原標題：成都航宇公司總工程師宋揚、空軍某航修廠專業工程師侯廷紅為您解讀航空發動機葉片的奧秘——小小葉片如何驅動戰機飛行

航修廠技術人員采用激光增材技術修復葉片。羅九龍攝

前不久，國外一架民航客機在萬米高空航行時，發動機突然發生爆裂，部件碎片擊穿客機舷窗，導致飛機瞬間失壓。事后，有關部門調查稱，事故原因是發動機風扇葉片發生斷裂。

葉片是將燃料內能轉化為飛機飛行動能的關鍵零部件，加工難度大、質量要求高。葉片一旦發生斷裂，將對發動機內部造成連環破壞，給飛機帶來致命損傷。

無論是過去的活塞發動機，還是現在的渦輪風扇發動機，都是通過葉片對空氣壓縮做功，利用空氣反作用力，為飛機提供飛行動能。從螺旋槳槳葉，到風扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片，航空發動機葉片歷經多次更新迭代，變得質量更輕、強度更高、更耐高溫。

葉片制造工藝每一次革新進步，都在推動著航空發動機性能不斷躍升。看似小巧的“身板”，承載著人類孜孜以求的飛天夢，也是國家軍事航空業發展壯大必須要邁過的一道“門檻”。

“小身板”能量大， 處處盡顯“科技范”

現代戰機多采用渦扇發動機。渦扇發動機前端的風扇吸入空氣后，一部分空氣進入發動機核心（也稱內涵道），與燃料混合燃燒后排出；另一部分空氣進入環繞發動機核心的外涵道，不進行燃燒，從渦輪發動機外殼向外噴出，形成推動飛機飛行的動能。

打開整流罩外殼，觀察發動機內部，我們發現發動機葉片竟如此普通：不僅“長相一般”，身材也略顯“矮小”。從前至后，一排排風扇葉片、壓氣機葉片、渦輪葉片錯落排列。葉片排數與級數相同，排數越多、級數越大。

風扇葉片是“三兄弟”中的“高個子”，位于軍用渦扇發動機最前端。為了適應超音速飛行，戰機正面風阻面積不宜過大，風扇葉片尺寸設計有一定限制。因此，軍用渦扇發動機風扇通常有多級葉片，確保產生足夠大的推力。

此外，風扇葉片的外形和內部結構，也是影響風扇對空氣做功效率的重要因素。風扇葉片經歷了窄弦實心葉片、寬弦空心葉片、復合材料葉片和整體葉盤的發展歷程。由英國羅爾斯羅伊斯公司研發的EJ200渦扇發動機，采用了整體葉盤結構。

與傳統分體式葉片和輪盤相比，整體葉盤將葉片和輪盤設計省去了傳統連接所需的榫頭、榫槽和鎖緊裝置，減少了零件數量，簡化了發動機結構，同時采用新的寬弦、彎掠葉片和窄流道，進一步提高了氣動效率。

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、表面強化等技術加工，被制成實心結構。為了獲得更高的增壓比、產生更大推力，空氣通常需要經過多級壓氣機葉片壓縮。

在EJ200發動機上，五級高壓壓氣機轉子采用整體葉盤結構。這一設計使壓氣機轉子結構進一步簡化，發動機重量減少30%以上。

壓氣機形成的高溫高壓氣體與燃料混合，燃燒生成高溫高壓燃氣，推動渦輪轉動做功。渦輪葉片在“三兄弟”中堪稱“八面玲瓏”，面對高溫、高壓、腐蝕、磨損和復雜載荷等各種惡劣工況仍能應對自如，而這一切都與它的“硬核”設計密不可分。

渦扇發動機的渦輪前溫度非常高。如今，大多數渦輪葉片材料使用耐高溫性強的鎳基單晶高溫合金。除了單晶高溫合金，渦輪葉片上還應用了氣冷空心結構和陶瓷熱障涂層，既為葉片外部披上“防護服”，更在其內部裝上“天然空調”，葉片的高溫防護能力明顯增強。各項新材料、新技術、新工藝不斷投入應用，使得葉片小小的“身板”里滿滿都是“科技范”。

戰機的戰力首先取決于發動機的推力，而推力則取決于渦輪葉片的耐高溫能力

說起來頗有些傳奇色彩，早期飛機上使用的螺旋槳，竟源自一次船舶航行試驗的意外成果。

1837年，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驗。途中，螺旋推進器在碰到水中障礙物后發生斷裂。盡管推進器只剩下一小截，但船的航行速度卻比原來提高了一倍多。工程師們從中受到啟發，發明了螺旋槳的雛形。直到1903年，“飛行者一號”試飛成功，螺旋槳才正式在飛機上應用。

最早的飛機螺旋槳采用木質雙葉結構，像兒時玩具“竹蜻蜓”。這種螺旋槳結構在一戰時期的戰機上較為多見，英國“駱駝”式戰機就是其中代表。當時，戰機發動機功率較小，木質雙葉螺旋槳已經完全可以滿足其全部動力。

隨著發動機功率不斷提升，木質雙葉結構難以適應飛機高速飛行的要求，增加螺旋槳槳葉數成為適應發動機功率、提高螺旋槳推力的常用方法。

進入噴氣時代，螺旋槳槳葉逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是集各種高科技于一身的渦輪葉片。

軍用渦扇發動機的渦輪前溫度，對發動機性能有著直接影響。高壓渦輪進口溫度每提升100℃，發動機推力提升10%。因此，渦輪葉片的耐高溫能力越強，越有利于提升發動機性能。

上世紀40年代，科學家成功研制出第一塊耐高溫合金，并應用到第一代軍用渦扇發動機的渦輪葉片上。隨后，渦輪葉片經歷了兩次重大變革：一是上世紀50年代出現的真空熔模鑄造技術，能夠大幅減少葉片有害雜質含量；二是上世紀60年代興起的定向凝固合金技術，使葉片的熱疲勞性能得到明顯提升。研究人員將定向凝固高溫合金與簡單的氣冷技術結合，打造出第二代軍用渦扇發動機的渦輪葉片。

20世紀70年代末，葉片制造工藝取得革命性突破，第一代單晶高溫合金葉片正式問世。單晶高溫合金葉片與單通道氣膜冷卻技術相結合，綜合運用到第三代軍用渦扇發動機的渦輪葉片上，渦輪前溫度又一次得到大幅提升。

目前，新一代單晶高溫合金和新型陶瓷基復合材料相繼問世，多通道雙層空心壁冷卻技術也日趨成熟。渦輪葉片的材料結構和制造工藝的變化，讓戰機飛行性能變得更加強大。

葉片快速修復，像壁虎長出“尾巴”

戰機高速飛行時，發動機葉片的工作條件是什么樣的呢？

以羅爾斯羅伊斯公司研發的RB211渦扇發動機為例，風扇葉片繞軸飛旋時，巨大的離心載荷相當于一輛M1A1主戰坦克的重量。除離心載荷外，風扇葉片還要面對氣動載荷、交變負荷，以及與飛鳥、砂石等外物的“不期之遇”。

而渦輪葉片作為第一關鍵部件，要面對1000℃以上腐蝕燃氣的正面沖擊，還要抵擋來自燃氣雜質的腐蝕。在這樣惡劣條件下，渦輪葉片難保“金剛不壞之身”，出現裂紋、磨損、性能下降等情況在所難免。以國內某型發動機為例，全臺發動機有2000多個葉片，如果磨損后一一更換，其費用接近發動機整機采購價的2/3。另外，葉片制造加工難度大、質量要求高，其備件供應周期難以保證，無法滿足發動機的維修保障需求。

那么，能否像壁虎重新長出“尾巴”，幫助發動機葉片實現“快速再生”？

航空發動機零部件再制造技術應運而生。該技術涵蓋表面處理、增材制造、焊接、熱處理、涂層加工等多項先進工藝。經過再制造技術修復的磨損零部件，質量不低于新品。在國外，這一技術很早就已經被應用到發動機的葉片修復上。

每片葉片都有自己的“身份證”，誕生之初就會被打上標簽。葉片每次磨損情況都將記入“病歷檔案”，并進行存檔。“掛號”登記完畢后，接下來葉片將被推進“手術室”。一臺“手術”大體分為以下3步：

第一步前期處理。對表面有保護涂層的葉片采用物理和化學方法進行去除，隨后對葉片進行“全面體檢”，發現“病灶”后，開展去除裂紋表面氧化膜、制備焊接坡口等“清理創口”工作。

第二步正式“手術”。應用焊接、釬焊、冷/熱噴涂、增材制造等工藝方法，對葉片型面損傷的地方進行填補，再利用磨拋或機械加工等方法去除多余材料。

第三步后期處理。盡管葉片已“重獲新生”，但仍需要接受多次“復檢”，確保修復完成后不會出現二次損傷。隨后，還要恢復葉片表面的“保護外套”、疏通堵塞的“呼吸通道”、調理表面的“健康狀態”，方能領取質量合格證。

目前，不少國外公司在葉片修復技術上有著豐富的技術底蘊。例如，德國MTU公司與漢諾威激光研究中心應用激光立體成形制造技術來修復渦輪葉片。在國內，空軍某航修廠經過10余年的努力探索，提出了發動機多型部件故障的解決方案，先后突破了一系列關鍵核心技術。

經過修復技術“治療”，葉片能夠像壁虎長出“尾巴”一樣，在原有基礎上實現“快速再生”，不僅使發動機維修周期明顯縮短，而且為戰機平安起降提供有力保障。