烈火炼雄心——高温合金叶片的精密铸造与加工_风闻
马氏体-02-20 00:49
从呼啸的飞机到疾驰的战舰，从扶摇直上的直升机到勤勤恳恳的燃气电站，燃气涡轮发动机作为强劲的动力之源，在现代社会扮演着重要的角色。
无论是涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机还是燃气轮机，各类燃气涡轮发动机的基本原理都是把空气压缩以后喷入燃料，获得高温高压的燃气，再把燃气的内能转化为机械能。在这个过程中，负责提取燃气能量的涡轮（turbine，音译为“透平”）叶片要直面高温气流冲击，尤其是第一级涡轮叶片，处在最恶劣的工作环境中。先进的涡轮发动机的涡轮进口温度超过1600℃，不仅远超镍基高温合金本身的耐热极限（约1100℃），甚至超过了合金的熔点（纯镍熔点1453℃），因而要用最先进的材料和工艺来打造。
常规的金属材料是由无数小晶粒（尺寸一般在微米量级）聚集而成的多晶材料。在常温下，晶粒越细小则金属的强度越高。然而，到了高温下，晶界反倒成了金属中的薄弱环节，定向凝固叶片由此而生，在铸造过程中使晶粒沿着叶片轴向排列，减少横向的晶界，提升叶片的高温强度（尤其是每分钟数千上万转的涡轮动叶，要承受强大的离心力）。单晶叶片则更进一步，由一整块大单晶构成，消除了晶界，因而具有更强的耐高温能力。
但这还不够。
叶片被做成空心结构，冷却空气在内部流通以带走热量，同时通过小孔逸出叶片表面形成一层气膜，隔绝高温。
铸造出空心叶片的关键在于陶瓷型芯。
陶瓷具有很好的耐高温能力，能够在高温下保持其形状。待金属围绕陶瓷型芯凝固后，再通过化学处理去除型芯，就得到空心叶片。
把陶瓷型芯放置于模具中，由压蜡机注入蜡液，制成叶片蜡模。
多个叶片蜡模被组合在一起，加上浇口杯、浇道（同样由蜡制成）构成一个浇铸系统。
接下来，在蜡模表面浸渍一层浆料（如硅溶胶粘结剂），再撒上陶瓷砂，干燥后就形成一层陶瓷涂层。如此重复多次（每一层的配方和厚度都要精细调控），达到一定厚度。
陶瓷层干燥固化后，用蒸汽加热去除其中的蜡，再经高温烧结，得到具有一定强度的空心陶瓷型壳。
这就是叶片铸造所用的模具。
上面的内容展示了东方电气G50燃气轮机叶片的铸造过程，这款燃气轮机使用定向凝固叶片。
然而，这样的方法是不能铸造出单晶叶片的。
奥秘在于浇注系统中一根螺旋形的“猪尾巴”——螺旋选晶器。
在螺旋选晶器中，金属液自下往上凝固，虽然一开始形成了大量无规则的晶粒（用不同颜色表示），但其中只有一个特定取向的晶粒（绿色的）能够生长通过选晶器，进入上方的叶片型腔中。由于叶片型腔里只有这一个晶粒作为“种子”，型腔内的所有合金液在凝固时都会依附于它，也就是说这一个晶粒会长满整个型腔，从而得到单晶叶片。
（得到单晶的关键在于，在液体凝固过程中只跟唯一一个作为“种子”的晶粒接触；否则液体围绕多个晶粒凝固，得到的就是多晶。这和生产单晶硅的原理是类似的，往熔融的液态硅里人为地放入一小块单晶硅作为“种子”，最后长出来的就是一大块单晶硅。）
（铸造单晶叶片的关键设备——单晶炉）
随着合金液自下而上凝固，铸型也逐渐下降，离开单晶炉的加热区，同时在铸型底部水冷，形成下冷上热的温度梯度，维持从下往上的单一凝固方向，确保长成单晶。如果不使用选晶器，用类似的定向冷却方法得到的是定向凝固叶片（但两者的合金成分是有所区别的）。相较而言，定向凝固叶片的技术难度要低一些，可以降低成本，在燃气轮机上应用得更多，且燃气轮机尺寸较大，有较为充裕的空间布置冷却手段；而先进的航发则使用追求极致性能的单晶叶片。
陶瓷型芯以二氧化硅为主要成分。铸造完成后，用高温高压碱液处理，可以溶解去除型芯。
再通过机加工去除多余的浇道、冒口，就得到叶片毛坯。
铸造出的叶片还需通过热处理来强化。
对于单晶叶片，典型的热处理条件是先经1300℃的固溶处理，使所有合金元素都溶解在镍基体中，形成单相过饱和固溶体；随后经1000℃的时效处理（即在较高温度长时间保温），析出细小的沉淀相（如Ni3(Al,Ti)），均匀分散在镍合金基体中，起到阻挡合金基体变形的作用，从而提高叶片的强度。
如果叶片的内部冷却通道过于复杂，整体铸造之后难以去除陶瓷型芯，那么就需要分部分铸造再焊接为一体。比如下面小图中叶片的端头是敞开的，需要焊接上一块盖板。
典型的焊接方法是真空钎焊（上图为真空钎焊炉），即在待焊接部位添加钎料（低熔点合金），再把焊件整体加热到钎料熔点以上、母材熔点以下的温度，利用熔化的钎料填充缝隙、与母材发生扩散反应而实现连接。
叶片表面的精确形状是通过精密加工获得的。
比如叶片根部，在叶片毛坯的铸造中只做出大致的外形轮廓，再加工出与涡轮盘连接的复杂榫头形状。为了便于装夹异形叶片，用低熔点金属包覆叶片。
在温度最高的叶片前缘（上图为东方电气G50燃气轮机的涡轮动叶）打出气膜孔，使叶片内的冷却气体逸出叶片表面，形成一层冷气膜，隔离高温燃气并带走热量。气膜孔的孔径为零点几毫米，一般采用激光打孔或电火花加工。
还要给叶片穿上一层抗高温“铠甲”——热障涂层（TBC），起到隔热和抗氧化的作用，能使叶片的耐温能力提高100℃（这是指叶片表面的温度，要再提高叶片的工作温度，就要靠上述冷却技术）。
这里展示的是等离子体喷涂，即以等离子体弧为热源，把热障涂层原料粉末加热并喷涂到工件表面（另一种方法是电子束物理气相沉积，即以电子束为热源）。热障涂层分为两层，外层为耐高温陶瓷材料，如钇稳定ZrO2（YSZ）；内层为金属黏结层，用于缓冲陶瓷涂层和高温合金基体间热膨胀系数的差异，并提高叶片的抗氧化腐蚀能力，一般为MCrAlY（M=Fe,Co,Ni）合金材料。
（东方电气自主研制的50兆瓦重型燃气轮机G50的转子）
如果说航空发动机和燃气轮机是现代工业皇冠之一，那么高温合金叶片就堪称皇冠上最耀眼的明珠。关键核心技术是买不来的，解决“心脏病”只能靠自己。近些年，我国已在先进高温合金和叶片制造技术上逐步取得突破，将助力国产工业心脏爆发更加澎湃的动能。
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参考资料和素材来源：
中央电视台. 《经济半小时》20170902《关注重大科技成果创新：王者归“铼”》. （航空发动机单晶叶片的生产）
http://tv.cctv.com/2017/09/02/VIDEyyZc1BtIyb4xXUh8N4A9170902.shtml
中央电视台. 《大国重器——动力澎湃》第1集《燃烧的力量》.20210517.（东方电气的燃气轮机叶片铸造，16:20开始）
https://tv.cctv.com/2021/05/17/VIDEHiC0R0pYU8Siln6GK8EM210517.shtml
中央电视台.《重装出川》第3集《大勇破坚》.20221222（东方电气的燃气轮机叶片铸造，7:12开始）
https://tv.cctv.com/2022/12/22/VIDEz5pYUCyUgxCzA7lEOTEg221222.shtml
L. S. Langston. Each Blade a Single Crystal. American Scientist. 2015, 103(1):30.
https://www.americanscientist.org/article/each-blade-a-single-crystal
U. Schulz et al. Some recent trends in research and technology of advanced thermal barrier coatings. Aerospace Science and Technology. 2003, 7: 73-80.
https://doi.org/10.1016/S1270-9638(02)00003-2