记者邓杰文罗娟
前不久，一架外国民航客机在一万米高空航行时，发动机突然爆裂，部件碎片穿透客机舷窗，导致飞机瞬间失压。事后有关部门调查称，事故原因是发动机风扇叶片断裂。
叶片是将燃油内能转化为飞机飞行动能的关键部件，加工难度大，质量要求高。叶片一旦断裂，会对发动机造成系列损伤，给飞机带来致命的伤害。
上图：航空修理厂的技术人员用激光附加技术修理叶片。
罗九龙
过去的活塞式发动机和现在的涡扇发动机都是压缩空气做功，利用空气反作用力为飞机提供飞行动能。从螺旋桨叶片、风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片，航空发动机叶片经历了多次迭代，变得重量更轻、强度更高、耐高温。
叶片制造技术的每一次创新和进步都在推动航空发动机的性能不断跃升。看似很小的“身板”承载着飞翔的梦想，也是国家军用航空产业发展壮大的“门槛”。
“小身体”能量大，处处显示“科技模式”
大多数现代战斗机使用涡轮风扇发动机。涡扇发动机前端的风扇吸入空气后，一部分空气进入发动机核心(也称内风道)，与燃油混合燃烧后排出；另一部分空气进入发动机核心周围的外导管，不燃烧，从涡轮发动机壳体向外喷出，形成动能推动飞机飞行。
打开整流罩外壳，观察发动机内部。我们发现发动机叶片是那么普通：不仅“长相一般”，还略“身材矮小”。从前到后，一排排风扇叶片、压气机叶片和涡轮叶片随机排列。行数与级数相同，行数越多级数越大。
扇叶是“三兄弟”中的“高个儿”，位于军用涡扇发动机的最前沿。为了适应超音速飞行，战斗机的正面风阻面积不宜过大，风扇叶片的尺寸设计有一定的局限性。因此，军用涡扇发动机的风扇通常具有多级叶片，以保证足够的推力。此外，风扇叶片的形状和内部结构也是影响风扇在空气中工作效率的重要因素。风扇叶片经历了窄弦实心叶片、宽弦空心叶片、复合叶片和整体叶片的发展。英国劳斯莱斯公司开发的EJ200涡扇发动机采用整体叶盘结构。
与传统的分体式叶片和轮盘相比，整体式叶片轮盘省去了传统连接所需的榫头、榫眼和锁紧装置，减少了零件数量，简化了发动机结构，并通过采用新的宽弦、弯叶片和窄流道进一步提高了气动效率。
空气经风机初步压缩后，进入压缩机继续加热加压。压缩机叶片是“三兄弟”中最薄的。经过精锻、磨削、抛光和表面强化后，叶片制成实心结构。为了获得更高的压力比和产生更大的推力，空气通常需要被多级压缩机叶片压缩。
在EJ200发动机上，五级高压压气机转子采用整体叶盘结构。这种设计进一步简化了压缩机转子结构，并使发动机重量减轻了30%以上。
压缩机形成的高温高压气体与燃料混合，燃烧产生高温高压燃气，驱动涡轮旋转做功。涡轮叶片堪称“三兄弟”中的“全能”，仍能应对高温、高压、腐蚀、磨损、复杂载荷等各种恶劣工况，这一切都离不开其“硬核”设计。
涡扇发动机前部温度很高。目前，大多数涡轮叶片材料采用耐高温的镍基单晶高温合金。涡轮叶片除了单晶高温合金外，还采用了风冷中空结构和陶瓷热障涂层，不仅在叶片外部覆盖了“防护服”，而且在叶片内部安装了“天然空调”，明显增强了叶片的高温防护能力。各种新材料、新技术、新工艺不断投入使用，使得叶片的小“体”充满了“科技模型”。
战斗机的战力首先取决于发动机的推力，推力取决于涡轮叶片的耐高温性
挺传奇的。早期飞机使用的螺旋桨实际上源于一次船舶航行试验的意外结果。1837年，英国造船工程师史密斯等人驾驶“阿基米德”蒸汽船进行航行试验。途中遇到水中障碍物，螺旋桨坏了。虽然只剩下一个小螺旋桨，但船的航行速度却提高了一倍多。受此启发，工程师们发明了螺旋桨的原型。直到1903年“航海家1号”试飞成功，螺旋桨才正式应用到飞机上。
最早的飞机螺旋桨采用木制双叶结构，像小时候的玩具“竹蜻蜓”。这种螺旋桨结构在第一次世界大战期间的战斗机中较为常见，英国骆驼战斗机就是代表之一。当时战斗机的发动机功率很低，木制的双叶螺旋桨完全可以满足它的所有动力。
随着发动机功率的不断提高，木制双叶结构很难满足飞机高速飞行的要求。增加螺旋桨叶片的数量已经成为适应发动机功率和提高螺旋桨推力的常用方法。
在喷气时代，螺旋桨叶片逐渐退出历史舞台，取而代之的是各种高科技的涡轮叶片。
军用涡扇发动机涡轮前温度直接影响发动机性能。当高压涡轮进口温度升高100时，发动机推力增加10%。因此，涡轮叶片的耐高温能力越强，对改善发动机性能越有利。
20世纪40年代，科学家成功开发出第一种耐高温合金，并将其应用于第一代军用涡扇发动机的涡轮叶片。随后，涡轮叶片发生了两大变化：第一，真空熔模铸造技术出现在20世纪50年代，可以大大降低叶片的有害杂质含量；第二，20世纪60年代出现的定向凝固合金技术显著提高了叶片的热疲劳性能。研究人员将定向凝固高温合金与简单的空气冷却技术相结合，制造了第二代军用涡轮风扇发动机的涡轮叶片。
20世纪70年代末，叶片制造工艺取得革命性突破，第一代单晶高温合金叶片正式问世。第三代军用涡扇发动机涡轮叶片采用单晶高温合金叶片结合单通道气膜冷却技术，涡轮前温度再次大幅升高。目前，新一代单晶高温合金和新型陶瓷基复合材料相继出现，多通道双层中空壁冷却技术日益成熟。随着涡轮叶片材料结构和制造工艺的变化，战斗机的飞行性能越来越强。
叶子很快被修复，壁虎长出一条“尾巴”
战斗机高速飞行时发动机叶片的工作状态是怎样的？
以劳斯莱斯开发的RB211涡扇发动机为例，风扇叶片绕轴飞行时，巨大的离心载荷相当于一辆M1A1主战坦克的重量。除了离心载荷之外，风扇叶片还面临气动载荷、交变载荷以及与鸟类、砂岩和其他异物的“意外相遇”。
作为第一个关键部件，涡轮叶片必须面对1000以上腐蚀性气体的正面冲击，并抵抗气体杂质的腐蚀。在这样恶劣的条件下，涡轮叶片很难做到“坚不可摧”，裂纹、磨损和性能退化是不可避免的。以某种发动机为例
那么，能否像壁虎一样重新长出“尾巴”，帮助发动机叶片实现“快速再生”？
航空发动机零部件再制造技术应运而生。这项技术涵盖了许多先进的工艺，如表面处理、添加剂制造、焊接、热处理和涂层处理。再制造技术修复的磨损零件质量不低于新产品。在国外，这项技术已经应用于发动机叶片的修复很长时间了。
每片叶子都有自己的“身份证”，出生之初会贴上标签。每次刀片磨损，都会记录在“病历档案”中，存档。“注册”完成后，刀片将被推入“手术室”。一次“手术”大致分为以下三个步骤：
第一步是预处理。用物理和化学方法去除表面有保护涂层的叶片，然后对叶片进行“全面体检”。发现“病灶”后，进行了清除裂纹表面氧化膜、制备焊接坡口等“清洗伤口”工作。
第二步是正式的“手术”。采用焊接、钎焊、冷/热喷涂、添加剂制造等工艺方法填充叶片型面受损部位，然后通过打磨抛光或机加工去除多余材料。
第三步是后处理。虽然刀片已经“重生”，但仍需要“重新检查”几次，以确保修复后不会出现二次损坏。然后需要恢复叶片表面的“保护层”，疏通堵塞的“呼吸通道”，调整表面的“健康状态”，才能取得质量证明书。
目前，国外许多公司在叶片修复技术方面有着丰富的技术背景。例如，德国MTU公司和汉诺威激光研究中心应用激光固体成形制造技术修复涡轮叶片。在国内，空军某航空修理厂经过10多年的努力，针对各种发动机部件的故障提出了解决方案，并先后突破了一系列关键核心技术。
经过修复技术的“处理”，叶片可以像壁虎一样在原有基础上“快速再生”，不仅明显缩短了发动机维修周期，也为战斗机的安全起降提供了有力保障。
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