陷，並大幅度提高渦輪葉片產品生產合格率。

高性能金屬激光成形技術，以金屬粉末為原材料，通過計算機控制高能激光束，按照零件三維CAD模型，逐層熔化沉積（生長製造），直接實現高性能全緻密金屬零件的「近凈成形」製造，具有無需重型鍛壓設施及大型鍛造模具、大幅節省原材料、顯著縮短製造周期和降低生產成本、「高性能材料快速凝固製備與大型零件近凈成形」一體化等突出優勢，被譽為一種「變革性」的短周期、低成本、快速「近凈成形」先進位造技術。特別地，利用該技術「點（移動熔池）-線（逐道掃描）-面（逐層沉積）-體」的工藝特點，通過控制移動熔池非平衡快速凝固形核生長機制，可實現對晶粒形態和晶體取向的控制。

北京航空航天大學研究團隊在國際上率先提出了激光成形鈦合金等高性能金屬凝固組織晶粒形態主動控制技術，發明定向柱晶鈦合金激光成形技術，同時在Rene95、Rene88DT、GH4141、GH4169等高溫合金的激光約束熔化沉積定向凝固技術方面開展了探索研究，激光成形製備出了低發散度微細柱晶高溫合金薄壁試樣和零件，其一次枝晶間距達10～30微米甚至更小、二次枝晶間距為5～10微米甚至更小、枝晶間完全「無γ/γ 共晶」(eutectic-free)、完全「無疏鬆」（porosity-free）等凝固缺陷存在，初步性能測試表明，高溫持久壽命大幅提高。

將「變革性」的微細柱晶高溫合金激光直接成形技術與渦輪葉片對開連接製造技術有機結合在一起，不僅可從根本上克服目前渦輪葉片液態金屬冷卻定向凝固技術的固有缺點，從而大幅提高航空發動機渦輪葉片的使用溫度、力學性能、長期高溫組織及性能穩定性和葉片使用性能並大幅度提高葉片生產合格率和產品質量一致性，而且為渦輪葉片內部高效冷卻通道的設計和加工製造提供了便利，代表了高性能高溫合金渦輪葉片材料技術及製造技術的發展方向。類似研究及學術思想，國內外尚未見文獻及專利報道。

該研究突破了微細柱晶高溫合金渦輪葉片新材料優化設計、微細柱晶高溫合金強化理論、激光約束熔化沉積定向凝固製備工藝、激光成形快速凝固定向生長機制及擇優取向控制等關鍵技術，形成了激光成形專用微細柱晶高溫合金設計方法、微細柱晶高溫合金強化理論、激光成形過程中熔池快速凝固、外延生長作用下的定向凝固組織特徵及規律，建立了激光成形微細柱晶鎳基高溫合金快速凝固定向生長機制及擇優取向控制方法，奠定高性能微細柱晶高溫合金定向凝固組織優化控制理論基礎，製備了對開渦輪葉片樣件。標誌性成果如下：

(1)激光成形微細柱晶高溫合金一次枝晶間距較鑄造細化兩個數量級,達7.6～9.1微米，枝晶間無γ/γ 共晶，無顯微疏鬆（見圖2）；

圖2 激光成形微細柱晶高溫合金顯微組織，一次枝晶間距為7.6微米，二次枝晶不明顯，枝晶間無γ/γ 共晶，無顯微疏鬆

(2)激光成形微細柱晶高溫合金初熔溫度提高8攝氏度（見圖3）；

圖3 DTA降溫曲線顯示激光成形DZ408微細柱晶高溫合金其初熔溫度較傳統鑄造合金提高8攝氏度

(3)激光增材製造大尺寸（體積約為50毫米×50毫米×220毫米，壁厚約為6毫米）微細柱晶高溫合金典型結構（見圖4）；

圖4 激光成形微細柱晶高溫合金典型結構樣件

(4)開展了激光成形對開渦輪葉片工藝樣件試製（見圖5）。

圖5 激光成形對開葉片樣件

截至目前，已實現增材製造專用材料設計與製備，突破了微細柱晶高溫合金增材製造工藝，獲得的凝固組織一次枝晶間距較鑄造合金細化兩個數量級，無共晶、無疏鬆，合金初熔溫度提高8攝氏度，並製造出高性能微細柱晶高溫合金渦輪葉片樣件。下一階段研發重點為激光成形微細柱晶高溫合金渦輪葉片瞬態液相連接工藝及渦輪葉片樣件精密加工及表面處理。預期將大幅提高渦輪葉片成品率、降低製造成本，對突破高推重比航空發動機、重型燃氣輪機研製中的關鍵零部件製造技術瓶頸和提高我國重大裝備製造業核心競爭能力具有十分重要的現實意義和戰略意義。

致謝:感謝國家863計劃項目課題「微細柱晶高溫合金渦輪葉片激光成形技術」（課題編號：2014AA041701 ）的支持。

專家簡介

田象軍：北京航空航天大學大型金屬構件增材製造國家工程實驗室高級工程師。

湯海波：北京航空航天大學大型金屬構件增材製造國家工程實驗室高級工程師。

張述泉：北京航空航天大學大型金屬構件增材製造國家工程實驗室高級實驗師。

王華明：中國工程院院士，北京航空航天大學教授。

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