涡轮丨“三昧真火”之下，航空发动机一盘两片的三大“修炼”之路

过去几十年里，全球航空届都在着力研制新型耐高温材料，耐高温材料制备技术得到了很大的发展。从锻造合金发展到常规铸造合金，再从定向凝固合金发展到单晶材料，材料的使用温度提高300 ℃左右。

金属和合金都属于金属晶体，绝大多数工业用的金属材料不只是由一个巨大的单晶（晶粒）所构成，而是由大量单晶（晶粒）组成，即多晶体。晶粒与晶粒之间的接触界面叫作晶界。定向凝固合金叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。而单晶叶片是指只有一个晶粒的铸造叶片，单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度。

一是结构复杂，内部有精细的风冷通道需要铸造成形，这导致叶片铸造时会出现很多结构性缺陷；

所以，高温合金的单晶体铸造一直是全球航空届的主要研究领域。

尽管高温材料研究取得很大成就，但在航空发动机中，实现高效率热力过程所需的涡轮进口温度值仍大大超过材料强度容许的工作温度，这就要求涡轮叶片要有良好的冷却系统。随着涡轮进口温度的上升，涡轮叶片的冷却技术也得到不断发展。最早的典型冷却方式有对流冷却、冲击冷却、气膜冷却等。

选择高温强度足够高的合金作为基体提供部件所需的力学性能，表面施加防护涂层提供抗高温氧化和耐热腐蚀能力成为第三条承温能力“修炼”之路。

航空发动机领域先后经历了第一代铝化物涂层、第二代改性铝化物涂层、第三代MCrAlY包覆涂层与第四代热障涂层等。作为第四代防护涂层的代表，热障涂层是目前防护性能最佳、应用前景最好的表面防护涂层之一。热障涂层是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的发动机涡轮叶片能在高温下运行，并且可以提高发动机热效率。

随着航空、航天燃气轮机向高流量比、高推重比、高进口温度等方向发展，燃烧室中的燃烧温度和压力正不断提高，开发能在更高温度下稳定服役的热障涂层材料，正是目前热障涂层材料领域的研究热点。