两机叶片丨这才是顶级的机械制造，详解航空发动机涡轮叶片的制造加工_疲劳_燃烧_化学_旋转机械_航空_铸造_裂纹_材料

叶片是一类典型的自由曲面零件，加工这类零件时都有一个特点：薄，加工时易变形，并且材质通常为不锈钢、INCONEL、钛和镍为基础的难加工合金材料，更增添了加工的困难度，同时对加工工艺与加工用的刀具提出了更高的要求。

在叶片的加工中，叶片加工难点有以下3个方面：铣工艺围带处，叶根的加工，铣拉筋孔。

叶片检测

对于飞机来说，发动机的正常运转是最为重要的一条，而要保证发动机安全运转，叶片的质量就必须通过严格的检测！叶片检测主要是尺寸和形状检测，以及裂纹检测。

1）尺寸和形状检测

一个发动机上有很多叶片，每一个圆盘上大概有30多个叶片，如果叶片的形状和尺寸不能够保证，那么在发动机高速运转时是非常危险的。所以对于叶片的型面和几何尺寸检测也是非常重要的，但是就叶片的形状来说常规测量方法很难进行测量，所以科学家研究出了一种三坐标测量系统，通过建立测量数据来建立模型从而判断叶片的型面和尺寸的差异。

2）裂纹检测

裂纹是发动机机叶片最致命的缺陷。而航空发动机叶片的工作条件非常恶劣，致使叶片经常受到冲击、摩擦，同时还忍受着高温的灼烧和冷热疲劳，叶片容易产生各种各样的裂纹，如果不能及时发现并处理，会对飞机飞行安全带来极大的威胁，所以采用有效的方法来发现叶片中的裂纹一直是科学家们追求的。目前，常用检测方法有CTI技术、TOFD技术、红外技术、UT技术等。

铸造工艺

下面我们简述一下如何制造航空发动机的涡轮叶片：

加工瓷土，将瓷土打碎，制作涡轮叶片的内芯。工人将塑形后的瓷土模型逐个检查修形，做好的瓷土模型将首先烧结成熔融石英陶瓷芯。涡轮喷气式发动机需要中空的涡轮叶片，只有高质量的陶瓷芯是失蜡法铸造的最好内芯材料，它能够在浇铸金属时依然能够保持稳定，在铸件冷却后有能通过化学工艺轻易溶解，在叶片中留下所需要的空气通道。

等待进行加工的瓷土模型在外部包裹蜂蜡进行失蜡法铸造，从而得到涡轮叶片。瓷土模型可以制作成横截面非常小，而且在加工过程中变形小。上述瓷土模型其实就是叶片中的空气通道，在发动机运转时，有空气在其中通过，从而冷却涡轮叶片保持工作稳定。

准备浇铸接口。这些接口将安装二到四个叶片，这样浇铸熔融金属时可以提高效率。给陶瓷芯包裹蜂蜡，蜂蜡的作用是在铸造范摸中形成空腔。将蜂蜡叶片安装到浇铸接口上后可以看到，已经包裹了陶瓷芯的蜂蜡叶片看起来结构粗壮，但都是浇铸时的金属流道，叶片其实非常细小。

将叶片进行最后加工，这样熔融金属就可以将空腔充满，不会造成铸造砂眼。到此，铸造模型终于被加工好。下一步是将这些铸造模型包裹瓷土，制作陶范。工人将铸造模型安装的一个旋转机械上。用机械手在陶土液中旋转，使其均匀包裹住模型的任何部位。这样才能算合格。之后加入特殊风箱中，在外表喷淋瓷土，形成厚实的外壳。进行风干。

之后，铸造模型在精密铸造车间进行浇铸。首先要进行加温，将铸造模型外部包裹的瓷土烧成陶瓷范模。同时，将内部的蜂蜡排出，形成铸造空腔。工人取出铸造范模。然后这些范模将浇铸特殊合金溶液。每种范模都要一种特别的熔炉进行加工。大型部件的范模生产温度非常高。最后，生产出的叶片还需要进行X光探伤。每个叶片都要进行多角度探伤，防止出现任何瑕疵。X光照片，可以看出叶片内部的空腔。

整个涡轮叶片生产工艺非常繁复，完全超越了珠宝制造工业，而这仅仅是“工业皇冠上的钻石”——航空发动机制造的一小部分。完整的叶片设计制造包括：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，叶片使用过程中的故障模式分析等。咱们今天展示的内容只是很少的一部分。

从航空发动机涡轮叶片的发展历程来看，材料、工艺与设计一体化的趋势越加明显。发动机设计是由低水平向高水平发展，叶片材料设计也是如此，设计阶段不同，设计要求不同，设计方法不同，采用的材料和制造工艺也不相同。