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陶瓷型芯對渦輪葉片乃至“兩機”性能的提升具有重要作用
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 航安型芯    2023-08-21

（1）“兩機”產(chǎn)業(yè)的重要性

航空發(fā)動機、燃氣輪機匯集材料、機械、冶金、控制、電子、能源、化工等多學(xué)科多領(lǐng)域高精尖技術(shù)，集中體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)技術(shù)水平，是當代高科技的結(jié)晶，被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。

長期以來，美、俄、英、法等少數(shù)航空發(fā)達國家一直把優(yōu)先發(fā)展航空發(fā)動機作為基本國策，將航空動力工業(yè)發(fā)展成高附加值的國家高科技戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，把航空發(fā)動機技術(shù)列為嚴密封鎖、嚴禁出口轉(zhuǎn)讓的關(guān)鍵技術(shù)，并逐步形成了對航空動力技術(shù)和全球市場的壟斷地位。因此，自主研制“兩機”對我國推進實施創(chuàng)新型國家、航空航天強國、低碳能源革命、中國制造 2025 等戰(zhàn)略具有重要價值。

鑒于“兩機”的突出重要性，長期以來國家大力支持推進“兩機”重大科技專項，以實現(xiàn)我國軍用和民用航空發(fā)動機的進口替代、自主研制，發(fā)展有市場競爭力的航空產(chǎn)業(yè)，推動產(chǎn)業(yè)升級、帶動科技進步、增強綜合國力和國際競爭力。

2016 年頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》將“航空發(fā)動機及燃氣輪機”列為“科技創(chuàng)新 2030——重大科技項目”之首；2021 年頒布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和 2035年遠景目標綱要》將“航空發(fā)動機及燃氣輪機”列為“制造業(yè)核心競爭力提升”的八個重點領(lǐng)域之一。

（2）渦輪葉片是“兩機”最關(guān)鍵的零部件之一

渦扇發(fā)動機由于其推力大、推進效率高、耗油率低等特點，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗機、客機、運輸機、無人機等，占比在 95%以上，是目前應(yīng)用最為廣泛的航空發(fā)動機類型。

典型的渦扇發(fā)動機主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、加力燃燒室、尾噴管、附件傳動裝置及附屬系統(tǒng)等部件組成，其中壓氣機、燃燒室、渦輪是航空發(fā)動機三大核心部件。渦輪是驅(qū)動風扇、壓氣機及其他附件的動力源，主要作用是將燃燒室流出的高溫高壓燃氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生強大功率，并由渦輪軸輸出。

渦輪由渦輪葉片與渦輪軸、渦輪盤等部件共同組成。在渦扇發(fā)動機中，渦輪部件所承受的熱負荷、氣動負荷和機械負荷最大，工作條件極端惡劣。渦輪葉片在高溫及高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作，并傳遞大功率，因此“渦輪葉片是航空發(fā)動機中最關(guān)鍵的零件之一，處于發(fā)動機中溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，且數(shù)量眾多、形狀復(fù)雜、尺寸要求高、加工難度大，直接影響著航空發(fā)動機的性能。

”渦輪葉片的制造水平直接決定了渦輪承受的極限溫度，從而影響航空發(fā)動機熱力循環(huán)的兩個主要參數(shù)——推重比與動力，渦輪葉片設(shè)計與制造的好壞直接決定著發(fā)動機的性能、安全與壽命。

（3）陶瓷型芯的重要性

①陶瓷型芯是制造渦輪葉片的必備耗材

渦輪葉片工作環(huán)境惡劣，通常要承受 1600-1800℃的高溫，同時還要承受300m/s 左右的風速，以及由此帶來的巨大空氣壓力，這決定了渦輪葉片必須采用高溫合金且內(nèi)部多采用復(fù)雜、精密、進口狹小的氣冷結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通道光潔度可達微米級，因此渦輪葉片的制造無法采用鍛造、機械加工等制造方法，“航空發(fā)動機渦輪葉片還需要精密的制造技術(shù)——熔模鑄造工藝”，并“使用陶瓷芯來制作氣道”，并對陶瓷型芯的材料、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、尺寸精密程度、表面光滑程度以及在熔模鑄造中的強度、脫芯性能等提出了極高的要求。

②渦輪葉片性能的提升依賴陶瓷型芯的不斷改進

渦輪葉片性能的提升，主要體現(xiàn)在承溫能力的提升，常規(guī)采用提升高溫合金的承溫能力和改進氣冷結(jié)構(gòu)等手段實現(xiàn)。高溫合金經(jīng)歷了等軸晶、定向凝固柱晶、單晶的進化過程，然而目前耐熱性能最好的高溫合金材料工作溫度在 1,100℃左右。“目前，先進的發(fā)動機渦輪前進口溫度達到 1757℃，受金屬熔點的限制，通過改善葉片的制備材料來提高葉片的承溫能力已接近極限，因此，改進葉片的氣冷結(jié)構(gòu)、提高葉片的冷卻效率已成為葉片設(shè)計制造者的必然選擇。

在過去的幾十年中，發(fā)動機渦輪前進口溫度提高了 500℃，其中 70%的貢獻來源于采用了先進的葉片制造技術(shù)和更合理的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，葉片的冷卻方式由傳統(tǒng)的對流、回流、氣膜冷卻等方式發(fā)展為高效氣冷方式，冷卻效率已由 300℃左右提高到 600℃以上?！睘樘岣呃鋮s效率，渦輪葉片的空心氣冷結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、精密。下一代葉片冷卻技術(shù)向薄壁、多層壁、多通道、微擾流結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。

航空發(fā)動機效率與推重比等核心指標的改進要求不斷提高渦輪進口燃氣溫度，渦輪進口燃氣溫度的提升必然要求提高渦輪葉片的承溫能力，而渦輪葉片承溫能力的提高依賴于其復(fù)雜、精密空心氣冷結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。

由于陶瓷型芯是形成渦輪葉片內(nèi)腔空心機構(gòu)的必備核心部件、是制造渦輪葉片的第一步，因此，如不能制造出滿足要求的陶瓷型芯，就無法實現(xiàn)理想的渦輪葉片空心氣冷結(jié)構(gòu)，沒有陶瓷型芯的材料、制造工藝的持續(xù)改進就無法實現(xiàn)渦輪葉片性能的不斷提升。

（4）有關(guān)單位對陶瓷型芯重要性的認定

根據(jù)國家發(fā)改委、工信部、央視、中國科協(xié)、中國重燃等第三方權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的文件，陶瓷型芯在“兩機”產(chǎn)業(yè)鏈中居于突出重要的地位。