高性能航空燃气涡轮发动机是飞机的“心脏”，是工业皇冠上的明珠，也是制约我国航空业发展的“瓶颈”之一。自从二战末期喷气式飞机诞生以来，现代战机的设计指标的不断提升，自然也要求航空发动机朝着大推力、高推重比、低油耗等方向发展，而提高涡轮前进口温度是提高推重比最主要的途径之一。
涡轮位于燃烧室之后，涡轮叶片直面从燃烧室出来的高温高压气流，工作环境十分恶劣。
航空发动机已发展了四代并逐渐向第五代跨越，涡轮前进口温度也由最初的930~1030℃上升至1600℃左右。为应对不断升高的涡轮前温度，涡轮叶片在材料、结构、工艺3个方面都发生着深刻的变革，在材料方面，涡轮叶片材料从等轴晶发展到了单晶。在结构方面，从实心发展到复杂空心乃至超冷结构。在工艺方面，为配合材料、结构的变革，发展出了多种先进的成形工艺。随着对发动机推重比要求的进一步提高，涡轮叶片将朝着更耐高温、更轻质方向发展。高温合金的使用温度正在接近极限，如今开发新材料、新结构的涡轮叶片仍然是人们主要的研究方向之一。
航空发动机的涡轮盘以及涡轮叶片
二、涡轮叶片材料的发展为了满足第一代航空喷气式涡轮发动机的涡轮叶片的使用要求，20世纪50年代研制成功的高温合金凭借其较为优异的高温使用性能全面代替高温不锈钢，使其使用温度有一个飞跃的提高，达到了800℃水平。20世纪60年代以来，由于真空冶炼水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。热定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度、使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的疲劳性能，并且基本消除了垂直于主应力轴的横向晶界，进一步减少了铸造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷，使用温度达到了1000℃水平。
从左至右依次为等轴晶形成原理、使用热定向凝固的柱状晶形成原理，以及进一步发展出的单晶叶片形成原理图
后来在定向凝固技术的基础上，人们研发出了单晶合金涡轮叶片。其耐温能力、蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性较定向凝固柱晶合金有了进一步的提高，从而很快得到了航空燃气涡轮发动机界的普遍认可，几乎所有先进航空发动机都采用了单晶合金用作涡轮叶片，成为二十世纪80年代到现在以来，航空发动机的重大技术之一。下面我们就来看看单晶涡轮叶片的难点与制造技术：
三、单晶涡轮叶片的难点完整的涡轮叶片选材工作应该包括叶片结构设计、叶片强度设计、叶片材料设计、叶片制造工艺设计和叶片使用过程中的故障模式分析等多个方面的工作。涡轮叶片结构设计是叶片选材的出发点，20世纪90年代以来，世界航空发动机设计与制造商在各种新型发动机涡轮叶片的设计上大都采用了先进的复合倾斜、端壁斜率和曲率控制等技术，给单晶生长控制带来很大困难，由于凝固过程中的温度场与温度梯度分布复杂，一旦结构的突变区温度梯度控制不当或温度场分布不合理，使树枝晶的顺利生长容易受阻而产生分支或停滞，就容易形成新的晶粒而破坏叶片单晶生长的完整性，降低叶片局部的力学性能。另外，单晶叶片制造工序繁多，过程复杂，在表面处理、气膜孔加工、喷涂涂层等过程中非常容易产生外来应力，使其在后续长时间的高温使用过程中也可能出现再结晶现象，为发动机涡轮叶片的安全可靠使用带来潜在危险。
涡轮叶片
目前，涡轮叶片普遍采用复合气膜冷却单晶空心涡轮叶片技术提高其承温能力。受材料及结构限制，空心涡轮叶片通常采用熔模精密铸造工艺成形，其成形精度偏低、废品率极高。单晶空心涡轮叶片的合格率极低，仅为10%左右。叶片不合格的因素主要包括尺寸误差、再结晶缺陷、和铸造缺陷等。
四、单晶涡轮叶片的制造技术到目前为止，航空制造业一直基于Bridgman工艺生产高温合金定向或单晶叶片。由于该工艺较低的辐射传热效率等缺点，容易导致抽拉速度降低，引起雀斑和晶粒偏离方向等缺陷。为克服上述问题，近年来人们又研究发展了液态金属冷却法，利用液体对流散热来替代原来的辐射散热涡轮叶片形状结构复杂，由于铸造热应力的影响，导致叶片各部位铸造变形呈现出非线性，并以叶片铸件变形量的分布的形式体现出来。为补偿涡轮叶片精铸过程中的收缩变形，常规的方法是在模具型腔设计过程中给定一个综合收缩率。不过，由于收缩变形的结构相关性，该方法并不能精确地补偿叶片精铸过程的非线性变形。因此，需要对精铸型腔进行多次修正。
在控制叶片的材料组织性能方面，由于合金成分及凝固工艺设计、控制等问题。定向凝固和单晶高温合金铸件经常会出现雀斑、晶界、热裂和缩松等缺陷，严重影响叶片服役性能。单晶高温合金叶片中的凝固缺陷是叶片结构、凝固工艺和合金内凝固特性共同作用的结果。于是人们对铸造技术进行了优化，例如采用高温度梯度定向凝固技术不仅可以采用更快的下降速度提高生产效率，而且因为减少甚至消除单晶雀斑缺陷而提高铸件屈服强度，并不会形成断晶等缺陷。另外，采用引晶条、导热体等方法可以控制缺陷的产生，可以解决叶片缘板及叶冠等结构突变位置容易产生杂晶等凝固缺陷的问题。
五、新型的涡轮叶片目前，人们在尝试使用陶瓷基复合材料来制造航空涡轮叶片。耐温1370℃的陶瓷基复合材料已在中等载荷发动机零件上试验验证。不过这一技术能然处在起步阶段，技术成熟度较低，其结构、材料、工艺一体化的研究尚待进一步加强。随着人们的研究不断深入，陶瓷基复合材料在航空发动机涡轮叶片上应用的前景十分光明。
涡轮叶片新材料的发展必然导致其成形工艺的变革。例如F136发动机涡轮采用3级陶瓷基复合材料导向叶片，其耐温能力达1200℃，重量仅为镍合金的1/3，该导向叶片不再采用精密铸造工艺进行制造，而是基于化学气相渗透法等方法进行制备。随着3D打印技术的发展及成熟，将3D打印技术应用于涡轮叶片精密成形成为一大发展趋势，如GE利用电子束熔覆技术生产低压涡轮叶片；此外，3D打印技术也被应用于精铸蜡型、陶瓷铸型等的制造，这些都为复杂空心叶片制作探索了新的工艺方法。
六、总结航空发动机，作为飞机的“心脏”，是一种高度复杂和精密的热力机械，被誉为"工业之花"。它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。在现代航空发动机的设计原理中，发动机的整体性能与涡轮盘前的温度成正比。开发更加耐高温的涡轮叶片就是发动机性能取得突破的核心技术。经过几十年的发展，单晶金属叶片的性能已经几乎被榨干，很难再有大幅度提升的空间。新型陶瓷基复合材料是一个前景光明的发展方向，但未来的涡轮叶片，乃至未来的航空发动机将会朝着什么方向发展，让我们拭目以待。
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