航空材料——之发动机涡轮叶片班级：发动机1102航空材料与热处理论文----飞机发动机涡轮叶片引言近半个多世纪以来, 航空发动机技术取得了巨大的进步, 军用发动机推重比从初期的2~ 3提高到10甚至20, 这就对材料和制造技术的发展提出了更高的要求。

航空发动机涡轮叶(包括涡轮工作叶片和导向叶片)是航空发动机中承受温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一, 在高温下要承受很大、很复杂的应力, 因而对其材料的要求极为苛刻。

自20世纪四十年代以来, 对航空发动机涡轮叶片用材料, 国内外都投入了大量的人力、物力进行研究, 研制出了不同的系列, 满足了航空发动机发展的需求。

关键词：涡轮叶片；防腐与维护；K403合金；热处理；显微组织一、国外概况航空发动机涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。

随着材料研制技术和加工工艺的发展,铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。

美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片, 前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片, 英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。

而航空发动机不断追求高推重比, 使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求, 因而国外自70年代以来纷纷开始研制新型高温合金, 先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料; 单晶高温合金已经发展到了第3代。

80年代, 又开始研制了陶瓷叶片材料, 在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。

二、中国概况中国高温合金的研制始于1956年。

1957年成功研制出第1种涡轮叶片材料GH4033, 但是, 由于当时生产水平较低, 工艺未完善, 航空发动机制造用材料基本上是从前苏联进口的。

直至60年代初, 由于中苏关系恶化, 无法从前苏联进口材料, 发动机的生产面临材料短缺。

在此情况下, 中国相关部门联合开展技术攻关, 解决了GH4033、GH4037、GH4049等材料的生产质量和工艺问题, 开始书写了研制中国发动机涡轮叶片用变形高温合金的新篇章。

在变形高温合金成功研制的基础上, 中国又相继研制了K403、K405、K417、K418 和K423 等一系列等轴晶铸造高温合金, 满足了国内航空发动机生产以铸造代锻造, 使导向叶片和涡轮叶片铸造化的要求, 并在70 年代应用于航空发动机制造。

70年代末, 中国开始了定向凝固柱晶高温合金、单晶高温合金、金属间化合物基高温合金等新材料的研制工作, 先后研制成功了DZ4、DZ22、DZ125等定向凝固柱晶高温合金,DD3、DD4, DD6等单晶高温合金,IC6, IC6A, IC10等金属间化合物基高温合金, 并已应用于中国各型号航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片的制造。

从表1列出的中国涡轮叶片用主要材料的概况中看出, 航空发动机的发展对涡轮叶片用材料的使用温度提出了越来越高的要求; 中国涡轮叶片用材料也从变形高温合金发展到了单晶高温合金和金属间化合物基高温合金, 其使用温度从700℃提高到了1100℃~1150℃。

表1.. 中国涡轮叶片用主要材料的概况三、工作环境及其性能要求涡轮叶片包括静止的导向叶片和转动的工作叶片。

涡轮是在燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室排出的高温高压燃气流经流道流过涡轮，所有叶片恰好都是暴露在流道中必须承受约1000°C的高温1Mpa的以上高压燃气的冲刷下正常工作。

燃气和空气的混合气体从燃烧室喷出后，气流沿两片导向叶片之间收敛的通道，加大速度，降低压强，膨胀并改变方向，以适当的角度和每秒几百米的速度，冲向涡轮的工作叶片，使工作叶片高速旋转，并通过涡轮轴带动压气机旋转。

涡轮转子叶片在工作中一直处于高温工作状态，因此热疲劳和高温蠕变性能也是涡轮转子叶片的重要失效抗力指标。

四、失效形势叶片产生失效的主要原因，归纳起来主要包括：热疲劳在内的低循环疲劳。

振动引起的高循环疲劳，高温长时间载荷作用下的蠕变变形和蠕变应力断裂，高温燃气冲刷腐蚀和氧化、以及外物损伤等。

转子叶片的失效模式随工作条件的不同而有所不同，主要是外物损伤、变形伸长和断裂三种失效形式。

叶片的外物损伤失效主要表现为凹坑、掉块、表层剥落、弯曲变形、裂纹和折断等。

其中凹坑、裂纹等损伤往往会成为腐蚀和疲劳断裂的初因。

转子叶片变形伸长失效的直接后果是叶身与机匣相磨，降低发动机的使用可靠性。

其主要原因有：材料选用不当或热处理工艺不当使叶片的屈服强度偏低；叶片工作温度过高，是叶片强度降低；或者发动机超转，造成离心力过高。

叶片变形失效在实际使用中出现的概率较低。

判断叶片是否发生变形伸长的主要依据是检查机匣有无磨损的痕迹或检查叶片是否由于使用温度过高而发生蠕变。

转子叶片出现断裂失效的概率最高，其危害性也最大，往往是一个叶片折断而打坏其他叶片，乃至使整台发动机无法工作而危及飞行安全。

除因外物撞击造成叶片瞬时过载断裂外，绝大多数是由于各种原因引起的不同类型的疲劳断裂失效。

叶片疲劳断裂失效主要是因为离心力叠加弯曲应力引起的疲劳断裂、由振动环境引起的颤振，扭转共振、弯曲振动疲劳断裂以及由环境介质以及接触状态引起的高温疲劳、微动疲劳和腐蚀损伤导致的疲劳断裂。

但由于叶片工作环境的复杂性，叶片实际的疲劳断裂往往并非上述某一模式。

而是多种情况的叠加。

五、涡轮转子叶片结构特点现代航空发动机多处采用多级轴流式涡轮。

涡轮叶片具有气动力翼型型面，为了使燃气系统排出的燃气流竜在整个叶片长度上做等量得功，并保证燃气流以均匀的轴向速度进入排气系统从叶根到叶尖有一个扭角，叶尖处的扭角比叶根处要大。

涡轮转子叶片在涡轮盘上的固定方法十分重要，现代大多数燃气涡轮发动机转子都采用“枞树形”榫齿。

这种榫齿精确加工和设计，以保证所有榫齿都能按比例承受载荷。

当涡轮静止时，叶片在榫槽内有一定的切向活动量；而当涡轮转动时，离心力将叶根拉紧在盘上。

涡轮叶片材料是保证涡轮性能和可靠性的基础，涡轮叶片早期是用变形高温合金，采用锻造的方法制造。

由于发动机设计与精铸技术的发展，发动机涡轮叶片从变形合金发展为铸造合金从实心发展为空心，从多晶发展为单晶，从而大大提高了叶片的耐热性能。

由于镍基单晶超合金具有卓越的高温蠕变性能已成为制造航空发动机热端部件的重要材料。

六、涡轮叶片所采用的材料所选材料是K403,K403合金是一种铸造镍基高温合金。

该合金具有较高的高温强度，广泛用于铸造涡喷、涡浆、涡轴和涡扇等系列发动机的导向叶片和工作叶片。

γ’相是镍基合金的主要强化相，影响合金的高温性能。

K403合金中有较高含量的γ’相形成元素Al，Ti 等，因而合金组织中γ’相的体积分数较高。

表1 K403镍基合金的化学成分成分C Cr Co W Mo B Al Ti Ce Fe Si Mn Ni含量%0.1511.2 5.2 5.02 4.200.02 5.62 2.650.070.50.20.1Bal七、零件热处理工艺a.铸造毛坯叶片→固溶处理或固溶+时效处理→粗加工→涂渗防护层→精加工。

b.铸造无余量叶片（包括定向结晶或单晶叶片）→真空下（或保护气体）固溶处理或固溶+时效处理→涂渗防护层→精加工。

K403热处理合金牌号工序名称热处理工艺冷却方式备加热温度℃保温时间K403固溶处理12104h空冷K403热处理后的高温性能试验温度℃σb,MPaδs,%Ψ,%持久不小于σ，MPa t,h(不小于) 800785 2.0 3.075064550不同固溶温度下K403 合金的显微组织热处理工艺σb/MPaσ0.2/MPaδ5/%ψ/%Hardness,HRC1190℃,4h，AC+900℃,16h，AC1060955 6.07.042.4 1190℃,4h，AC+940℃,16h，AC1110930 4.0 5.045.2 1190℃,4h，AC+980℃,16h，AC10509007.08.541.1表2 不同温度时效后合金的800 ℃拉伸性能和室温硬度八、材料的腐蚀情况对于发动机涡轮叶片来说，涡轮叶片的工作环境是在高温下进行的高速旋转，因此，对于高温来说，为了防止高温的腐蚀，我们通常在涡轮叶片上涂上一层隔热图层，已达到高温防腐的目的九、防护方法1.改进工艺工艺因素对涡轮叶片疲劳强度的影响远大于尺寸因素的影响。

先进、合理的工艺流程可以使叶片的疲劳性能稳定、并提高叶片的承载能力。

2.锻、铸造工艺为了提高叶片的锻、铸造质量，因此在锻、铸造过程中要注意以下工作参数的选择：（1）浇注温度的选区应以使型壳得到良好的填充和保证铸件获得最少的疏松为原则（2）型壳温度的选择应与浇注温度相配合（3）冷却速度。

影响叶片蠕变性能的主要因素是铸造条件下的叶片冷却速度。

对于高温的涡轮叶片，应选取高的冷却速度，以改善涡轮叶片的高温性能。

3.机械加工工艺涡轮叶片的疲劳强度同时取决于机械加工和残余应力的大小，以及叶片的结构复杂性。

因此，在机械加工过程中，主要从以下几个方面改进加工工艺。

（1）提高叶片表面光洁度，尽量皮面擦伤和划痕；（2）使叶片的加工方向与最大主应力方向一致；（3）在制造过程中，应避免在叶片表面层产生有害的拉伸残余应力。

（4）采取时效处理。

（5）尽可能将叶片按设计流线型加工，确保叶片表面成流线型状态，减小应力集中。

4.表面强化表面强化是提高涡轮叶片疲劳强度的有效方法之一，目前涡轮叶片常用的表面强化的主要措施有：化学热处理，表面淬火，喷丸处理和表面滚压。

这些强化表面层的工艺措施可以提高涡轮叶片的表面硬度，从而减少涡轮叶片的表面损伤，而最主要的还是在涡轮叶片表面形成一层具有压缩残余应力的表面层。

涡轮叶片的疲劳损坏是由其表面层所受的拉应力所引起的，表面层的残余压应力可以抵消一部分拉应力，从而使涡轮叶片的疲劳强度得到提高。

5.表面防护涡轮叶片疲劳破坏一般都是从表面开始，而表面与高温燃气环境接触，这对疲劳强度影响很大。

因此，采用合适的表面防护方法，使叶片表面与高温燃气环境隔离可以提高叶片的耐高温疲劳强度。

目前涡轮叶片表面防护的主要措施是各种高温涂层。

这些高温涂层主要包括扩散涂层、改性铝化物涂层、包覆涂层和热障涂层。

6.合理维护和使用合理的维护和使用对提高涡轮叶片的疲劳强度也有重要意义。

在外场维护的过程中，要严格按照维护手册和飞行条例操作。

加强叶片的检测和维护，尽量减小叶片振动和避免出现叶片的共振，防止在叶片内部出现大的交变应力，防止叶片因腐蚀及打伤而加速叶片的振动疲劳损坏。

严禁频繁的启动和停车，因为在规定寿命内发动机启动次数越多，叶片抗疲劳性能降低就越多。

尽量避免出现高频的载荷波动，防止造成低周疲劳破坏和高低周复合疲劳破坏。