罗尔斯·罗伊斯用单晶铸造工艺制造航空发动机涡轮叶片

分享 保存 在Google上添加为首选 Chris Baraniuk 科技记者 Rolls-Royce 一台喷气发动机将拥有数百片涡轮叶片 每次你飞行时，飞机发动机内部都会发生一场非凡的耐力壮举。 在光洁的外壳内部，隐藏着数百片小型涡轮叶片，它们能够承受巨大的机械应力和超过1500摄氏度的高温。 这堪称真正的工程奇迹。而这些坚固的叶片并非由材料雕刻或切割而成——它们是“生长”出来的。 20世纪60年代，工程师们研究出如何将熔融的金属合金铸造为涡轮叶片的形状，然后在数小时内从一端到另一端非常小心地冷却。在这一渐进、精细的凝固过程中，会形成单一晶体或金属合金晶粒。 就像把一杯水变成一片由你设计的大雪花，而不是许多更小雪花组成的迷你暴风雪。 “这几乎是制造业中最复杂的工艺，”Rolls-Royce的制造工程师Ben Fifoot说。该公司在英国生产涡轮叶片。“这真是让人早上想起床的动力。” 全球只有少数几家公司能够生产这些单晶涡轮叶片，而且这一工艺仅在包括美国和英国在内的五个国家实现了端到端的完善。发动机制造商不断争相获取这项技术。 Rolls-Royce、GE和法国的Safran是少数已完善该工艺的公司。 9月，GE Aerospace宣布将以117.5亿美元（87.8亿英镑）收购其涡轮叶片供应商。两家公司均未回应BBC News的置评请求，但此举被描述为确保这些关键部件供应的努力。 另外，Rolls-Royce在3月表示，将向其Rotherham叶片铸造设施投资超过1900万英镑。 涡轮叶片专家继续致力于提升这项鲜为人知技术的能力。与此同时，中国迫切希望证明其工程师能够生产出与西方同等质量的涡轮叶片。谁将胜出？ “对[涡轮叶片]的需求巨大。很少有公司能做到这一点，这确实赋予了它一种神奇的灵光，”航空业作家兼顾问Bill Sweetman说。 他怀疑GE Aerospace最近的举动是为了确保以严重波动著称的飞机制造供应链的可靠性和可预测性。 但为什么这项已经存在数十年的单晶铸造工艺仍然如此专业？ Fifoot断言，生长出其中一片叶片，就是“对抗宇宙法则”。 这是因为每一片熔融叶片自然会冷却成一个由许多小金属合金晶粒混杂而成的固体物体。但你想要的不是易碎的糖块，而是完美的钻石。 让单晶生长成叶片形状，并不仅仅是缓慢冷却熔融版本的问题，该工艺还使用了一种名为“猪尾”的奇特技巧。 猪尾是叶片一端的小螺旋。Fifoot说，在冷却过程开始时，这个螺旋会“扼住”凝固晶体的流动，使只有一个晶体接管。有点像F1比赛中终点线前的发夹弯——一位车手可以在这里取得领先并最终获胜。 “有时我们需要调整[猪尾]的圈数或角度，以尝试获得更有利的晶粒，”Fifoot补充道。一旦叶片成形，这个关键但牺牲性的螺旋就会被切掉。 Rolls-Royce制造的叶片用于飞机发动机，包括为Airbus A350-900提供动力的Trent XWB-84，以及用于Boeing 787的Trent 1000 XE。 单晶对于确保每片叶片的性能至关重要。有时叶片冷却得并不完全如计划那样，例如其中形成两个晶体而不是一个，金属合金必须重新处理，以便制造商可以重复使用该材料。 特殊的陶瓷涂层也保护叶片免受发动机内部极端高温的影响。另一个重要特征是，叶片铸造时带有微小通道，允许较冷的空气流在飞机发动机工作时以某种薄膜形式覆盖叶片。 “目前[整个行业]的推动力是让这些冷却通道变得非常精细复杂，”伯明翰大学的Paul Withey说，他曾为Rolls-Royce工作。他解释说，这些冷空气细流越湍急，它们就会从周围更热的空气中带走越多热量。 叶片制造商还寻求尽可能减轻这些部件的质量。 “如果我们能减轻任何重量，你就可以使用更少的燃料更高效地运行发动机——你可以让它转得更快、更热，”Fifoot说。 与此同时，中国希望成为第六个掌握单晶叶片铸造全技术链的国家。 5月的一份报告援引中国航发北京航空材料研究院一位工程师的话称，中国现在拥有“优于或等同于欧美广泛使用的第二代单晶高温合金”的单晶合金。显然，其制造成本也更低。 但Sweetman表示，鉴于大多数商用客机生产都发生在西方，西方对中国拥有“巨大优势”。供应链和最新创新通常集中在西方。此外，西方制造商还拥有悠久的安全记录。 中国必须在飞机制造的几乎每个方面——绝不仅仅是涡轮叶片——展开竞争，才能取得实质性进展。“你肯定能看到这种情况发生，但这是一场漫长而艰难的攀登，”Sweetman补充道。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）