燃?xì)廨啓C(jī)航空葉片介紹

1、航空發(fā)動機(jī)葉片眾所周知，在航空發(fā)動機(jī)里葉片是透平機(jī)械的“心臟”，是透平機(jī)械中極為 主要的零件。透平是一種旋轉(zhuǎn)式的流體動力機(jī)械，它直接起著將蒸汽或燃?xì)獾臒?能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的作用。葉片一般都處在高溫，高壓和腐蝕的介質(zhì)下工作。動葉 片還以很高的速度轉(zhuǎn)動。在大型汽輪機(jī)中，葉片頂端的線速度已超過600 m/s， 因此葉片還要承受很大的離心應(yīng)力。葉片不僅數(shù)量多，而且形狀復(fù)雜，加工要求 嚴(yán)格；葉片的加工工作量很大，約占汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)總加工量的四分之一到三 分之一。葉片的加工質(zhì)量直接影響到機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠行，而葉片的質(zhì)量和 壽命與葉片的加工方式有著密切的關(guān)系。所以，葉片的加工方式對透平機(jī)械的工 作質(zhì)量及

2、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性有很大的影響。這就是國內(nèi)外透平機(jī)械行業(yè)為什么重視研究 葉片加工的原因。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，葉片的加工手段也是日新月異，先進(jìn)的 加工技術(shù)正在廣泛采用。葉片的主要特點(diǎn)是：材料中含有昂貴的高溫合金元素；加工性能較差；結(jié) 構(gòu)復(fù)雜；精度和表面質(zhì)量要求高；品種和數(shù)量都很多。這就決定了葉片加工生產(chǎn) 的發(fā)展方向是：組織專業(yè)化生產(chǎn)，采用少、無切削的先進(jìn)的毛坯制造工藝，以提 高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約耐高溫材料；采用自動化和半自動化的高效機(jī)床，組織流水生 產(chǎn)的自動生產(chǎn)線，逐步采用數(shù)控和計算機(jī)技術(shù)加工。葉片的種類繁多，但各類 葉片均主要由兩個主要部分組成，即汽道部分和裝配面部分組成。因此葉片的加 工也分為裝配面的加

3、工和汽道部分的加工。裝配面部分又叫葉根部分，它使葉片 安全可靠地、準(zhǔn)確合理地固定在葉輪上，以保證汽道部分的正常工作。因此裝配 部分的結(jié)構(gòu)和精度需按汽道部分的作用、尺寸、精度要求以及所受應(yīng)力的性質(zhì)和 大小而定。由于各類葉片汽道部分的作用、尺寸、形式和工作各不相同，所以裝 配部分的結(jié)構(gòu)種類也很多。有時由于密封、調(diào)頻、減振和受力的要求，葉片往往 還帶有葉冠（或稱圍帶）和拉筋（或稱減震凸臺）。葉冠和拉筋也可歸為裝配面 部分。汽道部分又叫型線部分，它形成工作氣流的通道，完成葉片應(yīng)起的作用， 因此汽道部分加工質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)組的效率。下面說一下葉片的材料，由于透平葉片的工作條件和受力情況比較復(fù)雜，

4、因此對葉片材料的要求也是多方面的，其中主要的要求概括如下：（1）.具有足 夠的機(jī)械強(qiáng)度。即在工作溫度范圍內(nèi)具有足夠的，穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度（屈服極限和 強(qiáng)度極限），并且在工作溫度范圍內(nèi)這些機(jī)械強(qiáng)度具有穩(wěn)定的數(shù)值。在高溫情況 下（一般指450C以上），具有足夠的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。（2）.具有高的 韌性和塑性以及高溫下抗熱脆性（高溫下穩(wěn)定的沖擊韌性），避免葉片在載荷作 用下產(chǎn)生脆性斷裂。（3）.耐蝕性。抵抗高溫下氣體中有害物質(zhì)的腐蝕以及濕蒸 汽和空氣中氧的腐蝕能力。（4）.耐磨性。抵抗?jié)裾羝兴魏腿細(xì)庵泄腆w物質(zhì) 的磨蝕。（5）.具有良好的冷、熱加工性能。（6）.具有良好的減振性。葉片是處 在交變

5、載荷下工作，除要求有較高的疲勞極限外，還要求有良好的減震性能，即 高的對數(shù)衰減率。這樣可以減小振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力，減小葉片疲勞斷裂的可能 性。根據(jù)使用溫度、使用溫度和化學(xué)成份等，可以將葉片材料分為兩類：（1）. 馬氏體、馬氏體-鐵素體和鐵素體鋼。這類鋼的使用溫度最高不超過580C，可以 作為汽輪機(jī)葉片材料。（2）.奧氏體鋼、鐵竦合金和竦基合金等。著類鋼的使 用溫度最高不超過700750C，可以作為燃?xì)廨啓C(jī)葉片材料。馬氏體類鋼包括 1Cr13、2Cr13、CrllMoV、Cr12WMoV 等。1Cr13 和 2Cr13 馬氏體不銹鋼廣泛被采用作為汽輪機(jī)葉片材料，他具有較好的耐腐蝕性和熱強(qiáng) 性，特

6、別是它的減振性很好，其對數(shù)衰減鴕可達(dá)0.025。按照其熱強(qiáng)性，1Cr13 鋼可用于450C475C； 2Cr13鋼可用于400C450C。2Cr13鋼的含量較高， 故室溫強(qiáng)度和硬度較高。常作汽輪機(jī)低壓部分葉片，但2Cr13鋼的抗水滴沖蝕性 能不足，用來作末級葉片還需要進(jìn)行表面硬化或鑲焊硬質(zhì)合金。Cr11MoV和 Cr12MoV是改形的12% Cr鋼。它保持原來1Cr13鋼的優(yōu)點(diǎn)，由于分別加入了強(qiáng) 化元素鉬、釩和鎢，鉬和釩使其熱強(qiáng)性遠(yuǎn)比1Cr13鋼高Cr11MoV可在溫度550C 下使用；Cr12WMoV可在溫度580C下使用。Cr12WMoV的屈服極限高，耐腐 蝕性好，亦可作為大型汽輪機(jī)的長葉

7、片材料。馬氏體類鋼具有良好的減振性能， 通常情況下其對數(shù)率減率0在0.0150.055范圍內(nèi)，它比奧氏體的0大510 倍。研制新型航空發(fā)動機(jī)是鑄造高溫合金發(fā)展的強(qiáng)大動力，而熔鑄工藝的不斷進(jìn) 步則是鑄造高溫臺金發(fā)展的堅強(qiáng)后盾。回顧過去的半個世紀(jì)，對于高溫合金發(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 煉技術(shù)真空熔煉技術(shù)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。熔 模鑄造工藝熔模鑄造工藝熔模鑄造工藝熔模鑄造工藝。國內(nèi)外熔

8、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 到無余量葉片，再到定向（單品）空心無余量葉片，葉片的外形和內(nèi)腔也越來越復(fù) 雜；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)定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)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品合金到最高的第二代單晶合金， 其承溫能力約提高150C。1990s年代之后，為滿足新型發(fā)動機(jī)之需要，計算機(jī)數(shù)值模擬在合金成分 設(shè)計和鑄造工藝過程中的應(yīng)用日趨增多。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

9、件，宏 觀品粒粗大且不均勻，由此帶來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)計要求。近年來，出現(xiàn)了 “細(xì)品鑄 造工藝細(xì)品鑄造工藝細(xì)品鑄造工藝細(xì)品鑄造工藝”等技術(shù)，即利用鑄型及澆鑄溫 度控制、凝固過程中機(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。美國Howmet公司等用于細(xì)品鑄造制造葉片等轉(zhuǎn)動件，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。盡管高溫合金用于飛機(jī)發(fā)動機(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

10、在改進(jìn)其性能，使設(shè)計工程師能夠發(fā)展研制可在更高 溫度下工作的、效率更高的噴氣發(fā)動機(jī)。不過，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。高溫合金在高溫工作下時會生成一種Y 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。2010年，美國通 用公司、精密鑄件公司等申請了一項(xiàng)由NASA支持的航空工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目（AITP）， 通過驗(yàn)證和評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。與竦基高溫合金相比， TiAl金屬間化合物的耐沖擊性能較差;將通過疲勞試驗(yàn)等，將技術(shù)風(fēng)險降至最低。 英國羅爾斯-羅伊斯公司，在1999年，也申請了一項(xiàng)Y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軍用和民用發(fā)動機(jī)性 能目標(biāo)的要