毫无疑问的顶级制造：航空发动机涡轮叶片铸造及加工

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机，其制造过程十分复杂，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。这期主要介绍涡轮叶片的组成和铸造成型工艺过程。

01 涡轮叶片组成

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为了完成由燃气化学能到转子机械能的转化，涡轮叶片在结构上主要由叶冠、叶身、缘板、叶根四部分组成。

叶身：其功能主要是实现叶片的气动特性。叶身不同高度的截面形状通过气动设计来选取，周向上相邻叶片的叶身之间构成气流通道，供高温、高压燃气流过并膨胀做功；同时，叶身型面还兼具调整气流方向的功能，保证气流进入排气系统时轴向速度均匀。

缘板：其功能主要是形成独立的气流通道，保证高温燃气不会流入气流通道以外的涡轮盘、密封、支承等其他耐温性较差的部件。缘板介于叶身与叶根之间，一般采取方形结构，上下分别通过过渡段和叶身、叶根连接，同一级转子的叶片缘板组成一个封闭的环形结构。

叶根：其功能主要是连接叶片和轮盘，以便将功率传输到与轮盘相连的转子轴上。叶根靠上、和缘板连接的部分称为伸根。叶根下端，连接涡轮盘的部分一般采用枞树形榫头，其优点有：榫头的周向尺寸较小，可在轮缘上安装较多的叶片，输出功率大；多个齿面传力，承载能力强，安全裕度大；接触面积较大，有利于散热和摩擦减振；间隙配合，受热后能够自由膨胀，可以减小热应力；拆装方便等。

叶冠：为了提高涡轮效率，常在叶片的上端采用一个类似缘板的叶冠结构。其作用是：减小叶尖由叶盆向叶背的漏气，降低二次损失，提高涡轮效率；相邻叶片的叶冠之间的摩擦可以吸收震动能量，起到减振作用；同一级转子叶片的叶冠相互抵紧，可增强叶片的刚性，提高其抗振强度；带冠叶片可以采用对气动性更为有利的薄叶型。目前，常用的叶冠形状主要为平行四边形和锯齿形叶冠。

02 涡轮叶片加工制造

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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、蒙乃尔合金、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。

再看看国外某工厂铸造工艺制造航空发动机的涡轮叶片全过程。

▲首先将瓷土通过粉碎机打碎，制作涡轮叶片的内芯。

▲工作人员正在将塑形后的瓷土模型逐个检查修形，做好的瓷土模型将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。

▲已经包裹了陶瓷芯的蜂蜡叶片

▲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。

▲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。

▲机械手将模型加入特殊风箱中，在外表喷淋瓷土，形成厚实的外壳。

▲包裹陶土后的铸造模型，再进行风干处理

▲接着要进行加温，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。

▲每种范模都要一种特别的熔炉进行加工。

▲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。

（金昕炜）

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