原標題(ti)：成都航宇公司總工程師(shi)(shi)宋(song)揚、空(kong)軍某航修廠專業工程師(shi)(shi)侯廷紅為您解讀(du)航空(kong)發動(dong)機葉片的奧秘(mi)——小小葉片如何(he)驅動(dong)戰機飛行

航修廠技術人員采用激光增材技術修復葉片。羅九龍攝

前(qian)不久(jiu)，國外一架民航(hang)客機在萬米(mi)高空航(hang)行時，發動機突然發生爆裂(lie)，部(bu)件碎片擊(ji)穿客機舷(xian)窗(chuang)，導致飛(fei)機瞬間失壓。事后(hou)，有關部(bu)門調查(cha)稱(cheng)，事故原(yuan)因是發動機風扇葉片發生斷裂(lie)。

葉片是將(jiang)燃(ran)料內能(neng)轉化為飛機飛行動能(neng)的關鍵零部件，加(jia)工難度大、質量(liang)要求高(gao)。葉片一旦發(fa)生斷裂，將(jiang)對發(fa)動機內部造成連環破壞，給飛機帶來致命(ming)損(sun)傷。

無論是過去(qu)的活塞發動機(ji)，還是現在的渦輪風扇發動機(ji)，都是通過葉(xie)片對空(kong)(kong)氣(qi)壓縮做功，利用空(kong)(kong)氣(qi)反作用力，為飛機(ji)提供飛行(xing)動能。從螺旋(xuan)槳槳葉(xie)，到風扇葉(xie)片、壓氣(qi)機(ji)葉(xie)片、渦輪葉(xie)片，航空(kong)(kong)發動機(ji)葉(xie)片歷經(jing)多次更(geng)新迭代，變得質量更(geng)輕、強度更(geng)高(gao)、更(geng)耐(nai)高(gao)溫。

葉片制造工藝每一(yi)次革新進步，都在推動著(zhu)(zhu)航空(kong)(kong)發動機(ji)性(xing)能(neng)不斷躍(yue)升(sheng)。看似小巧(qiao)的“身(shen)板”，承載著(zhu)(zhu)人類孜孜以求的飛(fei)天夢，也是(shi)國家軍事航空(kong)(kong)業(ye)發展(zhan)壯大(da)必(bi)須要邁過的一(yi)道“門檻”。

“小身板”能量大， 處處盡顯“科技范”

現代(dai)戰機(ji)(ji)(ji)(ji)多(duo)采(cai)用渦扇(shan)發(fa)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)。渦扇(shan)發(fa)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)前端的風扇(shan)吸入空(kong)氣后，一部(bu)分空(kong)氣進(jin)入發(fa)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)核(he)心（也稱(cheng)內(nei)涵道(dao)），與燃料混合燃燒(shao)(shao)后排出；另一部(bu)分空(kong)氣進(jin)入環繞發(fa)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)核(he)心的外(wai)涵道(dao)，不進(jin)行(xing)燃燒(shao)(shao)，從渦輪發(fa)動(dong)(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)外(wai)殼向外(wai)噴(pen)出，形成推動(dong)(dong)(dong)(dong)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)飛(fei)行(xing)的動(dong)(dong)(dong)(dong)能。

打開整流罩(zhao)外殼，觀察發動機(ji)內部(bu)，我們發現(xian)發動機(ji)葉片(pian)竟如此(ci)普(pu)通(tong)：不僅(jin)“長相(xiang)一般”，身(shen)材(cai)也略顯“矮小”。從前至后(hou)，一排(pai)排(pai)風扇(shan)葉片(pian)、壓氣機(ji)葉片(pian)、渦輪葉片(pian)錯落排(pai)列。葉片(pian)排(pai)數(shu)與級(ji)(ji)數(shu)相(xiang)同，排(pai)數(shu)越多、級(ji)(ji)數(shu)越大。

風(feng)扇葉片是“三兄弟”中(zhong)的“高個(ge)子”，位于軍用(yong)渦扇發動機(ji)最前端。為(wei)了適應超音速飛行，戰機(ji)正面風(feng)阻面積不宜過大，風(feng)扇葉片尺寸設(she)計有一定限制。因(yin)此(ci)，軍用(yong)渦扇發動機(ji)風(feng)扇通常有多級(ji)葉片，確(que)保產(chan)生足夠大的推力。

此外，風(feng)(feng)扇(shan)(shan)(shan)葉片(pian)的(de)外形(xing)和(he)內部結構(gou)，也是(shi)影(ying)響風(feng)(feng)扇(shan)(shan)(shan)對空氣做功(gong)效率的(de)重(zhong)要因(yin)素。風(feng)(feng)扇(shan)(shan)(shan)葉片(pian)經歷了窄(zhai)弦(xian)實心(xin)葉片(pian)、寬弦(xian)空心(xin)葉片(pian)、復合(he)材(cai)料葉片(pian)和(he)整體葉盤的(de)發(fa)展歷程。由英(ying)國羅爾斯(si)羅伊(yi)斯(si)公(gong)司研發(fa)的(de)EJ200渦扇(shan)(shan)(shan)發(fa)動機，采用了整體葉盤結構(gou)。

與(yu)傳(chuan)統分體式葉(xie)(xie)片和(he)(he)輪(lun)盤(pan)相比，整(zheng)體葉(xie)(xie)盤(pan)將葉(xie)(xie)片和(he)(he)輪(lun)盤(pan)設計省去(qu)了傳(chuan)統連接所需的榫頭、榫槽(cao)和(he)(he)鎖緊裝置，減少了零件數量，簡化(hua)了發動機結構(gou)，同時(shi)采(cai)用新的寬弦、彎掠葉(xie)(xie)片和(he)(he)窄(zhai)流道，進(jin)一步提高了氣動效率(lv)。

空氣經過風扇初步壓縮后，進入壓氣機繼續加溫加壓。壓氣機葉片在“三兄弟”中最為“纖細”。葉片經過精密鍛造、磨削拋光、表面強化等技術加(jia)工，被制(zhi)成實心結構。為了獲得更高的(de)增壓比、產生更大推(tui)力，空(kong)氣通常需要經(jing)過多級壓氣機(ji)葉片壓縮。

在EJ200發動(dong)機(ji)上，五(wu)級高(gao)壓壓氣機(ji)轉子采用整體(ti)葉(xie)盤(pan)結構。這一設計(ji)使(shi)壓氣機(ji)轉子結構進一步簡(jian)化(hua)，發動(dong)機(ji)重量減少(shao)30%以(yi)上。

壓(ya)氣(qi)機形(xing)成(cheng)的(de)高溫高壓(ya)氣(qi)體與燃(ran)料(liao)混合，燃(ran)燒生成(cheng)高溫高壓(ya)燃(ran)氣(qi)，推(tui)動(dong)渦輪轉動(dong)做功。渦輪葉片在“三兄弟(di)”中堪稱“八面玲瓏”，面對高溫、高壓(ya)、腐(fu)蝕、磨損和復雜載荷等各種惡劣工(gong)況仍能應對自如，而(er)這一切都與它的(de)“硬核”設(she)計(ji)密不可分。

渦(wo)扇(shan)發動機(ji)的渦(wo)輪前溫度非常(chang)高。如今，大多(duo)數(shu)渦(wo)輪葉片(pian)材料使用(yong)耐高溫性(xing)強(qiang)的鎳基單晶(jing)高溫合金(jin)。除了(le)單晶(jing)高溫合金(jin)，渦(wo)輪葉片(pian)上(shang)還應(ying)用(yong)了(le)氣冷空心結構和陶瓷(ci)熱(re)障(zhang)涂層，既(ji)為(wei)葉片(pian)外(wai)部(bu)披上(shang)“防護服”，更(geng)在其(qi)內(nei)部(bu)裝上(shang)“天然(ran)空調”，葉片(pian)的高溫防護能力明顯增(zeng)強(qiang)。各項新(xin)材料、新(xin)技(ji)術、新(xin)工藝不斷投入應(ying)用(yong)，使得葉片(pian)小小的“身板”里滿滿都是(shi)“科技(ji)范(fan)”。

戰(zhan)(zhan)機的(de)戰(zhan)(zhan)力首先取(qu)決于發動(dong)機的(de)推力，而(er)推力則取(qu)決于渦輪葉片的(de)耐高溫能力

說起來頗(po)有些(xie)傳奇(qi)色彩，早(zao)期飛(fei)機上使(shi)用的螺旋(xuan)槳，竟(jing)源自一次船舶航行(xing)試(shi)驗的意外(wai)成果(guo)。

1837年(nian)，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(shi)驗(yan)。途中，螺(luo)旋(xuan)推進(jin)器在碰到水中障礙物后發(fa)生斷裂。盡管(guan)推進(jin)器只剩(sheng)下一(yi)小(xiao)截，但船的航行速度(du)卻(que)比原來提(ti)高了一(yi)倍多。工程師們從中受到啟發(fa)，發(fa)明(ming)了螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)的雛形。直到1903年(nian)，“飛(fei)行者一(yi)號”試(shi)飛(fei)成功，螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)才正式在飛(fei)機上應用。

最早的(de)飛機(ji)螺(luo)旋槳采用(yong)木質雙葉結構(gou)，像兒時玩具“竹蜻蜓”。這種螺(luo)旋槳結構(gou)在一戰(zhan)時期的(de)戰(zhan)機(ji)上較(jiao)(jiao)為多(duo)見(jian)，英國“駱駝”式戰(zhan)機(ji)就是其中代表。當時，戰(zhan)機(ji)發動機(ji)功(gong)率較(jiao)(jiao)小，木質雙葉螺(luo)旋槳已經完全(quan)可以滿(man)足其全(quan)部動力。

隨著(zhu)發動機(ji)功(gong)率不(bu)斷提升，木質雙(shuang)葉結(jie)構難以適應飛(fei)機(ji)高(gao)速(su)飛(fei)行的要求，增(zeng)加螺旋(xuan)槳(jiang)(jiang)槳(jiang)(jiang)葉數(shu)成為適應發動機(ji)功(gong)率、提高(gao)螺旋(xuan)槳(jiang)(jiang)推力的常(chang)用方法。

進入噴氣時代，螺旋槳(jiang)槳(jiang)葉逐漸退出歷史舞臺(tai)，取而代之的是集(ji)各種高科技(ji)于一身的渦(wo)輪葉片。

軍用(yong)渦(wo)扇(shan)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)的渦(wo)輪(lun)(lun)前(qian)溫(wen)度，對(dui)發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)性能有著直接影響。高壓(ya)渦(wo)輪(lun)(lun)進(jin)口溫(wen)度每提(ti)升100℃，發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)推力(li)提(ti)升10%。因(yin)此，渦(wo)輪(lun)(lun)葉片(pian)的耐高溫(wen)能力(li)越(yue)強，越(yue)有利于提(ti)升發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)性能。

上(shang)世紀(ji)(ji)40年代，科學家成功研制出第(di)一(yi)塊耐高溫合(he)(he)金(jin)，并應用(yong)到(dao)第(di)一(yi)代軍用(yong)渦(wo)扇發動機(ji)的渦(wo)輪葉(xie)片(pian)(pian)上(shang)。隨(sui)后，渦(wo)輪葉(xie)片(pian)(pian)經(jing)歷了兩(liang)次重大(da)變革：一(yi)是上(shang)世紀(ji)(ji)50年代出現的真空(kong)熔(rong)模鑄造(zao)技術，能(neng)(neng)夠大(da)幅(fu)減(jian)少葉(xie)片(pian)(pian)有害(hai)雜質(zhi)含量；二是上(shang)世紀(ji)(ji)60年代興起的定(ding)向(xiang)凝(ning)固合(he)(he)金(jin)技術，使葉(xie)片(pian)(pian)的熱(re)疲勞性能(neng)(neng)得到(dao)明(ming)顯(xian)提升。研究人(ren)員將定(ding)向(xiang)凝(ning)固高溫合(he)(he)金(jin)與簡單(dan)的氣冷技術結合(he)(he)，打(da)造(zao)出第(di)二代軍用(yong)渦(wo)扇發動機(ji)的渦(wo)輪葉(xie)片(pian)(pian)。

20世(shi)紀70年代末，葉(xie)片(pian)制(zhi)造(zao)工藝(yi)取得革命性突破，第一代單晶高溫(wen)合(he)金(jin)葉(xie)片(pian)正(zheng)式問世(shi)。單晶高溫(wen)合(he)金(jin)葉(xie)片(pian)與(yu)單通道(dao)氣膜冷卻(que)技(ji)術(shu)相(xiang)結合(he)，綜(zong)合(he)運用到(dao)第三代軍用渦(wo)扇發動(dong)機的渦(wo)輪(lun)葉(xie)片(pian)上，渦(wo)輪(lun)前溫(wen)度又(you)一次得到(dao)大幅提升。

目前，新一代單晶高溫合金(jin)和新型陶(tao)瓷(ci)基復合材(cai)料(liao)相繼問世，多通道雙(shuang)層空心壁冷卻(que)技術(shu)也(ye)日趨成熟。渦輪(lun)葉片的材(cai)料(liao)結構(gou)和制造工(gong)藝的變(bian)化，讓戰機飛(fei)行性能變(bian)得(de)更(geng)加強(qiang)大。

葉片快速修復，像壁虎長出“尾巴”

戰機高速飛行(xing)時，發動機葉(xie)片的工作條件(jian)是(shi)什么樣的呢(ni)？

以(yi)羅(luo)爾斯羅(luo)伊斯公司研發的RB211渦扇(shan)發動(dong)(dong)機為例(li)，風(feng)扇(shan)葉(xie)(xie)片繞軸(zhou)飛(fei)旋時，巨(ju)大的離心(xin)載(zai)荷相當于一輛M1A1主戰坦(tan)克的重(zhong)量。除離心(xin)載(zai)荷外，風(feng)扇(shan)葉(xie)(xie)片還要面對氣動(dong)(dong)載(zai)荷、交變負荷，以(yi)及與飛(fei)鳥、砂石(shi)等外物的“不期之(zhi)遇”。

而(er)渦輪葉片作為第一關鍵部件(jian)(jian)，要(yao)(yao)面對1000℃以上腐蝕燃氣的正面沖擊，還要(yao)(yao)抵擋來(lai)自燃氣雜(za)質的腐蝕。在這(zhe)樣(yang)惡劣條件(jian)(jian)下(xia)，渦輪葉片難保“金剛不壞之身”，出現裂紋(wen)、磨損(sun)、性能(neng)下(xia)降等(deng)情況在所難免(mian)。以國內某型發(fa)(fa)動機(ji)為例(li)，全(quan)臺(tai)發(fa)(fa)動機(ji)有(you)2000多個葉片，如果磨損(sun)后一一更換，其費用接近發(fa)(fa)動機(ji)整機(ji)采購(gou)價的2/3。另(ling)外，葉片制造加工難度大、質量(liang)要(yao)(yao)求(qiu)高，其備件(jian)(jian)供(gong)應周期難以保證，無(wu)法滿足(zu)發(fa)(fa)動機(ji)的維修保障需(xu)求(qiu)。

那(nei)么，能否像(xiang)壁虎重新(xin)長(chang)出“尾巴”，幫助發動機葉(xie)片實現“快速再生”？

航(hang)空發動(dong)機(ji)零部件再制(zhi)造技(ji)術(shu)應運而生。該技(ji)術(shu)涵蓋表面(mian)處(chu)理、增(zeng)材制(zhi)造、焊接、熱處(chu)理、涂層加工等多項先(xian)進工藝。經(jing)過再制(zhi)造技(ji)術(shu)修(xiu)復的(de)磨(mo)損(sun)零部件，質量不低于新品。在國外，這一技(ji)術(shu)很早就已經(jing)被應用到發動(dong)機(ji)的(de)葉(xie)片修(xiu)復上。

每(mei)片(pian)葉(xie)片(pian)都有自己的“身(shen)份證”，誕(dan)生之初(chu)就會(hui)被打(da)上(shang)標(biao)簽。葉(xie)片(pian)每(mei)次(ci)磨損情況都將(jiang)記(ji)(ji)入(ru)“病(bing)歷檔(dang)案”，并進(jin)行存檔(dang)。“掛(gua)號”登記(ji)(ji)完畢后，接下來葉(xie)片(pian)將(jiang)被推進(jin)“手(shou)術(shu)室”。一(yi)臺(tai)“手(shou)術(shu)”大體分為(wei)以下3步：

第一步前期處理(li)(li)。對表面有保護(hu)涂層的葉片(pian)采用(yong)物理(li)(li)和化(hua)(hua)學方(fang)法進行(xing)去(qu)除，隨后對葉片(pian)進行(xing)“全面體(ti)檢(jian)”，發(fa)現“病(bing)灶”后，開展去(qu)除裂紋表面氧化(hua)(hua)膜、制備焊接坡口等“清理(li)(li)創口”工作(zuo)。

第二步(bu)正式“手術”。應(ying)用焊(han)接(jie)、釬(han)焊(han)、冷/熱噴涂、增材制造等工(gong)藝方法，對(dui)葉(xie)片型面損傷(shang)的地方進(jin)行(xing)填補，再利用磨拋(pao)或(huo)機械加工(gong)等方法去除(chu)多(duo)余材料。

第三(san)步后(hou)期處(chu)理。盡管(guan)葉片已“重獲新生”，但仍需要接受多次“復檢”，確保修復完(wan)成后(hou)不會出現二次損傷。隨后(hou)，還要恢復葉片表面的“保護外套”、疏通堵(du)塞的“呼吸通道”、調理表面的“健康狀態”，方能領取質量合格證。

目(mu)前，不(bu)少(shao)國(guo)外公司(si)(si)在葉片修復(fu)技(ji)術(shu)上(shang)有著豐(feng)富(fu)的技(ji)術(shu)底蘊(yun)。例如(ru)，德國(guo)MTU公司(si)(si)與(yu)漢(han)諾威激光(guang)研(yan)究(jiu)中心應用(yong)激光(guang)立體成(cheng)形制造技(ji)術(shu)來(lai)修復(fu)渦(wo)輪(lun)葉片。在國(guo)內，空軍某航修廠經過(guo)10余年的努(nu)力探索，提出了發動機多型部件故障的解決(jue)方案，先(xian)后(hou)突破了一系列關鍵核心技(ji)術(shu)。

經(jing)過修(xiu)復技術“治(zhi)療(liao)”，葉片能夠像壁虎長出(chu)“尾(wei)巴”一樣(yang)，在(zai)原(yuan)有基礎上(shang)實現“快速再(zai)生”，不僅使發動(dong)機(ji)維(wei)修(xiu)周期明顯縮短，而且(qie)為戰機(ji)平(ping)安起(qi)降提供有力(li)保障。