第一百七十四章皇冠宝石
除了前面介绍过的压气机和燃烧室以外，喷气式发动机的核心机中最重要的部件就要数燃气涡轮了。和压气机被分为静子和转子一样，喷气式发动机的涡轮同样可分为静子和转子。其中静子上的叶片称为导向叶片，而转子上的叶片则被称为工作叶片。
导向叶片顾名思义，是仅起导向作用而不需要转动的叶片，当高温燃气从燃烧室里流出后，会先在导向叶片间发生偏转，然后以设计好的合适角度冲刷后面的涡轮转子上的工作叶片。在高温燃气的推动下，工作叶片会带动涡轮盘旋转，进而驱动前面的压气机高速转动，从而将空气源源不断地压入燃烧室供燃料燃烧，如此循环往复下去。
不难想象，涡轮叶片是整个喷气式发动机中工作环境环境最为恶劣的部件之一。尤其是涡轮转子上的工作叶片，不仅需要承受少则七八百摄氏度，多则上千摄氏度的高温，还需要承受转子高速旋转所带来的拉伸应力以及高速燃气冲刷所带来的弯曲应力，这种应力的强度可能会达到叶片自身重力的上千倍乃至数千倍。
涡轮叶片的工作环境是如此的严酷，而随着人们对涡轮发动机性能要求的不断提高，这个严酷的程度还是与日俱增的。上个位面中，在*********，涡轮发动机的高压涡轮转速从每分钟几千转增加到了每分钟几万转，涡前温度也从一开始的不到*********尔文以上。从某种角度上说，和涡轮叶片的严酷工作环境相比，高压压气机中五六百度的高温几乎可以称得上是温情脉脉了。
想要制造出能在如此恶劣的环境下运转依然面不改色的涡轮工作叶片，其中的难度也是可想而知的。如果材料性能不能满足要求，或者在叶片的加工环节存在瑕疵，要不了多久涡轮叶片就会因为发生剥落、变形乃至断裂而失效。
涡轮叶片剥落或者变形的后果是非常严重的，这可能会导致叶片与机匣摩擦而双重受损，如果不幸发生了叶片断裂，问题则会变得更加糟糕。因为一旦涡轮叶片发生断裂，即使只是小小的一片，带来的后果也很可能是毁灭性的。在强大离心力的作用下，断裂的叶片会像飞刀一样破坏力十足，它的威力足以击毁发动机内的其它部件，甚至有可能直接把机匣打穿，从而造成发动机的严重损毁。
为了防止出现上面这种悲剧性的后果，设计师们就必须从制造材料、成型工艺、叶型设计这三个方面同时入手，对同时代人类工程学的极限发起挑战。如果将先进涡轮发动机比作机械工业的皇冠，那么高性能涡轮叶片就是这顶皇冠上最璀璨的一颗宝石了。
按照制造材料的基体元素分类，用于制造涡轮叶片的高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等类型。本位面有了海伦娜的正确引导和“和平基金”的持续投资加持，德国在高温合金方面起步比上个位面要早不少，也没有走太多的弯路，现在已经有多个牌号的铁基高温合金和镍基高温合金被研制出来。
虽然这些牌号的高温合金的最高工作温度均不超过1000摄氏度，如果以后世的标准来衡量并不算先进，但考虑到上个位面的二战中喷气式发动机的涡前温度都在800摄氏度以下，即使不再增加额外的冷却手段，也能够保证足够的设计余量。假如辅以内冷却气道等手段，涡前温度还有不小的提高余地，所以在制造材料这一层面，海伦娜已经没有多少需要担心的了，日后只需要保持高强度研发投入不断线就好。
除了制造材料之外，成型工艺也是涡轮叶片制造中非常重要的一个环节。高温合金按照成型工艺来分，主要有变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金三类。其中粉末冶金成型工艺在涡轮发动机上主要用于盘件而非叶片，而且上个位面中直到*********，这里暂且搁置，我们先说说用于叶片成型中的变形和铸造工艺。
变形高温合金是通过机械加工手段成型的，具体到涡轮叶片的加工上，则主要是锻造。这也是最早被用于涡轮叶片生产的一种加工手段，上个位面的二战中，不管德国还是英国，它们早期喷气式发动机的涡轮叶片都是通过精密锻造工艺成型的。
然而随着发动机涡轮的工作温度越来越高，涡轮叶片中必须加入越来越多的难熔金属，这就给传统的锻造工艺带来了很多麻烦，再加上铸造工艺能够更方便地在叶片内部加工出复杂的冷却空气流道，铸造工艺的优势开始愈发凸显出来。
在上个位面中，英国人曾在这一变革面前吃过不小的苦头，由于早期的铸造工艺比较容易出现偏析、缩孔、夹杂、疏松等工艺缺陷，严重影响了涡轮叶片的良品率。因此英国人一直对铸造成型的涡轮叶片抱有强烈的怀疑态度，直到*********艺不放，结果导致罗罗公司在铸造高温合金这一块一度落后于美苏两国。
上个位面中，铸造高温合金在取代变形高温合金成为涡轮叶片的主流之后，大约经过了三个发展阶段。第一个阶段是*********，以采用普通精密铸造工艺的多晶高温合金为代表；第二个阶段是60到80年代，以采用定向凝固技术的定向高温合金为代表；第三个阶段则是*********制备工艺的单晶高温合金。
多晶高温合金、定向高温合金和单晶高温合金的主要区别，在于其内部晶界分布的不同。我们知道，金属是一种晶体，然而当金属冷却结晶时，其内部并不一定只有一个结晶中心。所以当一块内部有多个结晶中心的高温合金冷却凝固后，它实际上并不是一个整块的晶体，而是由大量围绕各个结晶中心生长而成的晶粒的集合，这些晶粒之间的边界就是所谓“晶界”。就像一块拼图很容易从接缝处散开一样，晶界也是涡轮叶片中潜在的弱点。
普通的高温铸造合金由于凝固时存在无数结晶中心，所以内部是存在大量这样无规则排列的晶粒的，一旦外在应力超过临界值，叶片就会晶粒之间的晶界处开始变形乃至断裂。由于涡轮工作时受到的纵向应力大于横向应力，所以叶片中的横向结晶总是最先投降的那一个。
解决这一问题的一个有效方法，是当金属液冷却时给它建立一个非常精确的温度梯度，让叶片从一端开始，向另一端单向凝固。这样等到冷却完成后，叶片中就只有纵向晶界而没有横向晶界了，这样叶片就可以承受大得多的纵向应力而不发生断裂。这种让叶片按照指定方向结晶的制造工艺就是所谓定向凝固，用这种工艺生产的叶片也就是定向高温合金叶片了。
定向高温合金制造的叶片消除了横向晶界，但纵向晶界依然存在，如果横向应力太大，还是存在被破坏的可能，那么按照前面的思路，人们会自然而然地想到：为什么不直接彻底消除晶界呢？如果整个叶片只有一个结晶中心，那么造出来的叶片就是一个整块的晶体，内部什么弱点都没有，岂不美哉？你还别说，上个位面80年代以后，人们还真实现了这个看起来有些异想天开的梦想，这就用单晶制备工艺铸造而成的单晶叶片。
在海伦娜穿越之前，单晶涡轮叶片已经发展了好几代了，不过现在是三十年代，海伦娜还是只能从锻造变形高温合金走起。现在不要说定向高温合金和单晶高温合金了，就连普通的精密铸造技术用在涡轮叶片上都力有未逮。
更何况定向凝固和单晶制备工艺还需要重新研究专门的高温合金牌号，比如定向合金一般需要加入稀有金属铪，而单晶合金一般需要加入稀有金属铼。没有这些前置科技想啥呢？何况就算有了专门牌号的高温合金，定向高温合金和单晶高温合金对温度控制的要求是三十年代能肖想的吗？所以海伦娜真是梦里啥都有，手头啥都没啊，为什么其他的穿越者点科技树从来都不需要点亮前置科技的呢？海伦娜眼泪汪汪地想。
现在海伦娜只能一边先用精密锻造的涡轮叶片顶住，一边让研究人员在普通精密铸造技术上多下点功夫，就看能不能在*********接受的程度了。在这个方面，海伦娜来自后世的经验管不了什么用，只能靠刷经验。
况且即使是普通的精密锻造和铸造，海伦娜也做不后世无余量精铸或者精锻的地步。也就是说，锻造或者铸造完成后，得到的依然只是一个半成品，需要工人用手工精心修饰和打磨。这个打磨的成品率是高是低，那就全看大国工匠的手感了。
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导向叶片顾名思义，是仅起导向作用而不需要转动的叶片，当高温燃气从燃烧室里流出后，会先在导向叶片间发生偏转，然后以设计好的合适角度冲刷后面的涡轮转子上的工作叶片。在高温燃气的推动下，工作叶片会带动涡轮盘旋转，进而驱动前面的压气机高速转动，从而将空气源源不断地压入燃烧室供燃料燃烧，如此循环往复下去。
不难想象，涡轮叶片是整个喷气式发动机中工作环境环境最为恶劣的部件之一。尤其是涡轮转子上的工作叶片，不仅需要承受少则七八百摄氏度，多则上千摄氏度的高温，还需要承受转子高速旋转所带来的拉伸应力以及高速燃气冲刷所带来的弯曲应力，这种应力的强度可能会达到叶片自身重力的上千倍乃至数千倍。
涡轮叶片的工作环境是如此的严酷，而随着人们对涡轮发动机性能要求的不断提高，这个严酷的程度还是与日俱增的。上个位面中，在*********，涡轮发动机的高压涡轮转速从每分钟几千转增加到了每分钟几万转，涡前温度也从一开始的不到*********尔文以上。从某种角度上说，和涡轮叶片的严酷工作环境相比，高压压气机中五六百度的高温几乎可以称得上是温情脉脉了。
想要制造出能在如此恶劣的环境下运转依然面不改色的涡轮工作叶片，其中的难度也是可想而知的。如果材料性能不能满足要求，或者在叶片的加工环节存在瑕疵，要不了多久涡轮叶片就会因为发生剥落、变形乃至断裂而失效。
涡轮叶片剥落或者变形的后果是非常严重的，这可能会导致叶片与机匣摩擦而双重受损，如果不幸发生了叶片断裂，问题则会变得更加糟糕。因为一旦涡轮叶片发生断裂，即使只是小小的一片，带来的后果也很可能是毁灭性的。在强大离心力的作用下，断裂的叶片会像飞刀一样破坏力十足，它的威力足以击毁发动机内的其它部件，甚至有可能直接把机匣打穿，从而造成发动机的严重损毁。
为了防止出现上面这种悲剧性的后果，设计师们就必须从制造材料、成型工艺、叶型设计这三个方面同时入手，对同时代人类工程学的极限发起挑战。如果将先进涡轮发动机比作机械工业的皇冠，那么高性能涡轮叶片就是这顶皇冠上最璀璨的一颗宝石了。
按照制造材料的基体元素分类，用于制造涡轮叶片的高温合金可以分为铁基、镍基、钴基等类型。本位面有了海伦娜的正确引导和“和平基金”的持续投资加持，德国在高温合金方面起步比上个位面要早不少，也没有走太多的弯路，现在已经有多个牌号的铁基高温合金和镍基高温合金被研制出来。
虽然这些牌号的高温合金的最高工作温度均不超过1000摄氏度，如果以后世的标准来衡量并不算先进，但考虑到上个位面的二战中喷气式发动机的涡前温度都在800摄氏度以下，即使不再增加额外的冷却手段，也能够保证足够的设计余量。假如辅以内冷却气道等手段，涡前温度还有不小的提高余地，所以在制造材料这一层面，海伦娜已经没有多少需要担心的了，日后只需要保持高强度研发投入不断线就好。
除了制造材料之外，成型工艺也是涡轮叶片制造中非常重要的一个环节。高温合金按照成型工艺来分，主要有变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金三类。其中粉末冶金成型工艺在涡轮发动机上主要用于盘件而非叶片，而且上个位面中直到*********，这里暂且搁置，我们先说说用于叶片成型中的变形和铸造工艺。
变形高温合金是通过机械加工手段成型的，具体到涡轮叶片的加工上，则主要是锻造。这也是最早被用于涡轮叶片生产的一种加工手段，上个位面的二战中，不管德国还是英国，它们早期喷气式发动机的涡轮叶片都是通过精密锻造工艺成型的。
然而随着发动机涡轮的工作温度越来越高，涡轮叶片中必须加入越来越多的难熔金属，这就给传统的锻造工艺带来了很多麻烦，再加上铸造工艺能够更方便地在叶片内部加工出复杂的冷却空气流道，铸造工艺的优势开始愈发凸显出来。
在上个位面中，英国人曾在这一变革面前吃过不小的苦头，由于早期的铸造工艺比较容易出现偏析、缩孔、夹杂、疏松等工艺缺陷，严重影响了涡轮叶片的良品率。因此英国人一直对铸造成型的涡轮叶片抱有强烈的怀疑态度，直到*********艺不放，结果导致罗罗公司在铸造高温合金这一块一度落后于美苏两国。
上个位面中，铸造高温合金在取代变形高温合金成为涡轮叶片的主流之后，大约经过了三个发展阶段。第一个阶段是*********，以采用普通精密铸造工艺的多晶高温合金为代表；第二个阶段是60到80年代，以采用定向凝固技术的定向高温合金为代表；第三个阶段则是*********制备工艺的单晶高温合金。
多晶高温合金、定向高温合金和单晶高温合金的主要区别，在于其内部晶界分布的不同。我们知道，金属是一种晶体，然而当金属冷却结晶时，其内部并不一定只有一个结晶中心。所以当一块内部有多个结晶中心的高温合金冷却凝固后，它实际上并不是一个整块的晶体，而是由大量围绕各个结晶中心生长而成的晶粒的集合，这些晶粒之间的边界就是所谓“晶界”。就像一块拼图很容易从接缝处散开一样，晶界也是涡轮叶片中潜在的弱点。
普通的高温铸造合金由于凝固时存在无数结晶中心，所以内部是存在大量这样无规则排列的晶粒的，一旦外在应力超过临界值，叶片就会晶粒之间的晶界处开始变形乃至断裂。由于涡轮工作时受到的纵向应力大于横向应力，所以叶片中的横向结晶总是最先投降的那一个。
解决这一问题的一个有效方法，是当金属液冷却时给它建立一个非常精确的温度梯度，让叶片从一端开始，向另一端单向凝固。这样等到冷却完成后，叶片中就只有纵向晶界而没有横向晶界了，这样叶片就可以承受大得多的纵向应力而不发生断裂。这种让叶片按照指定方向结晶的制造工艺就是所谓定向凝固，用这种工艺生产的叶片也就是定向高温合金叶片了。
定向高温合金制造的叶片消除了横向晶界，但纵向晶界依然存在，如果横向应力太大，还是存在被破坏的可能，那么按照前面的思路，人们会自然而然地想到：为什么不直接彻底消除晶界呢？如果整个叶片只有一个结晶中心，那么造出来的叶片就是一个整块的晶体，内部什么弱点都没有，岂不美哉？你还别说，上个位面80年代以后，人们还真实现了这个看起来有些异想天开的梦想，这就用单晶制备工艺铸造而成的单晶叶片。
在海伦娜穿越之前，单晶涡轮叶片已经发展了好几代了，不过现在是三十年代，海伦娜还是只能从锻造变形高温合金走起。现在不要说定向高温合金和单晶高温合金了，就连普通的精密铸造技术用在涡轮叶片上都力有未逮。
更何况定向凝固和单晶制备工艺还需要重新研究专门的高温合金牌号，比如定向合金一般需要加入稀有金属铪，而单晶合金一般需要加入稀有金属铼。没有这些前置科技想啥呢？何况就算有了专门牌号的高温合金，定向高温合金和单晶高温合金对温度控制的要求是三十年代能肖想的吗？所以海伦娜真是梦里啥都有，手头啥都没啊，为什么其他的穿越者点科技树从来都不需要点亮前置科技的呢？海伦娜眼泪汪汪地想。
现在海伦娜只能一边先用精密锻造的涡轮叶片顶住，一边让研究人员在普通精密铸造技术上多下点功夫，就看能不能在*********接受的程度了。在这个方面，海伦娜来自后世的经验管不了什么用，只能靠刷经验。
况且即使是普通的精密锻造和铸造，海伦娜也做不后世无余量精铸或者精锻的地步。也就是说，锻造或者铸造完成后，得到的依然只是一个半成品，需要工人用手工精心修饰和打磨。这个打磨的成品率是高是低，那就全看大国工匠的手感了。
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