摘要：本研究聚焦于涡扇发动机高压涡轮叶片的创新制备技术。采用硼氮化钽硅掺杂碳纳米管在特定氩气压力下通过 3D 打印构筑穹顶网状结构，并以五碳化四钽铪包裹外层，旨在提升叶片在高温环境下的性能。深入探讨了材料选择依据、制备工艺过程以及在 2500℃高温工作环境下叶片内部

摘要： 本研究聚焦于涡扇发动机高压涡轮叶片的创新制备技术。采用硼氮化钽硅掺杂碳纳米管在特定氩气压力下通过 3D 打印构筑穹顶网状结构，并以五碳化四钽铪包裹外层，旨在提升叶片在高温环境下的性能。深入探讨了材料选择依据、制备工艺过程以及在 2500℃高温工作环境下叶片内部氩气膨胀对辅助支撑叶片性能的作用机制，通过实验测试与模拟分析相结合的方法对叶片的结构完整性、耐高温性能等进行了全面评估，为高性能涡扇发动机涡轮叶片的研发提供了新的思路与技术支撑。

关键词： 涡扇发动机；高压涡轮叶片；硼氮化钽硅；碳纳米管；五碳化四钽铪；3D 打印

一、引言

涡扇发动机作为航空飞行器的核心动力部件，其高压涡轮叶片工作环境极为恶劣，需承受高温、高压与高速旋转带来的复杂应力。随着航空技术的不断发展，对发动机性能要求日益提高，传统涡轮叶片材料与制造工艺已难以满足需求。因此，探索新型材料体系与先进制造工艺对于提升涡扇发动机性能具有关键意义。

二、材料选择与特性

（一）硼氮化钽硅掺杂碳纳米管

硼氮化钽硅具有高熔点、高强度与良好的化学稳定性等特点，掺杂碳纳米管后，可进一步提升其力学性能与热传导性能。碳纳米管的高比强度与独特的一维纳米结构能够有效增强复合材料的韧性与抗裂纹扩展能力，同时其良好的导热性有助于热量在叶片内部的均匀分布，减少局部热应力集中。

（二）五碳化四钽铪

五碳化四钽铪具备优异的耐高温性能，其熔点高达约 4200℃，在高温环境下能保持良好的结构稳定性与抗氧化性能。将其作为叶片的外层包裹材料，可有效抵御高温燃气的冲刷与侵蚀，为内部结构提供可靠的防护。

三、叶片制备工艺

（一）3D 打印技术原理

采用先进的 3D 打印技术，基于计算机辅助设计（CAD）模型，通过逐层堆积的方式构建叶片的复杂结构。在特定的氩气压力环境下，将硼氮化钽硅掺杂碳纳米管原料按照预设的穹顶网状结构路径进行精确打印，确保内部结构的均匀性与稳定性。

（二）氩气压力控制

在打印过程中，精确控制氩气压力，一方面为打印过程提供稳定的惰性保护环境，防止材料氧化；另一方面，在叶片内部形成预定压力的氩气腔室，为后续高温工作时氩气膨胀辅助支撑叶片奠定基础。

（三）外层包裹工艺

在完成硼氮化钽硅掺杂碳纳米管的穹顶网状结构打印后，采用特殊的涂层工艺将五碳化四钽铪均匀包裹在叶片外层，确保涂层的致密性与完整性，提高叶片的整体耐高温与抗侵蚀能力。

四、高温性能测试与分析

（一）实验装置与方法

构建专门的高温测试平台，模拟涡扇发动机高压涡轮叶片的实际工作环境，将制备好的叶片样品置于其中，逐步升温至 2500℃，同时利用高精度传感器监测叶片内部氩气压力变化、叶片结构变形以及表面温度分布等参数。

（二）氩气膨胀辅助支撑机制

当工作环境温度达到 2500℃时，叶片内部氩气受热膨胀，压力升高。膨胀的氩气对叶片内部的穹顶网状结构产生向外的支撑力，有效抵消了部分因高温导致的材料软化和外部压力引起的叶片变形，提高了叶片的结构稳定性与承载能力。通过对实验数据的详细分析，建立了氩气膨胀压力与叶片变形量之间的数学模型，深入揭示了其辅助支撑的作用规律。

（三）叶片性能评估

综合测试数据，对叶片的耐高温性能、结构完整性、力学性能等进行全面评估。结果表明，采用硼氮化钽硅掺杂碳纳米管与五碳化四钽铪复合结构并结合 3D 打印技术制备的涡轮叶片在 2500℃高温下具有良好的性能表现，能够满足涡扇发动机高压涡轮叶片的苛刻工作要求。

五、结论

本研究成功开发了一种基于硼氮化钽硅掺杂碳纳米管与五碳化四钽铪的涡扇发动机高压涡轮叶片制备技术。通过 3D 打印构筑特殊的穹顶网状结构并利用氩气膨胀辅助支撑机制，显著提高了叶片在 2500℃高温环境下的性能。该技术为涡扇发动机涡轮叶片的高性能化提供了一种创新的解决方案，具有广阔的应用前景。然而，在实际工程应用前，仍需进一步优化材料配方与制备工艺，深入研究长期高温服役条件下叶片的性能演变规律，以确保其可靠性与耐久性。

来源：小杨科技观