航空发动机的单晶秘笈

现代先进军用航空发动机高温涡轮叶片的顶级产品，是单晶叶片。别看说得挺邪乎，其实制造起来更邪乎。

这张照片上的三枚发动机叶片标志着涡轮叶片制造技术的三次迈进。最左侧的是等轴晶叶片，也就是许许多多个晶粒构成的叶片，虽然使用的材料很棒，但是从晶体结构上存在弱点，就像一大块冰糖，摸着很硬，但掉到地上就会摔成无数小块。中间那个是定向结晶叶片。这种叶片的铸造过程中，人类通过特殊技术来控制金属晶粒的形成方向，让它们按照叶片的纵向伸展排列。这样在旋转运动时，叶片的景粒结构相对于冲击载荷就相当于一把挺立的筷子，自然更为结识。最右侧那个叶片就是最新的技术成果——单晶叶片。人们通过更绝妙的工艺（其实主要在温度梯度控制的火候方面）让叶片不再凝结成许多个晶粒，而是成为一个单个晶粒，这样就能承受更大的载荷。

一名技术工人正打开真空炉。炉子里刚刚铸造完一批单晶叶片。照片中，叶片还在陶瓷模具中尚未取出。这些模具下方有一个冷却座板，它负责控制流入模具的金属溶液的温度——温度是至关重要的秘笈，它决定着金属溶液能否凝结为一个不再被许多晶格分隔的单个晶体。这样的叶片自然就拥有了金刚不坏之身。

这张示意图显示的就是单晶涡轮叶片在真空路内部的模具中形成的大致过程。可能很难完全看明白，但是您只需要知道，这个过程相当精巧，绝招就在温度的掌控上。

这张照片里的信息可多了，慢慢分析。

精彩的蜡模到金属成品摆拍

准备入炉的模具组

高温合金叶片铸造虽然极为复杂，但其基本原理仍未逃离中国古代失蜡法的范畴。大致描述这一过程，就是先用蜡制作一个非常精准的涡轮叶片，你需要什么样的叶片，就用蜡做一个。然后把这个蜡模浸入研磨得极细的陶瓷粉末砂浆中，让陶瓷砂浆沾满蜡模表面，随后让蜡模干燥。此后再度浸入陶瓷粉末砂浆，然后再干燥；再浸入，再干燥......反复足够多次数之后，蜡模外面就包裹了一层极为细密的陶瓷粉末层。然后再把这个东西高温加工，蜡就会溶化流出，作为外壳的粉末层则被烧制成坚固的陶瓷模具。往它的内部加入融化的高温合金，就能得到你要的叶片——金属叶片。铸造的过程控制好温度梯度，你就能得到定向结晶叶片，甚至是单晶叶片。

这个螺旋形的东西是单晶涡轮叶片制造中的终极秘笈装备——行内把它称作“螺旋选晶器”。它是模具的一部分，融化的金属通过这个螺旋形的通道进入模具的零件形腔——这条螺旋迷宫最终只允许一个单晶体到达顶端并继续生长，最后长成单晶叶片，等待技术人员前来“收割”。估计你应该会想到，收割下来的每个单晶叶片都会带着一根螺旋形的尾巴，英文干脆就称呼它“猪尾巴”或“小辫子”（Pigtail）。当然，这根尾巴最后会被切掉，得到叶片的毛坯。这张照片展示的就是切下来的叶片尾巴。虽然是切下来的边角料，但是却是极好的演示教具。工程人员已经用酸对它的表面进行了清洗，这样就能展现出金属的晶粒结构和走向。在尾巴的底部，我们会看到有很多晶粒从下向上生长起来，而到了螺旋通道的上部，多个晶粒的脉络消失了，只剩下一个晶粒继续向上生长，最终形成顶部的单晶涡轮叶片（已经被切走了，看不见）。

最后用一个单晶叶片结晶过程模拟视频结束，看看工程技术人员是怎样用冶金工艺实现这种科技魔法的。

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