航空发动机高压涡轮转子叶片是如何制造的？ 第1页

其实原理很简单，但是这过程中各种参数需要大量实验得到各个节点的参数，辅料成分以及很大运气。

首先高压涡轮转子叶片需要复杂的内冷却气道（下图），第一先做内冷气道（不包括冷却气孔，这个最后再说）蜡模再用一种特殊的陶瓷浇铸出气道。

有了这个陶瓷气道模之后把它和叶片外模放在一起进入浇铸炉，融化的超级合金从上往下进入型腔（包括陶瓷的气道内模和蜡质外模）。这之间每次制模之间都会做无数层的涂层非常麻烦，德国公司都是用机器人做，好像俄罗斯还是用大妈的刷子来刷。这些涂层直接决定了铸造质量，容错率极低。

这时浇铸的机器会严格控制熔融态超级合金的温度，然后让它在一个水平面上凝固（也就是晶体的生长），由下而上，在晶体于螺旋体（选晶器）内生长时互相挤压选择，最终会留下只有一个与预设方向最接近的晶体，这个晶体再继续向上生长。

因为高压轴要有一万多转数，每片承受的离心力有十几吨，而镍的晶体每个方向的强度不一样，需要它的对角线（最强方向）对着离心力方向误差10度以内。（多一句嘴，低压涡轮转子用的单向晶镍基合金是要求晶体朝向但是不要求只有一个晶体，因为单晶比多晶（包括单向晶）的熔点高50K）

成品率并不高，就我所知德国有很多优秀精铸厂强行挑战这个工艺最后破产，门槛真的太高了。

最后得到了成品再用一种特殊的碱把留在气道里的陶瓷气道模给溶解，打冷却气孔，有用电溶解打孔也有电化学打孔，最多是用激光打的，孔的形状也有很大学问，然后就是电镀涂层等，这也是一门巨大的学问。

下面一幅图左边多晶，中间单向晶，右边单晶

但是铸造结束以后的叶片是没有内冷气道与叶面相连的气孔的，这东西一般来说是激光打出来的，因为冷却气从高压压气抽出来从空心轴内流到高压涡轮已经损失很多压力，虽说核心气流过燃烧室也损失了压力以及从轴内到叶片的过程有一定的离心压缩升压效果但是还是需要更高的静压把冷却气打到叶面，这时候需要一个扩张截面的孔来处理冷却气，降低动压提高静压，然后冷却气把炙热的核心气流推离叶片表面（好多废话）。而且过快的速度会让冷却直接被射入核心气流中，而它还有一个别的工作就是在叶面形成一层冷气膜保护叶片，需要降速增压。

所以这类孔需要针对不同位置优化自己的几何形状，激光打孔可以比较容易实现自动化，缺点是会有表面内应力。

涡轮定子（单向晶，跑题了）的叶尾需要打尾流冷却气孔来服务接下来的涡轮转子，此孔极其细长，且不能接受内应力所以用电化学腐蚀打。当然这些不是绝对的，不同的公司也有不同的处理方式。

做完这些以后已经得到了一个单晶涡轮叶片，但是它还没有涂层。现代涡轮叶片都需要一层氧化锆热障涂层，金属氧化物陶瓷。因为是陶瓷，所以是有一定脆性的，当涡轮工作时，有一丁点的形变，就可能整片剥落，涡轮叶片会立刻融毁。这在航发内是绝对无法接受的。

然后有了EB-PVD工艺（Electron-beam physical vapor deposition），气相沉积法。

当然在做它之前还有很多层的其它材料，电镀铂（白金），等离子喷涂等等，还有一层是来加固氧化锆，就像胶水一样把它粘住。当然每家公司之间也是略有区别，并不一成不变。

首先电子枪射出电子束，由磁场引导击中氧化锆基材，被电子束轰击的基材会变成气态，气态氧化锆被引导到叶片表面开始生长。氧化锆会生长成1微米直径，50微米长度的小棍子，密密麻麻的布满叶片表面而气孔不会被涂到。因为不是一整片陶瓷，所以小棍子之间是可以有细微的相对移动而不会整片剥离，解决了形变导致失效的问题。

氧化锆有极强的硬度，极低的导热性，可以实现镍基材和炙热核心气流之间极陡的温度梯度，配合内冷却和气膜冷却，叶片才可以在远高于自己融化温度环境下高强度高可靠性长时间工作。

到这，叶片表面就完成了。叶片为了装入涡轮轮盘，还需要一个松树状或者说榫卯结构的叶根。

上文讲了，每一个涡轮叶片在工作时承受十几吨离心力，这个叶跟也需要非常精细地加工，镍基超级合金很硬，耐高温，非常难加工。

这个叶跟是被磨出来的，叶片被特殊夹具夹住，上下两个拥有相反几何（阴模）磨轮向内磨。

这样造成磨轮很快就不行，于是在两个磨轮外侧加一个阳模的钻石磨轮，不停地打磨磨轮，让它保持工作能力。钻石轮上的一颗颗工业钻石，是由机器人粘上去的。

经过这些工序，再经过检查，叶片就准备好工作了。这只是航空发动机上的一个零件，而航空发动机也只是飞机上的一个模块。

又到了喜闻乐见硬广告环节了：