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涡轮叶片是整个飞机的核心。
众所周知，航空发动机是整个飞机的核心，它的性能好坏直接决定了飞机的整体性能，所以航空发动机又被称为“工业皇冠上的明珠”。涡轮叶片是航空燃气涡轮发动机中工作环境最恶劣、受力最复杂的部件，同时涡轮叶片也是航空发动机在体积小、重量轻的情况下，发挥高性能的关键。所以，如果说航空发动机是整个飞机的核心，那么涡轮叶片就是整个飞机的“核心中的核心”！
歼20发动机尾喷口
对于航空发动机来说，温度的提高会带来热效率的提高。相关研究表明，航空发动机涡轮前温度每提高55℃，在其他条件不变的情况下，发动机推力可提高10%左右。因此船舶柴油机配件，随着高性能航空发动机不断追求大推力、高推重比，提高涡轮前轮温度自然成为航空发动机大力发展的一个方向。而涡轮前温度的提高，是基于高温下涡轮叶片材料性能（持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳性能等）的提高。
高涵道比涡扇发动机结构
然而在航空发动机不断发展的过程中，涡轮前轮的温度上升速度远快于涡轮叶片材料的承载温度。按照目前的技术水平，航空发动机中“裸露”的涡轮叶片的承载温度最多只有1100℃左右，而叶片的工作温度却已经达到了1700℃。两者之间如此大的差别，与涡轮叶片各种冷却技术的发展密不可分。
发动机涡轮部件结构及剖面图
高温合金的应用引发了涡轮叶片的第一次革命
航空发动机涡轮叶片的第一次革命始于高温合金的出现。第一种高温合金于20世纪40年代问世。后来，高温合金以其优异的高温性能全面取代了之前的高温不锈钢，并于20世纪50年代应用于第一代航空燃气涡轮发动机。此时高温合金涡轮叶片的工作温度已达800℃。由于负载温度与工作温度相差不大，因此此时的叶片还没有采用冷却技术。
航空发动机叶片
定向合金显著提高叶片承载温度
20世纪60年代，真空铸造技术的应用是高温合金发展史上最重大的事件之一。真空铸造大大降低了对高温合金性能有害的杂质含量，提高了合金的纯净度。后来，为了解决合金中的“塑性谷”问题，还发明了定向凝固合金技术，因为定向凝固使合金的结晶方向与叶片主应力轴平行，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，提高了合金的塑性和热疲劳性能。
不同工艺下涡轮叶片性能对比
此时采用定向铸造高温合金制成的涡轮叶片承载温度达到1000℃（约1273K），比上一代高温合金提高约200℃。结合简易叶片气冷技术后，第二代航空燃气涡轮发动机的涡轮前段温度可达到1300K-1500K，进一步提高了航空发动机的性能。
第一代单晶合金+气膜冷却技术
20世纪70年代，合金化理论和热处理技术取得突破，此时的技术可以完全消除合金定向凝固基础上的晶界，单晶合金涡轮叶片制造技术诞生飞机发动机叶片，也引发了涡轮叶片材料的第二次革命，合金叶片的热强度性能进一步提高（约30℃），涡轮叶片的承载温度已达到1050℃左右（约1323K）。
但第三代航空燃气涡轮发动机的要求，进一步拓宽了涡轮叶片的工作温度和负荷温度，自此，涡轮叶片的冷却技术开始受到重视。通过在叶片上设计冷却通道和冷却孔，再将压气机中几百摄氏度的“低温气体”引入涡轮叶片内部，再从叶片表面的冷却孔中喷出飞机发动机叶片，形成一层气膜，起到将低温涡轮叶片与其工作环境中的高温气体隔离的作用。这就是气膜冷却技术。
发动机叶片上的冷却孔特写
气膜冷却技术的应用使涡轮叶片的工作温度远高于叶片材料本身的轴承温度船舶物资，因此随着第一代单晶合金+单通道气膜冷却技术的综合应用，第三代航空发动机的涡轮前段温度已经达到1680K-1750K，开始出现推重比为8的涡扇发动机（目前WS-10就属于这一代）。
第二代单晶合金+复合冷却技术
到了上世纪末，第五代战斗机提出了“超音速巡航”的要求，发动机的推重比和推力需要进一步提高。第二代单晶合金通过添加铼、钴、钼等元素，进一步提高了涡轮叶片合金的组织稳定性，在长期强度与抗氧化腐蚀性能之间取得了良好的平衡，使其轴承温度再次提高约30℃，达到约1100℃（约1370K）。
涡轮叶片材料的发展
此时，通过改进材料性能来提高涡轮叶片的工作温度已变得困难，单通道气膜冷却技术已不能满足需要。采用多种冷却技术（对流、冲击、气膜结构、发散冷却等）的复合冷却技术已得到发展。目前，通过涡轮叶片的复合冷却，叶片的工作温度（涡轮前温度）可比负荷温度高出约400K，达到1850K-1980K。
叶片冷却技术的发展
第二代单晶合金结合复合冷却技术涡轮叶片应用于当前主流的第四代航空发动机（主要以F-119、EJ-200发动机为代表）。
第三代单晶合金/陶瓷基复合材料+多通道双层空心壁冷却技术
目前，第六代战斗机的研制已经提上日程，但关于第五代燃气涡轮发动机的信息相对较少。根据近年来相关技术的突破，进一步优化合金元素组成的第三代单晶合金和新型陶瓷基复合材料将成为第五代燃气涡轮发动机叶片的首选材料。其中，陶瓷基复合材料的提升更为明显（承载温度可达1200℃，重量仅为镍基单晶合金的1/3），但技术尚不成熟。
各代发动机涡轮叶片的发展
在下一代涡轮叶片冷却技术方面，涡轮叶片内部的冷却通道将进一步增加，使叶片分散更加均匀；采用双层空心壁冷却技术，在涡轮叶片双层夹板上增加空心结构，进一步提高冷却效率。由于多通道双层空心壁冷却技术研究相对复杂，国内在这方面的研究相对较少。
涡轮叶片涂层
航空发动机涡轮叶片发展综述及展望
总的来说，航空发动机涡轮叶片材料的制造与优化是一个极其复杂的过程，需要进行大量的实验，才能找到最优或接近最优的组成配比；而涡轮叶片冷却方案的优化则以设计和制造为基础，每一次涡轮叶片冷却技术的优化对叶片设计制造也是一次巨大的考验。因此毫不夸张地说，一片单晶叶片的价格超过同等重量的黄金。
GE展出的陶瓷基复合材料涡轮叶片
从航空发动机涡轮叶片的发展历史来看，研制更耐高温的涡轮叶片是提高发动机性能的关键。经过几十年的发展，单晶合金叶片的潜力似乎已被耗尽。若想进一步提高航空发动机性能，寻找新的方向成为涡轮叶片发展不得不面对的一个选择；虽然航空发动机涡轮叶片冷却技术还有很大的优化空间，但这无疑将进一步增加叶片加工制造的难度。
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