在2018年的第十二届珠海航展上，中航发动机展区的展台上展出了几件不起眼的展品，国内外各媒体基本上未曾提及。但是不得不说这几件展品是本届航展上最有技术含量的少数几件展品。 6park.com



 
从这张照片上我们可以看到，这件展品是国产第三代单晶高温合金双层壁冷高压涡轮工作叶片。在第三代单晶高温合金、双层壁冷、高压涡轮工作叶片这三个关键词中，双层壁冷这个词是第二次出现。上一次出现还是2016年的珠海航展上，当时展出的是一个涡轮导向叶片，全称是第三代单晶高温合金双层壁冷高压涡轮导向叶片，就是下面这张照片。 6park.com



 上一次我们只能看到这个导向叶片的正面，下面只能够看到双层壁冷却通道微微露出一点点，叶片内部的情况是完全看不到的。不过这次就披露了更多信息。 6park.com



 在这张照片上可以看到，展台上给出了四个叶片剖面的切片。我们可以清楚的看到叶片内部的复杂构造。整个叶片内部分成几个内腔，在叶片的外表面下还有六个一毫米厚四毫米宽的双层壁冷却通道，冷却通道还有通气孔和叶片内腔连通，叶片后部还有扰流柱。


 
从叶片根部的入口引入冷却空气，通入内腔进行对流冷却。部分空气自内腔经通气孔进入双层壁冷却通道，所有冷却空气经过内腔和双层壁冷却通道后，少部分自叶片顶部排出，大部分冷却空气经过扰流柱强化散热后从叶片后缘的排气孔排出。所谓的双层壁冷其实就是在原来的叶片表面下再做一个空的夹层，通入空气进行冷却。可以看到这个夹层非常的薄，只有一毫米厚。不要忘记这是个单晶叶片，整个叶片实际上是一个完整的晶体，没有晶界，这就是所谓单晶叶片。消除了晶界就消除了容易引起破坏断裂的重要来源，就可以获得更高的力学性能和更高的使用温度及使用寿命。双层壁冷却通道这个夹层是和叶片整体一次铸造成型的，这已经是非常高的工艺水平。

 
那么这个双层壁冷实际上是一种冷却技术，它可以提供大概300度左右的冷却温度。我们知道，航空发动机要想提高性能，涡轮前进气温度是一个非常关键的技术指标，它的高低基本上就决定了一台航空发动机的主要性能指标。所以提高发动机涡轮前进气温度始终是航空发动机工程师们努力奋斗的目标。能提供300度的冷却温度就可以将涡轮前进气温度提高300度，要知道这可是个不小的技术进步。我们知道单晶高温合金的工作温度每提高30度就可以算一代。以我国的单晶高温合金为例，第一代单晶高温合金DD3的工作温度为1030℃，第二代单晶高温合金DD6的工作温度为1060℃，第三代单晶高温合金DD9的工作温度为1090℃。发展了三代高温合金才提高了不到100度的工作温度，而一个双层壁冷却技术就相当于发展了十代单晶高温合金。而且采用双层壁冷却技术付出的代价要比高温合金小得多。

 
那么下一步，我们是不是还要发展第五代单晶高温合金，来进一步提高涡轮前进气温度呢？再往前走，遇到的第一个问题就是资源限制问题。目前世界各国使用的单晶高温合金，主要是镍基单晶高温合金。而镍基单晶高温合金提高工作温度的主要技术手段之一就是增加合金中稀有金属的含量，这些稀有金属主要是铼、镱、镥、钌等高熔点金属元素。对于已经掌握镍基单晶高温合金的国家来讲，只要愿意付出代价，增加这些稀有金属元素的含量，就能研发出第四代、第五代单晶高温合金，这中间没有太高技术门槛。我国国内也已经研制了第四代、第五代单晶高温合金，但问题是这样做是要付出代价的。这些稀有金属元素的矿藏储量在全世界范围内都是非常稀有的，以金属铼为例，全球矿产储量也不过一两千吨，比黄金还要稀少N多倍，全球年产量也不过几十吨级别。价格高不说，有钱也不一定买得到。虽然我国也有部分铼矿储备，但终究资源有限。而且金属铼回收利用的技术难度和成本都非常高。正是因为如此，很多单晶高温合金都以尽量少用金属铼来标榜自己成本低、对资源依赖少。

 
另一个限制来自镍基单晶高温合金工作温度的理论限制，镍基单晶高温合金的极限工作温度大概在1226℃。发展到第五代单晶高温合金，工作温度也就只是提高到1150℃。这已经接近理论极限，没有多大发展空间了，但是付出的代价却不小，所以这个发展方向在技术上实际上是条死胡同。
 正是基于以上原因，传统的发动机强国美国和英国都没在这方面下很大功夫，第五代单晶高温合金实际应用很少，大多国家停留在实验室研究水平上。目前只有日本还在这上面努力发挥工匠精神。
 那么，对我国来说，有了双层壁冷却技术上的进步，就不一定非要走第五代单晶高温合金这个独木桥，我们完全可以走一条以系统整体最优为目标，依靠体系创新的发展道路。当然，仅仅靠双层壁冷却技术还远远不够，我们下次接着聊展台上的其它展品。