王冠上的明珠:劳斯莱斯的单晶涡轮叶片铸造厂

罗尔斯·罗伊斯公司正在使用一种古老的金属加工方法来制造用于喷气发动机的单晶涡轮叶片

铸造是最古老、最基本的金属加工方法之一。如果你能造出足够热的火来熔化金属，并制造出熔化金属的坩埚和能承受高温的模具，你就能铸造复杂的金属形状;我们已经这样做了几千年。已知最古老的铸造是6000年前在美索不达米亚制造的一只铜蛙。许多闪闪发光的古希腊大理石雕塑实际上是近代罗马人用青铜铸造的原件的复制品:少数幸存下来的原件，比如在西西里岛附近海域发现的希腊战士的里阿斯青铜器，显示了这些早已去世的金属大师所达到的令人难以置信的复杂程度和细节水平。

然而，这种最古老的技能至今仍在使用，而且确实仍在发展中。它最近的化身可以说是有史以来对金属进行的最先进的程序，对于现代世界的标志性活动之一——日常航空旅行——至关重要。它位于英国历史悠久的金属加工中心谢菲尔德劳斯莱斯先进叶片铸造设施(ABCF)，一个专门建造在附近的设施位于罗瑟勒姆的谢菲尔德大学先进制造研究中心。

ABCF生产的部件不是大多数人见过的:它们是隐藏在喷气发动机最热部分的涡轮叶片。与希腊青铜器的华丽装饰相去甚远，它们将实用的外观与复杂的形状和功能以及宝石般的内部完美结合在一起:它们仅重约300克，小到可以放在手掌中，实际上是一种金属合金的完美单晶，其成分经过多年的微调，可以在喷气发动机最快运动部件的地狱般的条件下运行。

罗尔斯·罗伊斯公司材料主管尼尔·格洛弗说:“在喷气发动机诞生之初，弗兰克·惠特尔爵士的原型机完全是钢制的。”“钢在强度和表面硬度方面都很好，但如果你需要高温性能，它实际上不是很好;450-500℃是它的极限。”

它的不适用性促使人们寻找一种更耐温的材料，喷气式飞机制造商转而使用镍合金。镍储量相对丰富，在澳大利亚有大量矿床，价格低廉，熔点为1728 k(1455°C)，耐腐蚀，这两种特性都是喷气发动机内部功能部件的宝贵特性。更重要的是它形成合金的能力，以及其中一种合金的特殊性质，一种被称为γ -prime的化合物，镍与铝结合，在高温下保持其强度。格洛弗说:“在钢甚至钛中，当你达到熔点的40 - 50%时，强度会迅速下降。”“镍合金在熔点的85%以下仍能保持强度。

发动机制造商充分利用了这一特性。喷气发动机的工作原理是将涡轮叶片与压气机叶片置于同一轴上，涡轮叶片在燃烧室内膨胀的热气流中旋转，压气机叶片在高压下迫使空气进入发动机。因此，在发动机后部，低压涡轮叶片，在已经冷却的气流中运行，与发动机前部的大型风扇叶片位于同一轴上，它们加速空气以产生发动机的推力。这条轴穿过较短、较宽的中压(IP)轴的中间，这条轴的后面也是涡轮叶片，前面是压气机叶片。外面是高压轴，它驱动压缩机迫使空气进入燃烧室。燃烧室是环形的，后部有一个出口环控制废气的流动，单晶叶片就在这里被发现。刚燃烧出来的气体温度在1700°C左右;轴的转速超过每分钟12000转。

这意味着叶片在比镍合金熔点高几百度的环境中工作。为了防止它们熔化，金属必须冷却。这是通过两种机制完成的:叶片涂有低导电性陶瓷;它们布满了内部通道的复杂分支结构。Glover解释说:“空气从高压压缩机中抽出，通过发动机的核心，进入叶片的根部。

“它穿过冷却通道，从叶片表面的无数孔中出来，在叶片周围形成一个冷空气包络。所以金属永远不会超过它的熔点，即使环境是这样。冷却的空气实际上并没有那么冷;温度大约在600-650°C，但我们必须把它从发动机的热核心取出，这样它就有足够的压力通过通道，从洞里出来。这仍然足以将叶片温度降低到1150°c左右。”

热量对喷气机至关重要;它们运行的温度越高，从燃料中提取的能量就越多。这是发动机制造商之间的主要竞争点，因此在过去的60年里，喷气式飞机一直在运行，迫使温度更高，开发能够承受高温的涡轮叶片，一直是该领域最重要的技术竞赛之一。格洛弗说，这是一个渐进的过程，最终在20世纪80年代末开发出单晶叶片。

“叶片在比镍合金熔点高几百度的环境中工作，但由于冷却机制，即使环境高于熔点，金属也永远不会高于熔点。”

尼尔·格洛弗，劳斯莱斯的材料主管

然而，单晶结构并不是用来应对温度的;这是为了使叶片能够承受由转速产生的巨大机械负荷。格洛弗说:“每个叶片从气流中提取的能量相当于一级方程式赛车的引擎。”“对它们施加的离心力相当于一辆双层巴士的重量。”

通常，金属是由许多晶体组成的——有序的原子结构排列在一个规则的晶格中，当金属从熔融状态冷却时自然形成。这些晶体通常有几十微米大小，分布在许多方向上。在高温和应变下，晶体可以相互滑动，杂质可以沿着晶粒之间的边界扩散。这就是所谓的蠕变，它严重影响了早期的涡轮叶片，这些叶片由钢和后来的镍棒锻造而成。

开发的第一阶段是消除与离心载荷成直角的任何晶界，这导致了铸造叶片的发展，因此金属晶体都是从上到下运行的。后来，通过铸造完全没有晶界的单晶，进一步优化了这一点。这是一个非常复杂的过程:不仅叶片必须在内部冷却通道已经到位的情况下铸造，而且晶体也不是均匀的。相反，不同成分和晶体结构的区域存在于叶片内部。

罗尔斯·罗伊斯公司的机翼涡轮材料技术专家Neil D 'Souza说:“你可以把镍高温合金想象成复合材料。”“它是两种相的混合物，其中一种- γ -prime -使高温下的强度持续增加。”

当它结晶时，镍形成一种被称为面心立方(fcc)的结构;每个立方体都有一个面，有五个原子，每个角一个，中间一个。制造合金时，原子通常只是在fcc晶格内外交换。但在适当的条件下，铝和镍会以这样的方式结合:镍在表面的中心，铝在角落。这被称为沉淀;它在合金的主体内形成更有序的岛屿，尺寸约为半微米，以直线形式紧密排列在一起。由于析出相和无序体合金的晶格尺寸几乎相同，它们都是同一晶体的一部分。

格洛弗说:“你可以想象建立一个球棒晶格模型。”“在大块合金中，你会随机放置代表合金成分的球，大约10种不同的元素，包括镍、铝、铬、钽和钛，当你得到γ -prime沉淀物时，你会把铝放在角落里，镍在中间。它们都在相同的规则晶格上，以相同的方式定向，所以它们都是相同的晶体，但是你有这些更强的区域，那里有一系列的γ -撇沉淀。”

但这并不是自然发生的。为了制造叶片，第一阶段是一个陶瓷“核心”，其形式是弯曲的内部冷却通道。蜡被注入周围，形成气动叶片的形状，再加上在铸造过程中辅助的其他几个特点。插入铂金销以支持蜡内的核心;然后，通过将其涂在铝硅酸盐材料的浆液中形成陶瓷涂层，将其“外壳”。再涂上几层不同成分的涂层，然后将蜡熔化，留下叶片形状的空隙。这是一种投资或“失蜡”铸造，与古希腊雕刻家制作Riace青铜器的技术相同。

“我们的员工非常熟练，但他们也是人，没有人能在轮班结束时提供与开始时相同的工作质量。”

史蒂夫·派克特，制造经理，劳斯莱斯先进叶片铸造工厂

然后将熔化的金属倒入模具中，模具被放置在熔炉中以保持金属的熔融状态。在模具的底部是一个额外的铸造特征:一个螺旋结构，形状与标准开瓶器的三圈相同。被称为辫子，它连接在一个被水冷却的盘子上。一旦填充，模具就慢慢地从熔炉中取出，进入冷却室。金属在冷却板处开始凝固，晶体开始生长到辫子中。晶体沿着模具取出的方向沿直线生长，但由于辫子的扭曲形状，除了增长最快的晶体外，所有晶体都被消除了。只有具有正确方向的晶体才会出现在刀片模具中，并且模具的逐渐退出确保晶体通过熔体继续生长到其余空间。

重要沉淀物的形成源于外部温度的精心控制和模具的设计;这些多层陶瓷决定了熔融金属的热量消散的速度，这为实现所需的内部结构提供了额外的技巧。将核心固定在适当位置的铂引脚扩散到合金中，而不影响其性能。

一旦凝固，铸件就会从模具中取出，开始进行大约20道工序中的第一道工序，为组装成发动机做准备。首先，用苛性碱溶解陶瓷芯。然后，用于铸造的额外特征被机加工掉。使用电火花加工钻出冷却空气的孔，形成所需的孔几何形状，以将空气引导到需要的地方。最后，采用电子束等离子体沉积技术对叶片进行绝缘陶瓷涂层。

罗瑟勒姆的ABCF专注于大型民用客机发动机的部件，因为随着空客A350 XWB等飞机的出现，罗尔斯·罗伊斯为其开发了Trent XWB发动机，这是该公司认为其主要增长来源。

ABCF耗资约1.1亿英镑，旨在实现尽可能多的生产过程自动化。ABCF的制造经理Steve Pykett说:“单晶铸造是昂贵的，而且许多部分的工艺传统上是非常手工的。”“我们的员工非常熟练，但他们也是人，没有人能在轮班结束时提供与开始时相同的工作质量。”

蜡组件的生产是这种理念的一个很好的例子。“你总能在投资铸造厂找到一个蜡室，”Pykett说。“制作蜡需要手眼协调和灵巧，但这并不能保证一致性。”

劳斯莱斯与考文垂附近的制造技术中心合作，开发了一种自动化系统，用于固定陶瓷芯，注入蜡，将芯固定到位并进行组装过程。“过去，组装一次需要整整一个班次;现在需要一个小时，”Pykett说。“但时间并不是这里的主要驱动力。我们现在知道，在一天中的任何时候，我们都能从蜡制过程中获得一致的产品，这为我们提供了一个坚实的平台，可以降低成本。”

“我们已经将制造这些组件的一些技能从生产线上的制造工程师转移到工艺开发人员手中。但这并不意味着我们已经去技能化了。”

马克·胡兰兹，铸造制造主管

其他一些工艺也实现了自动化，包括修整操作，以消除铸件的牺牲特征。随后，劳斯莱斯将叶片进行检查，用两道工序取代了五道工序。然后，这些铸件被运往弗吉尼亚州Crosspointe的另一家工厂，进行进一步的加工，使它们能够附着在发动机的圆盘上，并钻出冷却孔;它们会回到诺丁汉郡安内斯利的一家工厂进行涂层。

铸造制造主管马克·胡兰兹说:“这个过程非常复杂，需要精确控制温度和材料处理，几乎是一个原子一个原子地控制叶片的形成。”胡兰兹说:“我们所做的是将制造这些部件的一些技能从生产线上的制造工程师转移到工艺开发人员手中。”“这并不意味着我们已经失去了技能。我们的工程师仍然需要高技能来保持流程的顺利运行，但他们的技能不同，我们已经提高了一致性，这样我们就可以降低成本。”

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