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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

如果有人问你，什么是顶级的机械制造，你会怎么回答？在小编看来，航空发动机涡轮叶片的制造加工就称得上顶级，它是航空发动机最重要的零件之一，是决定涡轮发动机性能优劣的核心部件。涡轮叶片采用的材料不同于普通材料，价格非常昂贵。发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。本文主要介绍航空发动机涡轮叶片的加工过程、检测过程和铸造成型工艺。

一个涡轮叶片的制造就能难倒世界上90%以上的国家。涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为王冠上的明珠。制造涡轮叶片的材料以及生产工艺是航空强国和航空发动机设计生产厂家的核心技术和国家级机密之一。

众所周知，航空发动机是通过风扇的旋转来带动空气进入燃烧室，与燃料混合后进行燃烧。燃烧之后的高温高压高速气流就会直接被高压涡轮叶片的旋转而吸走，之后继续流向低压涡轮叶片，最后进入加力燃烧室再次燃烧，最终从尾喷管喷出。

以上就是航空发动机的工作流程。了解航空发动机的工作原理之后，就可以知道，高压涡轮叶片是工作在超高温、超高压的环境中，且自身还在以1.3万转每分钟的高速进行旋转。这么一来，高压涡轮叶片就必须要承受超过1000摄氏度以上的温度，20-50个大气的压力，高达10吨至15吨离心力的作用。

叶片加工

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。

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来源：两机动力先行