摘要：本论文提出一种创新的涡扇发动机高压涡轮叶片设计概念，采用碳化钽构建金属海绵结构作为叶片主体，利用 3D 打印技术成型，并在其表面包裹五碳化四钽铪。通过在内部充入一定压力的氩气，利用高温下氩气膨胀辅助支撑叶片强度，同时减轻叶片重量。详细阐述了该设计的材料特性、结

摘要： 本论文提出一种创新的涡扇发动机高压涡轮叶片设计概念，采用碳化钽构建金属海绵结构作为叶片主体，利用 3D 打印技术成型，并在其表面包裹五碳化四钽铪。通过在内部充入一定压力的氩气，利用高温下氩气膨胀辅助支撑叶片强度，同时减轻叶片重量。详细阐述了该设计的材料特性、结构原理、制造工艺以及预期性能优势，为涡扇发动机高压涡轮叶片技术的发展提供了新的思路与探索方向。

一、引言

涡扇发动机高压涡轮叶片在航空发动机领域起着至关重要的作用，其面临着高温、高压、高转速等极端工况。传统叶片材料与结构在应对这些苛刻条件时逐渐面临性能瓶颈。因此，探索新型材料组合与创新结构设计成为提升涡轮叶片性能的关键研究方向。

二、材料特性

（一）碳化钽

碳化钽具有高熔点（约 3880°C）、高硬度（莫氏硬度 9 - 10）、良好的化学稳定性和高温强度等优异特性。采用金属海绵结构形式的碳化钽，能够在保证一定强度的基础上，形成大量内部孔隙，为后续充入氩气提供空间，并且其独特的多孔结构有利于热量传递与应力分散。

（二）五碳化四钽铪

五碳化四钽铪拥有超高熔点（超过 4000°C），在高温环境下具有出色的抗氧化性和抗腐蚀性。作为叶片表面包裹材料，可有效保护内部碳化钽结构免受高温燃气的侵蚀，同时进一步提升叶片整体的高温性能与耐磨性能。

三、结构原理

（一）金属海绵结构

碳化钽构建的金属海绵结构具有复杂的多孔网络。这些孔隙相互连通，在常温下充入一定压力的氩气后，当叶片处于 2000°C 高温环境时，氩气受热膨胀。由于金属海绵结构的限制，膨胀的氩气会对孔壁产生均匀的压力，从而对叶片整体结构起到支撑作用，增强叶片在高温高压下的承载能力。同时，多孔结构减轻了叶片的整体质量，有利于提高涡扇发动机的推重比。

（二）表面包裹

五碳化四钽铪紧密包裹在碳化钽金属海绵结构外部，形成一层连续的保护膜。这层膜不仅能够防止高温燃气中的腐蚀性成分与碳化钽接触，延长叶片使用寿命，还能通过与碳化钽的协同作用，优化叶片的热传导特性，使叶片在高温环境下能够更有效地散热，减少热应力集中。

四、制造工艺

采用 3D 打印技术实现该叶片的制造。首先，利用计算机辅助设计（CAD）软件精确设计碳化钽金属海绵结构的三维模型，根据设计要求确定孔隙率、孔径大小等参数，并预留出氩气充注通道与密封结构。然后，选择合适的碳化钽粉末材料，采用选区激光熔化（SLM）或电子束熔化（EBM）等 3D 打印工艺逐层堆积成型碳化钽金属海绵结构。在成型过程中，严格控制打印参数，如激光功率、扫描速度、层厚等，以确保结构的完整性与精度。打印完成后，对内部孔隙进行清洗与处理，确保其洁净度与气密性。最后，通过化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等方法在碳化钽金属海绵结构表面均匀沉积五碳化四钽铪涂层，形成完整的叶片结构，并通过密封处理将氩气充注到设计压力后封闭充注通道。

五、预期性能优势

（一）高温性能提升

碳化钽与五碳化四钽铪的组合以及氩气膨胀辅助支撑结构，使叶片能够在 2000°C 甚至更高温度下稳定工作，显著提高涡扇发动机的热端温度上限，从而提升发动机的热效率与推力。

（二）重量减轻

金属海绵结构的轻质特性以及优化后的整体设计，有效降低了叶片的质量，有助于减少发动机的整体重量，提高燃油经济性与飞机的飞行性能。

（三）强度与耐久性增强

氩气的内部支撑作用与材料本身的高强度特性相结合，增强了叶片在高温高压高速旋转工况下的抗变形能力与抗疲劳性能，延长叶片的使用寿命，降低发动机的维护成本与故障率。

六、结论

本论文提出的基于碳化钽金属海绵结构与五碳化四钽铪表面包裹并结合内部充氩气的涡扇发动机高压涡轮叶片设计方案，充分利用了先进材料的特性与创新的结构设计理念，通过 3D 打印技术实现了复杂结构的制造。该方案在高温性能、重量控制、强度与耐久性等方面具有显著的预期优势，为涡扇发动机高压涡轮叶片技术的创新发展提供了有价值的参考与探索方向。然而，在实际应用前，仍需进一步开展大量的实验研究与性能测试工作，以验证与优化该设计方案，推动其在航空发动机领域的工程化应用。

来源：小思说科技