萬(wàn)鋒

摘 要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，而渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件之一，被譽(yù)為“皇冠上的明珠”。渦輪葉片的制備工藝從早期的擠壓、鍛造發(fā)展為鑄造，經(jīng)歷了等軸晶葉片、定向凝固柱狀晶葉片和單晶葉片三個(gè)發(fā)展階段。作為最為先進(jìn)的單晶葉片，其性能水平成為一種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，在一定意義上，也是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志[1-4]。文章通過(guò)檢索國(guó)內(nèi)外鑄造單晶葉片的專(zhuān)利文獻(xiàn)，分析發(fā)現(xiàn)，鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進(jìn)行冷卻，逐漸發(fā)展為空冷法、液態(tài)金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發(fā)展為現(xiàn)在主流的銅盤(pán)冷卻方式；選晶方式主要有轉(zhuǎn)折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主。

關(guān)鍵詞：專(zhuān)利；單晶葉片；鑄造

中圖分類(lèi)號(hào)：T-18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0024-03

1 單晶葉片的概述

典型的單晶葉片制備裝置如圖1所示，葉片型殼設(shè)置于結(jié)晶器銅盤(pán)上，至于加熱區(qū)中，鑄造時(shí)鑄件以一定的速度從爐中移出，以形成一定的溫度梯度，從而制備形成單晶葉片[5]。

目前，我國(guó)將航空發(fā)動(dòng)機(jī)列為國(guó)家戰(zhàn)略，涌現(xiàn)了J20、運(yùn)20、C919等一批航空設(shè)備，振奮人心。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)對(duì)鑄造單晶葉片的研究主要集中于冷卻方式、啟晶方式、選晶方式、型殼上的改進(jìn)以及熱處理方式等內(nèi)容。本文針對(duì)上述內(nèi)容，對(duì)國(guó)內(nèi)外鑄造單晶葉片的專(zhuān)利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索和分析。

2 鑄造單晶葉片的專(zhuān)利申請(qǐng)分析

筆者對(duì)涉及單晶葉片的鑄造的分類(lèi)號(hào)進(jìn)行了查詢(xún)，其主要涉及分類(lèi)號(hào)：B22C9/04（用熔模方法）、B22C9/22（鑄型或型芯）、B22D27/04（影響金屬溫度，如用加熱或冷卻鑄型）、C30B11/00（正常凝固法或溫度梯度凝固法的單晶生長(zhǎng)）。此外，筆者結(jié)合關(guān)鍵詞：葉片、渦輪、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈾C(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等以及vane、blade、impeller、paddle、fan、single crystal等進(jìn)行檢索。檢索截止日期為2017年06月08日，初步獲得1000余篇中外文專(zhuān)利，通過(guò)篩選，得到的有效樣本350余篇；經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理，利用Excel對(duì)獲取的樣本數(shù)據(jù)的專(zhuān)利申請(qǐng)狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)

通過(guò)檢索以及篩選，獲得國(guó)內(nèi)申請(qǐng)有效樣本共142篇，下面從樣本數(shù)據(jù)分析國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)的歷年分布：

由圖2可以看出，國(guó)內(nèi)鑄造單晶葉片專(zhuān)利申請(qǐng)始于1985年，而2000年以后進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，特別是2010年后，專(zhuān)利申請(qǐng)量迅速增加。

由圖3可以看出，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)主要是我國(guó)申請(qǐng)人，但也有四分之一以上為外國(guó)申請(qǐng)人的申請(qǐng)，國(guó)外申請(qǐng)以PCT、巴黎公約等形式進(jìn)入中國(guó)，在中國(guó)進(jìn)行專(zhuān)利布局，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人應(yīng)該對(duì)此有一定的警覺(jué)性。

2.2 國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)

通過(guò)篩選后獲得207篇涉及鑄造單晶葉片的外文專(zhuān)利，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，有如下結(jié)論：

2.2.1 國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)的歷年分布

由圖4可以看出，鑄造單晶葉片始于1965年，20世紀(jì)80年代后申請(qǐng)量有所增加，90年代中期最多，隨后趨于平穩(wěn)，稍有減少。

2.2.2國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)人的公開(kāi)國(guó)家分布

由圖5的國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)國(guó)家分布可以看出鑄造單晶葉片的專(zhuān)利布局，第一梯隊(duì)為美國(guó)、日本，申請(qǐng)量為20%左右，第二梯隊(duì)為德國(guó)、歐盟，第三梯隊(duì)為英國(guó)、加拿大、法國(guó)、俄羅斯。

3 鑄造單晶葉片的技術(shù)發(fā)展路線

3.1 冷卻方式

單晶的形成過(guò)程中冷卻方式很重要，根據(jù)冷卻形式不同，可以分為功率降低法、空冷法、噴霧冷卻法以及液態(tài)金屬冷卻法。

美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司（NITED AIRCRAFT CORP）在US354

2120A中率先使用了功率降低法，鑄型固定于加熱區(qū)內(nèi)，提供加熱裝置以保證從頂部至冷卻銅盤(pán)之間形成所需的溫度梯度。功率降低法因其提供的冷卻速度不大，因此，現(xiàn)在單純使用功率降低法的已經(jīng)很少，一般會(huì)采用加熱區(qū)多段加熱以形成溫度梯度再配合抽拉后的空冷、水冷、液態(tài)金屬冷卻等多手段冷卻技術(shù)。1970年美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司在IL37248D0中采用桿18控制鑄件撤離加熱區(qū)，進(jìn)行空氣冷卻以加快冷卻速度以及結(jié)晶速度。1996年，西門(mén)子公司開(kāi)始使用液態(tài)金屬3冷卻鑄件以進(jìn)一步增大冷卻速率，如DE19647313A。1999年，俄羅斯航空材料科學(xué)研究所采用噴射惰性氣體結(jié)合水冷以增大冷卻的溫度梯度，如RU2152844C。

3.2 啟晶方式

啟晶是指熔融金屬首先開(kāi)始凝固形成晶體。鑄造單晶葉片的啟晶方式主要有兩種，一種為水冷銅盤(pán)強(qiáng)制冷卻啟晶，另一種為預(yù)制晶籽啟晶。1965年，美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司在US3542120A中率先使用了水冷銅盤(pán)配合起晶器進(jìn)行啟晶。隨著工藝發(fā)展，雖然啟晶方式各異，但是基本上都是在這種水冷銅盤(pán)配合起晶器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。1978年美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司在DE2949446A開(kāi)始使用晶種啟晶。相關(guān)采用晶種啟晶的專(zhuān)利申請(qǐng)還有：EP0496978B1、RU2167029C1、US2005025613

A1、RU2587116C1、US2009078390A1等。

由圖6可以看出，水冷銅盤(pán)加以起晶器的啟晶方式自誕生以來(lái)申請(qǐng)量穩(wěn)步提升，而晶種啟晶的方式相對(duì)來(lái)說(shuō)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量上要少許多，主要是以銅盤(pán)冷卻為主要的啟晶方式。

3.3 選晶方式

晶粒取向主要是通過(guò)選晶器選擇的，選晶器在單晶葉片鑄造過(guò)程中起著舉足輕重的地位。選晶器可以分為傾斜式、轉(zhuǎn)折式和螺旋式等。早在1965年，美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司在US3542120A中就發(fā)明了傾斜式和轉(zhuǎn)折式選晶器。轉(zhuǎn)折型的選晶器的專(zhuān)利申請(qǐng)有：GB2030233A、GB9121364D0、DE69316251endprint

T2、GB2260284A、JPH09317402A等。1970年美國(guó)聯(lián)合飛機(jī)公司在IL36489D0中開(kāi)始使用螺旋式選晶器。

圖7為兩種形式的選晶方式的專(zhuān)利申請(qǐng)量隨時(shí)間分布，可以看出，20世紀(jì)90年代開(kāi)始，螺旋式選晶器開(kāi)始增多，而轉(zhuǎn)折式選晶器則逐漸減少。在螺旋式選晶器中，晶體橫向擇優(yōu)生長(zhǎng)于螺旋結(jié)構(gòu)耦合作用，形成連續(xù)選晶過(guò)程。目前，單晶生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)螺旋選晶的方式進(jìn)行單晶生產(chǎn)，螺旋選晶器的選晶段的螺距、螺旋直徑、螺旋厚度、螺旋角等因素均對(duì)選晶結(jié)果有影響，涉及的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)有：GB2003063B、GB2112309A、DE4209227C1、JPH11207451A、US2005205002A1等。

3.4 熱處理方式

為了使得鑄得的葉片具備更加持久強(qiáng)度極限和蠕變極限，一般需要對(duì)其進(jìn)行熱處理，經(jīng)過(guò)多年的熱處理工藝發(fā)展，基本上形成了固溶+時(shí)效的熱處理方式，或者在其基礎(chǔ)上為了獲得所需性能采用回復(fù)退火（CN103451736A）、高溫時(shí)效+低溫時(shí)效（CN103436740A、CN103382536A）等。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鑄造單晶葉片的國(guó)內(nèi)國(guó)外專(zhuān)利技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索、篩選、梳理，通過(guò)梳理其技術(shù)分支，理清了鑄造單晶葉片的技術(shù)發(fā)展脈路。鑄造單晶葉片從最早的功率降低法進(jìn)行冷卻，逐漸發(fā)展為空冷法、液態(tài)金屬冷卻法；啟晶方式由早期的晶種啟晶的方式逐漸發(fā)展為現(xiàn)在主流的銅盤(pán)冷卻方式；選晶方式主要有轉(zhuǎn)折式和螺旋式選晶，并以螺旋選晶器為主；經(jīng)過(guò)多年的熱處理工藝發(fā)展，基本上形成了固溶+時(shí)效的熱處理方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]卜昆，等.鎳基單晶葉片制造技術(shù)及再結(jié)晶研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2016（21）：34-40.

[2]劉林.高溫合金精密鑄造技術(shù)研究進(jìn)展[J].鑄造，2012（11）：1273-1285.

[3]陳榮章.航空鑄造渦輪葉片合金和工藝發(fā)展的回顧與展望[J].航空制造技術(shù)，2002（2）：19-23.

[4]許慶彥，等.數(shù)值模擬技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫單晶葉片制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2011（4）：26-31.

[5]張光明，等.高溫合金定向凝固技術(shù)研究歷程及展望[J].鑄造技術(shù)，2013，34（7）：866-868.endprint