原標題：成都航宇公司總工程師宋揚、空軍某航修廠專業(yè)工程師侯廷紅為您解讀航空發(fā)動機葉片的奧秘——小小葉片如何驅(qū)動戰(zhàn)機飛行

航修廠技術(shù)人員采用激光增材技術(shù)修復(fù)葉片。羅九龍攝

前不久，國外一架民航客機在萬米高空航行時，發(fā)動機突然發(fā)生爆裂，部件碎片擊穿客機舷窗，導(dǎo)致飛機瞬間失壓。事后，有關(guān)部門調(diào)查稱，事故原因是發(fā)動機風扇葉片發(fā)生斷裂。

葉片是將燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為飛機飛行動能的關(guān)鍵零部件，加工難度大、質(zhì)量要求高。葉片一旦發(fā)生斷裂，將對發(fā)動機內(nèi)部造成連環(huán)破壞，給飛機帶來致命損傷。

無論是過去的活塞發(fā)動機，還是現(xiàn)在的渦輪風扇發(fā)動機，都是通過葉片對空氣壓縮做功，利用空氣反作用力，為飛機提供飛行動能。從螺旋槳槳葉，到風扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片，航空發(fā)動機葉片歷經(jīng)多次更新迭代，變得質(zhì)量更輕、強度更高、更耐高溫。

葉片制造工藝每一次革新進步，都在推動著航空發(fā)動機性能不斷躍升?？此菩∏傻摹吧戆濉?，承載著人類孜孜以求的飛天夢，也是國家軍事航空業(yè)發(fā)展壯大必須要邁過的一道“門檻”。

“小身板”能量大， 處處盡顯“科技范”

現(xiàn)代戰(zhàn)機多采用渦扇發(fā)動機。渦扇發(fā)動機前端的風扇吸入空氣后，一部分空氣進入發(fā)動機核心（也稱內(nèi)涵道），與燃料混合燃燒后排出；另一部分空氣進入環(huán)繞發(fā)動機核心的外涵道，不進行燃燒，從渦輪發(fā)動機外殼向外噴出，形成推動飛機飛行的動能。

打開整流罩外殼，觀察發(fā)動機內(nèi)部，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)動機葉片竟如此普通：不僅“長相一般”，身材也略顯“矮小”。從前至后，一排排風扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片錯落排列。葉片排數(shù)與級數(shù)相同，排數(shù)越多、級數(shù)越大。

風扇葉片是“三兄弟”中的“高個子”，位于軍用渦扇發(fā)動機最前端。為了適應(yīng)超音速飛行，戰(zhàn)機正面風阻面積不宜過大，風扇葉片尺寸設(shè)計有一定限制。因此，軍用渦扇發(fā)動機風扇通常有多級葉片，確保產(chǎn)生足夠大的推力。

此外，風扇葉片的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是影響風扇對空氣做功效率的重要因素。風扇葉片經(jīng)歷了窄弦實心葉片、寬弦空心葉片、復(fù)合材料葉片和整體葉盤的發(fā)展歷程。由英國羅爾斯羅伊斯公司研發(fā)的EJ200渦扇發(fā)動機，采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)分體式葉片和輪盤相比，整體葉盤將葉片和輪盤設(shè)計省去了傳統(tǒng)連接所需的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，減少了零件數(shù)量，簡化了發(fā)動機結(jié)構(gòu)，同時采用新的寬弦、彎掠葉片和窄流道，進一步提高了氣動效率。

空氣經(jīng)過風扇初步壓縮后，進入壓氣機繼續(xù)加溫加壓。壓氣機葉片在“三兄弟”中最為“纖細”。葉片經(jīng)過精密鍛造、磨削拋光、表面強化等技術(shù)加工，被制成實心結(jié)構(gòu)。為了獲得更高的增壓比、產(chǎn)生更大推力，空氣通常需要經(jīng)過多級壓氣機葉片壓縮。

在EJ200發(fā)動機上，五級高壓壓氣機轉(zhuǎn)子采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。這一設(shè)計使壓氣機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進一步簡化，發(fā)動機重量減少30%以上。

壓氣機形成的高溫高壓氣體與燃料混合，燃燒生成高溫高壓燃氣，推動渦輪轉(zhuǎn)動做功。渦輪葉片在“三兄弟”中堪稱“八面玲瓏”，面對高溫、高壓、腐蝕、磨損和復(fù)雜載荷等各種惡劣工況仍能應(yīng)對自如，而這一切都與它的“硬核”設(shè)計密不可分。

渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度非常高。如今，大多數(shù)渦輪葉片材料使用耐高溫性強的鎳基單晶高溫合金。除了單晶高溫合金，渦輪葉片上還應(yīng)用了氣冷空心結(jié)構(gòu)和陶瓷熱障涂層，既為葉片外部披上“防護服”，更在其內(nèi)部裝上“天然空調(diào)”，葉片的高溫防護能力明顯增強。各項新材料、新技術(shù)、新工藝不斷投入應(yīng)用，使得葉片小小的“身板”里滿滿都是“科技范”。

戰(zhàn)機的戰(zhàn)力首先取決于發(fā)動機的推力，而推力則取決于渦輪葉片的耐高溫能力

說起來頗有些傳奇色彩，早期飛機上使用的螺旋槳，竟源自一次船舶航行試驗的意外成果。

1837年，英國造船工程師史密斯等人駕駛“阿基米德”號蒸汽船展開航行試驗。途中，螺旋推進器在碰到水中障礙物后發(fā)生斷裂。盡管推進器只剩下一小截，但船的航行速度卻比原來提高了一倍多。工程師們從中受到啟發(fā)，發(fā)明了螺旋槳的雛形。直到1903年，“飛行者一號”試飛成功，螺旋槳才正式在飛機上應(yīng)用。

最早的飛機螺旋槳采用木質(zhì)雙葉結(jié)構(gòu)，像兒時玩具“竹蜻蜓”。這種螺旋槳結(jié)構(gòu)在一戰(zhàn)時期的戰(zhàn)機上較為多見，英國“駱駝”式戰(zhàn)機就是其中代表。當時，戰(zhàn)機發(fā)動機功率較小，木質(zhì)雙葉螺旋槳已經(jīng)完全可以滿足其全部動力。

隨著發(fā)動機功率不斷提升，木質(zhì)雙葉結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)飛機高速飛行的要求，增加螺旋槳槳葉數(shù)成為適應(yīng)發(fā)動機功率、提高螺旋槳推力的常用方法。

進入噴氣時代，螺旋槳槳葉逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是集各種高科技于一身的渦輪葉片。

軍用渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度，對發(fā)動機性能有著直接影響。高壓渦輪進口溫度每提升100℃，發(fā)動機推力提升10%。因此，渦輪葉片的耐高溫能力越強，越有利于提升發(fā)動機性能。

上世紀40年代，科學家成功研制出第一塊耐高溫合金，并應(yīng)用到第一代軍用渦扇發(fā)動機的渦輪葉片上。隨后，渦輪葉片經(jīng)歷了兩次重大變革：一是上世紀50年代出現(xiàn)的真空熔模鑄造技術(shù)，能夠大幅減少葉片有害雜質(zhì)含量；二是上世紀60年代興起的定向凝固合金技術(shù)，使葉片的熱疲勞性能得到明顯提升。研究人員將定向凝固高溫合金與簡單的氣冷技術(shù)結(jié)合，打造出第二代軍用渦扇發(fā)動機的渦輪葉片。

20世紀70年代末，葉片制造工藝取得革命性突破，第一代單晶高溫合金葉片正式問世。單晶高溫合金葉片與單通道氣膜冷卻技術(shù)相結(jié)合，綜合運用到第三代軍用渦扇發(fā)動機的渦輪葉片上，渦輪前溫度又一次得到大幅提升。

目前，新一代單晶高溫合金和新型陶瓷基復(fù)合材料相繼問世，多通道雙層空心壁冷卻技術(shù)也日趨成熟。渦輪葉片的材料結(jié)構(gòu)和制造工藝的變化，讓戰(zhàn)機飛行性能變得更加強大。

葉片快速修復(fù)，像壁虎長出“尾巴”

戰(zhàn)機高速飛行時，發(fā)動機葉片的工作條件是什么樣的呢？

以羅爾斯羅伊斯公司研發(fā)的RB211渦扇發(fā)動機為例，風扇葉片繞軸飛旋時，巨大的離心載荷相當于一輛M1A1主戰(zhàn)坦克的重量。除離心載荷外，風扇葉片還要面對氣動載荷、交變負荷，以及與飛鳥、砂石等外物的“不期之遇”。

而渦輪葉片作為第一關(guān)鍵部件，要面對1000℃以上腐蝕燃氣的正面沖擊，還要抵擋來自燃氣雜質(zhì)的腐蝕。在這樣惡劣條件下，渦輪葉片難保“金剛不壞之身”，出現(xiàn)裂紋、磨損、性能下降等情況在所難免。以國內(nèi)某型發(fā)動機為例，全臺發(fā)動機有2000多個葉片，如果磨損后一一更換，其費用接近發(fā)動機整機采購價的2/3。另外，葉片制造加工難度大、質(zhì)量要求高，其備件供應(yīng)周期難以保證，無法滿足發(fā)動機的維修保障需求。

那么，能否像壁虎重新長出“尾巴”，幫助發(fā)動機葉片實現(xiàn)“快速再生”？

航空發(fā)動機零部件再制造技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)涵蓋表面處理、增材制造、焊接、熱處理、涂層加工等多項先進工藝。經(jīng)過再制造技術(shù)修復(fù)的磨損零部件，質(zhì)量不低于新品。在國外，這一技術(shù)很早就已經(jīng)被應(yīng)用到發(fā)動機的葉片修復(fù)上。

每片葉片都有自己的“身份證”，誕生之初就會被打上標簽。葉片每次磨損情況都將記入“病歷檔案”，并進行存檔?！皰焯枴钡怯浲戤吅?，接下來葉片將被推進“手術(shù)室”。一臺“手術(shù)”大體分為以下3步：

第一步前期處理。對表面有保護涂層的葉片采用物理和化學方法進行去除，隨后對葉片進行“全面體檢”，發(fā)現(xiàn)“病灶”后，開展去除裂紋表面氧化膜、制備焊接坡口等“清理創(chuàng)口”工作。

第二步正式“手術(shù)”。應(yīng)用焊接、釬焊、冷/熱噴涂、增材制造等工藝方法，對葉片型面損傷的地方進行填補，再利用磨拋或機械加工等方法去除多余材料。

第三步后期處理。盡管葉片已“重獲新生”，但仍需要接受多次“復(fù)檢”，確保修復(fù)完成后不會出現(xiàn)二次損傷。隨后，還要恢復(fù)葉片表面的“保護外套”、疏通堵塞的“呼吸通道”、調(diào)理表面的“健康狀態(tài)”，方能領(lǐng)取質(zhì)量合格證。

目前，不少國外公司在葉片修復(fù)技術(shù)上有著豐富的技術(shù)底蘊。例如，德國MTU公司與漢諾威激光研究中心應(yīng)用激光立體成形制造技術(shù)來修復(fù)渦輪葉片。在國內(nèi)，空軍某航修廠經(jīng)過10余年的努力探索，提出了發(fā)動機多型部件故障的解決方案，先后突破了一系列關(guān)鍵核心技術(shù)。

經(jīng)過修復(fù)技術(shù)“治療”，葉片能夠像壁虎長出“尾巴”一樣，在原有基礎(chǔ)上實現(xiàn)“快速再生”，不僅使發(fā)動機維修周期明顯縮短，而且為戰(zhàn)機平安起降提供有力保障。