航空发动机 “以铸代锻”：高温合金单晶叶片制造革命

小梅沙

2025-06-13 08:09天津

在航空发动机制造领域，每一次技术革新都如同点亮一颗璀璨星辰，照亮人类探索蓝天的征程。其中，高温合金单晶叶片制造工艺从传统锻造向 “以铸代锻” 的转变，堪称一场意义深远的制造革命，为航空发动机性能提升带来了质的飞跃。
航空发动机叶片：性能要求催生技术变革
航空发动机作为飞机的 “心脏”，其性能直接决定了飞机的飞行性能、可靠性与安全性。而发动机叶片，尤其是涡轮叶片，堪称 “心脏中的核心部件”。涡轮叶片工作时，需承受高达 1400℃以上的燃气温度，同时还面临着每分钟数千转高速旋转产生的巨大离心力、复杂的气流冲刷以及热应力等多重极端载荷 。例如，在高涵道比涡扇发动机中，涡轮前温度已突破 1800K，这对叶片材料和制造工艺提出了近乎苛刻的要求 。
传统锻造工艺在制造叶片时，虽能赋予材料一定的致密性和力学性能，但面对日益增长的高温、高压、高应力工作环境需求，逐渐显得力不从心。锻造过程中，叶片内部易产生晶界，而晶界在高温下是薄弱环节，易引发裂纹扩展，降低叶片的高温强度和抗蠕变性能 。为满足航空发动机对叶片更高性能的需求，“以铸代锻” 的制造理念应运而生，成为突破叶片制造技术瓶颈的关键方向。
“以铸代锻”：开辟高温合金单晶叶片制造新路径
“以铸代锻” 并非简单地用铸造替代锻造，而是基于先进铸造技术，实现对高温合金微观组织和性能的精准控制，使铸造叶片性能达到甚至超越传统锻造叶片 。在高温合金单晶叶片制造中，这一理念主要通过定向凝固和单晶铸造技术得以实现。
定向凝固技术
定向凝固技术是 “以铸代锻” 的核心工艺之一。在传统铸造过程中，金属液凝固时晶体生长方向杂乱无章，形成多晶结构。而定向凝固技术通过精确控制凝固过程中的温度梯度和凝固速率，使晶体沿着特定方向生长，形成柱状晶组织 。具体操作时，将高温合金液浇入特定模具，模具底部设置冷却装置，顶部保持高温，从而在模具内建立起自上而下的温度梯度。在这种温度场下，晶体从底部开始向上生长，逐渐形成平行排列的柱状晶 。柱状晶组织消除了横向晶界，大大提高了叶片在高温下的抗蠕变性能和持久强度 。例如，采用定向凝固技术制造的某型航空发动机叶片，其高温持久寿命相比多晶铸造叶片提高了数倍 。
单晶铸造技术
单晶铸造技术则是在定向凝固技术基础上的进一步升华。它通过特殊的工艺手段，如籽晶法，确保在凝固过程中只有一个晶粒能够生长并最终形成整个叶片，完全消除了晶界 。籽晶法中，首先在模具底部放置一颗具有特定取向的籽晶，高温合金液浇入模具后，以籽晶为核心开始凝固生长，由于只有这一个晶粒有生长优势，最终形成单晶结构 。单晶叶片因其无晶界的独特结构，在高温强度、抗疲劳性能和抗氧化性能等方面表现卓越。研究表明，单晶叶片在 1100℃高温下的抗拉强度比定向凝固柱状晶叶片高出 20% - 30% ，且在复杂应力环境下的疲劳寿命显著延长 。
“以铸代锻” 优势尽显：性能、成本与效率的多重提升
卓越的性能提升
相比传统锻造工艺，“以铸代锻” 制造的高温合金单晶叶片在性能上实现了质的飞跃。首先，单晶结构消除了晶界，极大地提高了叶片的高温强度和抗蠕变性能，使其能够在更高温度下稳定工作，进而提高发动机的热效率和推力 。例如，某新型航空发动机采用单晶叶片后，涡轮前温度提高了 100 - 150℃，发动机推力增加了 10% - 15% 。其次，单晶叶片的抗疲劳性能大幅提升，降低了叶片在复杂循环载荷下的疲劳失效风险，提高了发动机的可靠性和使用寿命 。据统计，使用单晶叶片的发动机大修间隔时间延长了 20% - 30% ，减少了维护成本和飞机停飞时间 。
显著的成本降低
从成本角度看，“以铸代锻” 也展现出巨大优势。一方面，铸造工艺相比锻造工艺，工序更为简化，无需复杂的锻造模具和多道锻造工序，减少了设备投资和生产周期 。例如，传统锻造制造一片航空发动机叶片可能需要经过多次加热、锻造、机加工等工序，耗时数天，而采用铸造工艺，从合金熔炼到叶片成型，可在较短时间内完成 。另一方面，铸造工艺材料利用率更高。锻造过程中，由于材料需要反复锻打塑形，会产生大量废料，材料利用率通常仅为 30% - 40% ；而铸造工艺可根据叶片形状精确控制合金液用量，材料利用率能提升至 60% - 70% 。综合来看，“以铸代锻” 可使叶片制造成本降低 30% - 50% 。


高效的生产效率

在生产效率方面，“以铸代锻” 同样表现出色。铸造工艺易于实现自动化生产，通过自动化熔炼、浇注、凝固控制等设备，可大幅提高生产效率，满足航空发动机大规模生产需求 。例如，现代化的单晶叶片铸造生产线，采用自动化控制系统，可实现 24 小时连续生产，每天能生产数十片甚至上百片叶片 。而传统锻造工艺受设备和人工操作限制，生产效率相对较低 。
成果斐然：“以铸代锻” 在航空发动机领域广泛应用
目前，“以铸代锻” 制造的高温合金单晶叶片已在全球范围内的航空发动机中得到广泛应用。无论是商用航空发动机，如罗尔斯・罗伊斯的遄达系列、通用电气的 GE9X 发动机，还是军用航空发动机，如美国的 F119、F135 发动机，以及我国自主研发的涡扇系列发动机，都大量采用了单晶叶片技术 。以遄达系列发动机为例，其先进型号通过采用新一代单晶叶片，发动机燃油效率提高了 10% - 15%，噪声降低了 15% - 20%，显著提升了飞机的运营经济性和环保性能 。在我国，随着航空发动机技术的不断发展，单晶叶片制造技术取得了重大突破，已实现规模化生产，并应用于多款先进航空发动机型号，有力推动了我国航空事业的发展 。
未来展望：持续创新，推动航空发动机制造再升级
展望未来，随着材料科学、制造技术和计算机模拟技术的不断发展，“以铸代锻” 在高温合金单晶叶片制造领域将迎来更多创新与突破。在材料方面，新型高温合金材料将不断涌现，如具有更高熔点、更强抗氧化性能和力学性能的合金体系，进一步提升单晶叶片的高温性能 。制造技术上，3D 打印、人工智能控制等先进技术将与铸造工艺深度融合。3D 打印技术可实现叶片复杂内部冷却结构的精确制造，进一步提高叶片的冷却效率和热管理能力 ；人工智能控制技术则可实时监测和优化铸造过程中的各种参数，提高叶片制造质量的稳定性和一致性 。计算机模拟技术将在叶片设计和工艺优化中发挥更大作用，通过建立精确的材料模型和凝固过程模型，提前预测叶片性能和缺陷，指导工艺改进，缩短研发周期 。可以预见，“以铸代锻” 技术将持续推动航空发动机制造技术升级，为人类航空事业的发展注入源源不断的动力，助力飞机飞得更高、更快、更远。

Abbvie

下一代或许是纤维增强的复合材料了

天麟妖兽

Abbvie 发表于 2025-6-13 18:06
下一代或许是纤维增强的复合材料了

不清楚有没有记错，这位老师好像去年拿到了杰青延续资助基金

tianya2088

Abbvie 发表于 2025-6-13 18:06
下一代或许是纤维增强的复合材料了

把或许去掉，是陶瓷基复合材料，用的是SIC纤维等等，这方面中国和世界一流水平暂时差的还比较远，高校里面，西北工大比较强，工大是在从事涂层那部分的工作，也非常非常重要，任重道远啊！！！

congyun

李贺军校友在做的吧，合作攻关。 京校早年那些一等奖材料都被淘汰了

tianya2088

congyun 发表于 2025-6-13 20:19
李贺军校友在做的吧，合作攻关。 京校早年那些一等奖材料都被淘汰了

主要是在航材院，大学也干一些，北航那些金属材料的积累在陶瓷基复合材料领域被彻底清零了，什么3D打印的那些东西。。

看海

金属材料的积累在陶瓷基复合材料领域……？这逻辑真棒