飛機的「心臟主動脈」——單晶空心葉片

航空發動機是飛機的心臟，那麼渦輪葉片就是心臟的「主動脈」。渦輪葉片的材質可以分為等軸晶、定向柱晶以及單晶，今天本文介紹的就是單晶空心葉片，也是製造航空發動機和燃氣輪機的關鍵材料，其鑄造工藝直接決定了航空發動機的性能，是一個國家航空工業水平的顯著標志之一。

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目前，先進的燃氣渦輪發動機渦輪部位幾乎都採用單晶空心葉片。單晶空心葉片作為航空發動機熱端關鍵部件，長期服役於溫度最高、應力最複雜、環境惡劣的條件下，要承受超過其金屬融化溫度700度的高溫、大約1000千克的離心拉伸應力，每個葉片承受的作用力相當於一輛F1賽車的產生的馬力，成為工況條件最為惡劣的航空零件，被譽為「王冠上的明珠」。

空心葉片：殲-10所使用的「太行」發動機

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Trent-XWB的一個渦輪葉片，共有68個渦輪葉片

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單晶空心葉片定義：

為了冷卻、減少應力、調頻等目的而製成的只有一個晶粒、具有內部空腔的鑄造葉片，整個葉片沒有晶界，不僅消除了葉片上所有晶界避免裂紋源的產生，而且對葉片採用有效的複合冷卻方式，以降低渦輪葉片在工作過程中的表面溫度，應對逐漸提高的渦輪進口溫度，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，不僅表達出葉片構型為空心結構，鑄造所選用的材料也必須是單晶高溫合金。

單晶高溫合金是什麼：

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，經過20多年的發展，出現了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和我國生產的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℃的優勢；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℃；目前正在研製的是以MC-NG、TMS-138、TMS-162等為代表的第四代和第五代單晶高溫合金。

單晶高溫合金製備方法：

籽晶法：前者是在陶瓷型殼的底部預先安裝一段與鑄件材料及晶粒取向相同的籽晶，當熔融態的合金液進入型殼後，然後隨型殼的移動，合金液沿籽晶的晶粒取向開始生長，以獲取單晶材料。

選晶法：相當於千軍萬馬過獨木橋，利用螺旋選晶器的狹窄通道，使多個晶粒通過螺旋通道的競相生長，僅選取一個優勢晶粒進入型殼型腔，然後隨固液界面的向前推進，該晶粒持續長大，而得到單晶材料。

單晶合金各系列介紹：

PWA系列：

由美國普惠公司研發，是最早發展起來的單晶合金，在定向合金PWA1422基礎上去除了低熔點元素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系列單晶屬於英國羅·羅公司，在軍民用航空發動機中的應用已較廣泛和成熟，且成功經歷了系列化的發展。

R-R公司商標

René系列：

由美國通氣公司開發，其中第二René N5、三代René N6單晶含B和C，因此適用於製作複雜結構的鑄件，應用最廣。

TMS系列：

由日國立材料研究所開發的TMS系列單晶成功進行了系列化的發展，特點在於熱處理窗口非常寬，有助於大尺寸零件的熱處理，且Mo含量高，有效提高了蠕變性能。

單晶高溫合金在渦輪葉片上的應用：

長期以來，航空發動機一直都是我國航空工業中的一個短板，迄今為止，我國部分軍用飛機依然使用國外發動機，商業航空領域，前不久剛下線的C919大型噴氣式客機使用的發動機也來自於一家美法合資企業。

在發動機研製生產中，尤其耐高溫的單晶渦輪葉片是研製生產中的難點中的難點，目前世界上只有美國、俄羅斯、英國、日本、中國等少數幾個國家能夠製造。

近年來，國內在單晶渦輪葉片製造中也取得了較大的進步，自20世紀80年代中期中國第一件以DD3為材料的單晶空心渦輪葉片誕生以來，中國的航空材料人已經為多種型號先進航空發動機提供了大批單晶葉片，將某些裝配單晶渦輪葉片的發動機送上藍天。可以說，中國航空發動機的每一次重大進步背後，都有高性能單晶葉片不可或缺的功勞。

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