渦輪葉片是整個飛機“核心中的核心”
眾所周知，航空發動機是整個飛機的核心所在，它的性能直接決定著飛機的整體性能，所以航空發動機也被稱為“工業皇冠上的明珠”。而在航空燃氣渦輪發動機中工作環境最為惡劣、應力最為複雜的就是渦輪葉片了，同時渦輪葉片也是航空發動機在尺寸小、重量輕的需求上獲得高性能的關鍵之處。所以，如果說航空發動機是整個飛機的核心，那渦輪葉片則是整個飛機“核心中的核心”！
殲-20發動機尾噴口
對於航空發動機來說，溫度的提升會帶來熱效率的提升的，相關研究表明，航空發動機渦輪前溫度每提示55℃，在其他條件不變的情況下，發動機的推力可以提升10%左右。所以，在高性能航空發動機不斷追尋大推力、高推重比的情況下，提升渦前輪溫度自然成為了航空發動機大力發展的方向，而渦輪前溫度的提升是要以高溫下渦輪葉片材料性能（持久強度、蠕變強度、韌性、抗熱疲勞等）的提升為基礎的。
大涵道比渦扇發動機剖析圖
不過，在航空發動機不斷髮展的過程中，渦前輪溫度（葉片的工作溫度）的發展速度是遠快於渦輪葉片材料的承載溫度的。以現在的技術水平來看，航空發動機中一個“裸”的渦輪葉片的承載溫度最多也就是隻有1100℃左右，而葉片的工作溫度卻已經達到了1700℃，兩者相差能有如此之大也離不開渦輪葉片各種冷卻技術的發展。
發動機渦輪部件結構與剖面圖
高溫合金的應用迎來渦輪葉片的第一次革命
航空發動機渦輪葉片材料的第一次革命始於高溫合金的出現，在上世紀40年代第一塊高溫合金被研製出來，之後高溫合金憑藉其優異的高溫性能全面代替曾經的高溫不鏽鋼，並在上世紀50年代被應用到了第一代航空燃氣渦輪發動機之上，此時高溫合金渦輪葉片的使用溫度達到了800℃，由於承載溫度與工作溫度相差不大，所以這那時的渦輪葉片還沒有使用冷卻技術。
航空發動機葉片
定向合金大幅提升葉片承載溫度
到了上世紀60年代， 真空鑄造技術的應用可以說就是高溫合金發展史上最重大的事件之一，真空鑄造大大減少有害於高溫合金性能的雜質含量，提升了合金的純淨度，使得葉片的多種特性都得到提升。之後，為了解決合金中的“塑性低谷”問題，定向凝固合金技術也被髮明瞭出來，因為定向凝固使合金的結晶方向平行於葉片的主應力軸方向，基本消除了垂直於應力軸的橫向晶界，提高合金葉片的塑性和熱疲勞性能。
不同工藝下的渦輪葉片性能對比
此時，採用定向鑄造高溫合金製造的渦輪葉片承載溫度達到了1000℃（約合1273K），相比於上一代的高溫合金有了約200℃的提升，並且在結合簡單的葉片氣冷卻技術之後，第二代航空燃氣渦輪發動機的渦輪前溫度達到了1300K-1500K，航空發動機性能進一步提升。
第一代單晶合金+氣膜冷卻技術
在上世紀70年代，合金化理論和熱處理工藝得到突破，此時的工藝可以在定向凝固合金的基礎上完全消除晶界，單晶合金渦輪葉片製造技術由此誕生，也掀起了渦輪葉片所用材料的第二次革命，使得合金葉片的熱強性能有了進一步的提高（約30℃），渦輪葉片的承載溫度達到了1050℃（約合1323K）左右。
不同工藝葉片的微觀對比
不過，第三代航空燃氣渦輪發動機的要求也使得渦輪葉片的工作溫度與承載溫度進一步拉大，由此開始渦輪葉片的冷卻技術得到重視。通過在葉片上設計冷卻通道和冷卻孔，然後把壓氣機裡幾百攝氏度的“低溫氣體”引到渦輪葉片內部，再從葉片表面的冷卻孔中噴出來就形成一道氣膜，擁有隔絕溫度較低的渦輪葉片與其所在工作環境中的高溫燃氣，這也就是氣膜冷卻技術。
發動機葉片上的冷卻孔特寫
氣膜冷卻技術的應用，使得渦輪葉片的工作溫度可以遠大於葉片材料本身的承載的溫度。所以在第一代單晶合金+單通道氣膜冷卻技術綜合應用下，第三代航空發動機的渦輪前溫度達到了1680K-1750K，推重比達到8的渦扇發動機開始出現（目前渦扇-10就處於這一代別）。
第二代單晶合金+複合冷卻技術
到了上世紀末，第五代戰機提出了“超音速巡航”的要求，發動機的推重比和推力需要進一步提升。第二代單晶合金通過增肌錸、鈷、鉬等元素，使得渦輪葉片合金的微觀結構穩定性得到進一步提升，持久強度與抗氧化腐蝕能力達到了一個較好的平衡，使其承載溫度再次提高了30℃左右，達到了1100℃（約合1370K）左右的水平。
渦輪葉片所用材料發展之路
此時，通過改善材料性能帶來渦輪葉片工作溫度的提升已經變得舉步維艱，而單通道的氣膜冷卻技術也開始不夠用了，多種冷卻技術同時應用（對流、衝擊式、氣膜結構、發散冷卻等）的複合冷卻技術被研發了出來。目前通過對渦輪葉片進行復合冷卻，可以使得葉片的工作溫度（渦輪前溫度）相比承載溫度高出400K左右，達到1850K-1980K。
葉片冷卻技術的發展
第二代單晶合金結合複合冷卻技術的渦輪葉片，被應用到了目前主流第四代航空發動機之上（主要代表有F-119、EJ-200發動機）。
第三代單晶合金/陶瓷基複合材料+多通道雙層空心壁冷卻技術
目前，第六代戰鬥機研發已經被提上了日程，但有關第五代燃氣渦輪發動機的信息還比較少，按照近些年在相關技術方面取得的突破來看，進一步優化合金元素成分而來的第三代單晶合金，和新型陶瓷基複合材料將成為第五代燃氣渦輪發動機葉片的首選材料，其中陶瓷基複合材料的提升更為明顯（承載溫度可達1200℃，重量僅為鎳基單晶合金的1/3），但技術尚不成熟。
各代發動機渦輪葉片發展
而在下一代渦輪葉片冷卻技術方面，將進一步增加渦輪葉片內部中的冷卻通道，使得葉片的散射更為均勻；採用雙層空心壁冷卻技術，在渦輪葉片雙層夾板增加中空的結構，可以進一步提升冷卻效率。由於多通道雙層空心壁冷卻技術的研究較為複雜，目前國內在這一方面的研究還相對較少。
給渦輪葉片塗塗層
航空發動機渦輪葉片發展的總結與展望
總的來說，航空發動機渦輪葉片材料的製造與優化是一個極其複雜的過程，需要大量試驗才能找到最優、或者接近最優的成分配比；而渦輪葉片冷卻方案優化則是建立在設計和製造的基礎上的，渦輪葉片每一次的冷卻技術優化也是對葉片設計、製造的巨大考驗。所以，說一個單晶葉片的價格超過同重量的黃金是毫不誇張的。
GE展出的陶瓷基複合材料渦輪葉片
而從航空發動機渦輪葉片的發展歷程來看，研發更加耐高溫的渦輪葉片是提升發動機性能的關鍵所在。而經過數十年的發展，單晶合金葉片的潛力似乎已經挖掘殆盡，想要進一步提升航空發動機性能，尋找新的方向已成為發展渦輪葉片不得不面對的選擇；航空發動機渦輪葉片冷卻技術雖然還有著不小的優化空間，但無疑會進一步增加葉片的加工製造難度。
