摘要：本研究聚焦于涡扇发动机高压涡轮叶片的创新设计与制造，提出采用碳氮化锆碳纳米管复合结构，结合 3D 打印技术在真空环境中构建空心穹顶网状叶片，并以五碳化四钽铪包裹、充入氩气的方法。详细阐述了材料特性、叶片结构设计原理、制造工艺过程，通过理论分析、模拟计算与实验测

摘要： 本研究聚焦于涡扇发动机高压涡轮叶片的创新设计与制造，提出采用碳氮化锆碳纳米管复合结构，结合 3D 打印技术在真空环境中构建空心穹顶网状叶片，并以五碳化四钽铪包裹、充入氩气的方法。详细阐述了材料特性、叶片结构设计原理、制造工艺过程，通过理论分析、模拟计算与实验测试相结合，深入探讨该叶片在 2000℃高温工作环境下的强度、耐腐蚀与韧性等关键性能，旨在为高性能涡扇发动机涡轮叶片的研发提供新颖的技术思路与理论依据。

关键词：涡扇发动机；高压涡轮叶片；碳氮化锆碳纳米管；五碳化四钽铪；3D 打印；氩气填充

一、引言

涡扇发动机作为现代航空推进的核心装置，其高压涡轮叶片在高温、高压、高速旋转及复杂化学环境下工作，对材料与结构的要求极为苛刻。传统叶片材料与制造工艺面临诸多挑战，如高温强度不足、耐腐蚀性能有限以及韧性难以满足等问题。随着材料科学与制造技术的飞速发展，探索新型叶片设计与制造方案成为提升涡扇发动机性能的关键课题。本研究提出的基于碳氮化锆碳纳米管、五碳化四钽铪与 3D 打印技术的创新方案具有重要的研究意义与应用潜力。

二、涡扇发动机高压涡轮叶片工作环境与性能要求

（一）工作环境

涡扇发动机高压涡轮叶片处于极端恶劣的工作环境中。燃气温度可高达 2000℃甚至更高，同时承受巨大的离心力，其数值可达数吨至数十吨。此外，热应力、振动应力以及燃气中的腐蚀性介质（如氧气、硫氧化物、水蒸气等）持续作用于叶片，对叶片的性能与寿命构成严重威胁。

（二）性能要求

1. 高温强度：在高温条件下，叶片必须具备足够的强度以抵抗离心力和热应力，防止发生塑性变形、断裂等失效形式。

2. 耐腐蚀性能：能够有效抵御燃气中腐蚀性成分的侵蚀，避免材料损耗与性能退化，确保叶片在长期运行过程中的可靠性。

3. 韧性：良好的韧性可使叶片吸收振动能量，减少因疲劳而产生裂纹的风险，提高叶片的抗冲击能力与耐久性。

三、材料选择与结构设计原理

（一）碳氮化锆碳纳米管

1. 碳氮化锆特性：碳氮化锆具有较高的熔点与硬度，其结构中的锆原子与碳、氮原子形成强化学键，赋予材料良好的高温稳定性与耐磨性。在高温环境下，能有效抵抗固体颗粒的冲刷与磨损，维持叶片的形状与表面质量。

2. 碳纳米管作用：碳纳米管具有卓越的力学性能，如超高的强度与独特的韧性。将其与碳氮化锆复合，可在增强材料整体强度的同时显著提高韧性。碳纳米管能够有效阻碍裂纹的扩展，分散应力集中，从而改善叶片的抗断裂性能。

（二）空心穹顶网状结构与氩气填充

1. 结构优势：采用 3D 打印技术制造空心穹顶网状结构，可在减轻叶片重量的同时优化应力分布。穹顶结构能够依据力学原理有效分散压力，提高叶片的承载能力。空心部分减少了材料的使用量，降低了叶片的整体重量，有利于提高发动机的推重比。

2. 氩气填充原理：在空心部分充入适量氩气，当叶片工作温度升高时，氩气受热膨胀产生内压。此内压能够为叶片提供额外的支撑力，增强叶片的抗变形能力，有效补偿高温下材料强度的降低。同时，氩气作为惰性气体，具有一定的隔热与抗氧化作用，可进一步保护叶片内部结构。

（三）五碳化四钽铪包裹层

五碳化四钽铪具有超高的熔点（约 4215℃），能够在极端高温环境下保持固态与结构完整性。作为包裹层，它可有效阻挡高温燃气对内部碳氮化锆碳纳米管结构的直接冲刷与氧化，极大地提高叶片的高温耐久性与抗氧化性能，延长叶片的使用寿命。

四、基于 3D 打印技术的叶片制造工艺

（一）3D 打印前准备

1. 材料制备：合成高质量的碳氮化锆碳纳米管复合粉末材料，通过精确控制碳、氮、锆元素的比例以及碳纳米管的添加量与分散状态，确保复合粉末具有良好的均匀性与可打印性。

2. 模型设计：利用计算机辅助设计（CAD）软件设计叶片的三维模型，详细规划空心穹顶网状结构的具体参数，包括网格尺寸、壁厚、空心腔室的形状与大小等。同时，设计氩气填充通道与密封结构，确保氩气能够均匀填充且在高温下保持密封。

（二）真空 3D 打印过程

1. 打印参数优化：将制备好的复合粉末装入 3D 打印设备的料仓，在真空环境下采用选择性激光熔化（SLM）或电子束熔化（EBM）等先进 3D 打印工艺进行叶片的逐层制造。严格控制打印过程中的关键参数，如激光功率、扫描速度、扫描间距等，以保证叶片的成型质量与精度。通过工艺优化实验，确定最佳的打印参数组合，确保碳氮化锆碳纳米管复合结构的致密性与完整性。

2. 同步构建功能结构：在打印叶片主体结构的同时，同步构建氩气填充管道与密封结构。采用特殊的打印策略，确保管道的通畅性与密封性，为后续氩气填充工序奠定基础。

（三）后处理与五碳化四钽铪包裹

1. 热处理：对打印完成的叶片进行热处理，消除打印过程中产生的残余应力，优化材料的组织结构与性能。通过精确控制热处理温度、时间与冷却速率，使碳氮化锆碳纳米管复合结构达到理想的微观组织状态，提高叶片的综合性能。

2. 包裹层沉积：采用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法在叶片表面沉积五碳化四钽铪包裹层。精确控制沉积过程中的工艺参数，如反应气体流量、温度、压力等，确保包裹层的厚度均匀性与致密性。通过微观结构分析与性能测试，优化沉积工艺，使包裹层能够有效发挥其高温保护作用。

3. 氩气填充与密封：通过专门设计的填充设备将氩气按照预定压力与体积充入空心腔室，然后采用可靠的密封工艺对填充口进行密封处理。对密封后的叶片进行密封性检测，确保氩气在高温工作环境下不会泄漏。

五、性能测试与分析方法

（一）高温强度测试

采用高温拉伸试验机对制造的叶片样品进行高温拉伸试验。在 2000℃的模拟工作温度下，精确测量叶片的屈服强度、抗拉强度与断裂伸长率等关键参数。通过与传统叶片材料及结构的对比试验，深入分析本研究提出的叶片设计在高温强度方面的提升效果与优势。

（二）耐腐蚀性能测试

将叶片样品置于模拟涡扇发动机燃气腐蚀环境的高温腐蚀试验箱中。经过一定时间的暴露后，采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）等先进微观分析手段，详细观察与分析叶片表面的腐蚀形貌、腐蚀产物成分与厚度。通过对比不同腐蚀时间与条件下的测试结果，评估叶片的耐腐蚀性能与耐久性。

（三）韧性测试

利用冲击试验机对叶片样品进行冲击韧性测试，准确测量其冲击吸收功。结合高速摄像技术与断口分析，深入研究叶片在承受冲击载荷时的能量吸收机制、裂纹萌生与扩展行为，全面评估叶片的韧性表现与抗冲击能力。

（四）模拟计算与有限元分析

建立叶片的三维有限元模型，充分考虑材料的非线性特性、温度场分布、应力场分布以及氩气压力变化等复杂因素。通过有限元模拟计算，预测叶片在不同工作工况下的力学行为，包括应力集中区域、变形情况、疲劳寿命等。将模拟结果与实验测试数据进行对比验证，进一步优化叶片的结构设计与制造工艺参数。

来源：微微小胜