关于铸造单晶叶片的专利技术综述

摘 要：航空发动机是飞机的心脏，而涡轮叶片是航空发动机核心部件之一，被誉为“皇冠上的明珠”。涡轮叶片的制备工艺从早期的挤压、锻造发展为铸造，经历了等轴晶叶片、定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片三个发展阶段。作为最为先进的单晶叶片，其性能水平成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志[1-4]。文章通过检索国内外铸造单晶叶片的专利文献，分析发现，铸造单晶叶片从最早的功率降低法进行冷却，逐渐发展为空冷法、液态金属冷却法；启晶方式由早期的晶种启晶的方式逐渐发展为现在主流的铜盘冷却方式；选晶方式主要有转折式和螺旋式选晶，并以螺旋选晶器为主。

关键词：专利；单晶叶片；铸造

中图分类号：T-18 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0024-03

1 单晶叶片的概述

典型的单晶叶片制备装置如图1所示，叶片型壳设置于结晶器铜盘上，至于加热区中，铸造时铸件以一定的速度从炉中移出，以形成一定的温度梯度，从而制备形成单晶叶片[5]。

目前，我国将航空发动机列为国家战略，涌现了J20、运20、C919等一批航空设备，振奋人心。通过对国内外专利文献进行梳理，发现对铸造单晶叶片的研究主要集中于冷却方式、启晶方式、选晶方式、型壳上的改进以及热处理方式等内容。本文针对上述内容，对国内外铸造单晶叶片的专利文献进行检索和分析。

2 铸造单晶叶片的专利申请分析

笔者对涉及单晶叶片的铸造的分类号进行了查询，其主要涉及分类号：B22C9/04（用熔模方法）、B22C9/22（铸型或型芯）、B22D27/04（影响金属温度，如用加热或冷却铸型）、C30B11/00（正常凝固法或温度梯度凝固法的单晶生长）。此外，笔者结合关键词：叶片、涡轮、燃气轮机、燃气机、发动机等以及vane、blade、impeller、paddle、fan、single crystal等进行检索。检索截止日期为2017年06月08日，初步获得1000余篇中外文专利，通过筛选，得到的有效样本350余篇；经过数据整理，利用Excel对获取的样本数据的专利申请状况进行统计分析。

2.1 国内专利申请

通过检索以及筛选，获得国内申请有效样本共142篇，下面从样本数据分析国内申请的特点。

国内专利申请的历年分布：

由图2可以看出，国内铸造单晶叶片专利申请始于1985年，而2000年以后进入蓬勃发展时期，特别是2010年后，专利申请量迅速增加。

由图3可以看出，国内申请主要是我国申请人，但也有四分之一以上为外国申请人的申请，国外申请以PCT、巴黎公约等形式进入中国，在中国进行专利布局，国内申请人应该对此有一定的警觉性。

2.2 国外专利申请

通过筛选后获得207篇涉及铸造单晶叶片的外文专利，通过对其进行分析，有如下结论：

2.2.1 国外专利申请的历年分布

由图4可以看出，铸造单晶叶片始于1965年，20世纪80年代后申请量有所增加，90年代中期最多，随后趋于平稳，稍有减少。

2.2.2国外专利申请人的公开国家分布

由图5的国外专利申请的公开国家分布可以看出铸造单晶叶片的专利布局，第一梯队为美国、日本，申请量为20%左右，第二梯队为德国、欧盟，第三梯队为英国、加拿大、法国、俄罗斯。

3 铸造单晶叶片的技术发展路线

3.1 冷却方式

单晶的形成过程中冷却方式很重要，根据冷却形式不同，可以分为功率降低法、空冷法、喷雾冷却法以及液态金属冷却法。

美国联合飞机公司（NITED AIRCRAFT CORP）在US354

2120A中率先使用了功率降低法，铸型固定于加热区内，提供加热装置以保证从顶部至冷却铜盘之间形成所需的温度梯度。功率降低法因其提供的冷却速度不大，因此，现在单纯使用功率降低法的已经很少，一般会采用加热区多段加热以形成温度梯度再配合抽拉后的空冷、水冷、液态金属冷却等多手段冷却技术。1970年美国联合飞机公司在IL37248D0中采用杆18控制铸件撤离加热区，进行空气冷却以加快冷却速度以及结晶速度。1996年，西门子公司开始使用液态金属3冷却铸件以进一步增大冷却速率，如DE19647313A。1999年，俄罗斯航空材料科学研究所采用喷射惰性气体结合水冷以增大冷却的温度梯度，如RU2152844C。

3.2 启晶方式

启晶是指熔融金属首先开始凝固形成晶体。铸造单晶叶片的启晶方式主要有两种，一种为水冷铜盘强制冷却启晶，另一种为预制晶籽启晶。1965年，美国联合飞机公司在US3542120A中率先使用了水冷銅盘配合起晶器进行启晶。随着工艺发展，虽然启晶方式各异，但是基本上都是在这种水冷铜盘配合起晶器的基础上进行的改进。1978年美国联合飞机公司在DE2949446A开始使用晶种启晶。相关采用晶种启晶的专利申请还有：EP0496978B1、RU2167029C1、US2005025613

A1、RU2587116C1、US2009078390A1等。

由图6可以看出，水冷铜盘加以起晶器的启晶方式自诞生以来申请量稳步提升，而晶种启晶的方式相对来说专利申请数量上要少许多，主要是以铜盘冷却为主要的启晶方式。

3.3 选晶方式

晶粒取向主要是通过选晶器选择的，选晶器在单晶叶片铸造过程中起着举足轻重的地位。选晶器可以分为倾斜式、转折式和螺旋式等。早在1965年，美国联合飞机公司在US3542120A中就发明了倾斜式和转折式选晶器。转折型的选晶器的专利申请有：GB2030233A、GB9121364D0、DE69316251endprint

T2、GB2260284A、JPH09317402A等。1970年美国联合飞机公司在IL36489D0中开始使用螺旋式选晶器。

图7为两种形式的选晶方式的专利申请量随时间分布，可以看出，20世纪90年代开始，螺旋式选晶器开始增多，而转折式选晶器则逐渐减少。在螺旋式选晶器中，晶体横向择优生长于螺旋结构耦合作用，形成连续选晶过程。目前，单晶生产过程中主要通过螺旋选晶的方式进行单晶生产，螺旋选晶器的选晶段的螺距、螺旋直径、螺旋厚度、螺旋角等因素均对选晶结果有影响，涉及的相关专利申请有：GB2003063B、GB2112309A、DE4209227C1、JPH11207451A、US2005205002A1等。

3.4 热处理方式

为了使得铸得的叶片具备更加持久强度极限和蠕变极限，一般需要对其进行热处理，经过多年的热处理工艺发展，基本上形成了固溶+时效的热处理方式，或者在其基础上为了获得所需性能采用回复退火（CN103451736A）、高温时效+低温时效（CN103436740A、CN103382536A）等。

4 结束语

通过对铸造单晶叶片的国内国外专利技术文献进行检索、筛选、梳理，通过梳理其技术分支，理清了铸造单晶叶片的技术发展脉路。铸造单晶叶片从最早的功率降低法进行冷却，逐渐发展为空冷法、液态金属冷却法；启晶方式由早期的晶种启晶的方式逐渐发展为现在主流的铜盘冷却方式；选晶方式主要有转折式和螺旋式选晶，并以螺旋选晶器为主；经过多年的热处理工艺发展，基本上形成了固溶+时效的热处理方式。