陶瓷型芯对涡轮叶片乃至“两机”性能的提升具有重要作用
思瀚产业研究院 航安型芯    2023-08-21

（1）“两机”产业的重要性

航空发动机、燃气轮机汇集材料、机械、冶金、控制、电子、能源、化工等多学科多领域高精尖技术，集中体现了一个国家的工业技术水平，是当代高科技的结晶，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。

长期以来，美、俄、英、法等少数航空发达国家一直把优先发展航空发动机作为基本国策，将航空动力工业发展成高附加值的国家高科技战略性产业，把航空发动机技术列为严密封锁、严禁出口转让的关键技术，并逐步形成了对航空动力技术和全球市场的垄断地位。因此，自主研制“两机”对我国推进实施创新型国家、航空航天强国、低碳能源革命、中国制造 2025 等战略具有重要价值。

鉴于“两机”的突出重要性，长期以来国家大力支持推进“两机”重大科技专项，以实现我国军用和民用航空发动机的进口替代、自主研制，发展有市场竞争力的航空产业，推动产业升级、带动科技进步、增强综合国力和国际竞争力。

2016 年颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》将“航空发动机及燃气轮机”列为“科技创新 2030——重大科技项目”之首；2021 年颁布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035年远景目标纲要》将“航空发动机及燃气轮机”列为“制造业核心竞争力提升”的八个重点领域之一。

（2）涡轮叶片是“两机”最关键的零部件之一

涡扇发动机由于其推力大、推进效率高、耗油率低等特点，广泛应用于战斗机、客机、运输机、无人机等，占比在 95%以上，是目前应用最为广泛的航空发动机类型。

典型的涡扇发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷管、附件传动装置及附属系统等部件组成，其中压气机、燃烧室、涡轮是航空发动机三大核心部件。涡轮是驱动风扇、压气机及其他附件的动力源，主要作用是将燃烧室流出的高温高压燃气的能量转变为机械功，使涡轮高速旋转并产生强大功率，并由涡轮轴输出。

涡轮由涡轮叶片与涡轮轴、涡轮盘等部件共同组成。在涡扇发动机中，涡轮部件所承受的热负荷、气动负荷和机械负荷最大，工作条件极端恶劣。涡轮叶片在高温及高转速状态下工作，并传递大功率，因此“涡轮叶片是航空发动机中最关键的零件之一，处于发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，且数量众多、形状复杂、尺寸要求高、加工难度大，直接影响着航空发动机的性能。

”涡轮叶片的制造水平直接决定了涡轮承受的极限温度，从而影响航空发动机热力循环的两个主要参数——推重比与动力，涡轮叶片设计与制造的好坏直接决定着发动机的性能、安全与寿命。

（3）陶瓷型芯的重要性

①陶瓷型芯是制造涡轮叶片的必备耗材

涡轮叶片工作环境恶劣，通常要承受 1600-1800℃的高温，同时还要承受300m/s 左右的风速，以及由此带来的巨大空气压力，这决定了涡轮叶片必须采用高温合金且内部多采用复杂、精密、进口狭小的气冷结构，内部通道光洁度可达微米级，因此涡轮叶片的制造无法采用锻造、机械加工等制造方法，“航空发动机涡轮叶片还需要精密的制造技术——熔模铸造工艺”，并“使用陶瓷芯来制作气道”，并对陶瓷型芯的材料、结构复杂程度、尺寸精密程度、表面光滑程度以及在熔模铸造中的强度、脱芯性能等提出了极高的要求。

②涡轮叶片性能的提升依赖陶瓷型芯的不断改进

涡轮叶片性能的提升，主要体现在承温能力的提升，常规采用提升高温合金的承温能力和改进气冷结构等手段实现。高温合金经历了等轴晶、定向凝固柱晶、单晶的进化过程，然而目前耐热性能最好的高温合金材料工作温度在 1,100℃左右。“目前，先进的发动机涡轮前进口温度达到 1757℃，受金属熔点的限制，通过改善叶片的制备材料来提高叶片的承温能力已接近极限，因此，改进叶片的气冷结构、提高叶片的冷却效率已成为叶片设计制造者的必然选择。

在过去的几十年中，发动机涡轮前进口温度提高了 500℃，其中 70%的贡献来源于采用了先进的叶片制造技术和更合理的叶片冷却结构，叶片的冷却方式由传统的对流、回流、气膜冷却等方式发展为高效气冷方式，冷却效率已由 300℃左右提高到 600℃以上。”为提高冷却效率，涡轮叶片的空心气冷结构日趋复杂、精密。下一代叶片冷却技术向薄壁、多层壁、多通道、微扰流结构方向发展。

航空发动机效率与推重比等核心指标的改进要求不断提高涡轮进口燃气温度，涡轮进口燃气温度的提升必然要求提高涡轮叶片的承温能力，而涡轮叶片承温能力的提高依赖于其复杂、精密空心气冷结构的实现。

由于陶瓷型芯是形成涡轮叶片内腔空心机构的必备核心部件、是制造涡轮叶片的第一步，因此，如不能制造出满足要求的陶瓷型芯，就无法实现理想的涡轮叶片空心气冷结构，没有陶瓷型芯的材料、制造工艺的持续改进就无法实现涡轮叶片性能的不断提升。

（4）有关单位对陶瓷型芯重要性的认定

根据国家发改委、工信部、央视、中国科协、中国重燃等第三方权威机构发布的文件，陶瓷型芯在“两机”产业链中居于突出重要的地位。