航空發動機材料

航空發動機材料

航空發動機材料是指製造航空發動機的汽缸、活塞、壓氣機燃燒室、渦輪、軸和尾噴管等主要部件所用的各種結構材料。

航空發動機早期採用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不鏽鋼等製造;後期為適應增加發動機推力、提高飛機飛行速度的需要,鈦合金、高溫合金和複合材料相繼得到套用。

基本介紹

  • 中文名:航空發動機材料
  • 外文名:Aeroengine material
  • 材料舉例:碳鉻-鉬-鋁鋼
  • 用於:航空發動機
  • 領域:航空
發展歷程,發展趨勢,材料特點,

發展歷程

航空發動機材料是製造航空發動機氣缸、活塞、壓氣機、燃燒室、渦輪、軸和尾噴管等主要部件所用的結構材料。航空發動機早期採用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不鏽鋼等製造;後期為適應增加發動機推力、提高飛機飛行速度的需要,鈦合金、高溫合金和複合材料相繼得到套用。在航空發動機中,渦輪葉片由於處於溫度最高、應力最複雜、環境最惡劣的部位而被列為第一關鍵件,並被譽為“王冠上的明珠”。渦輪葉片的性能水平,特別是承溫能力成為一種型號發動機先進程度的重要標誌,在一定意義上,也是一個國家航空工業水平的顯著標誌。
渦輪葉片材料發展
20世紀40年代,噴氣式發動機原理早已提出,但沒有合適的高溫材料用於製造渦輪,發展遲緩。
航空發動機材料
五六十年代,英國的White公司開發出了鎳基高溫合金。此外,真空熔煉方法製造高溫合金純度得到提高,性能更好。航空發動機渦輪葉片採用變形高溫合金和鑄造高溫合金。
70年代,隨著航空發動機不斷追求高推重比,開發出定向凝固、單晶鑄造等高溫部件製造工藝,使葉片的最高工作溫度和耐疲勞性能進一步提高。國外現役發動機葉片材料主要採用第二代和第三代單晶合金。這些單晶合金由於富錸易產生脆性相,近年來研究加入釕或銥以減少脆性傾向,開發出第四代單晶合金。葉片技術發展的趨勢是將結構一材料一工藝統一考慮,採用鑄造及雷射打孔工藝直接製造發散冷卻孔道。
80年代,開始研製陶瓷葉片材料,除提高葉片材料的耐溫等級外,將由金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層複合材料作為葉片的“熱障塗層”受到重視。該技術依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力,利用高溫金屬作韌化元素,從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前採用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態反應等方法已研製出幾種微米層次的微疊層複合材料,包括Nb - Cr2Nb、NB - Nbs Si3以及NB - MoSi2等。微疊層納米熱障塗層可望將葉片的耐溫能力提高260C°,除用於葉片外,微疊層複合材料在無疲勞合金塗層、抗砂蝕樹脂基複合材料風扇葉片塗層等方面也有套用機遇。
我國發動機葉片材料發展態勢良好,僅鑄造渦輪葉片材料就超過20種,並開展了單晶鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷和C/C複合材料的研製。我國低密變、低成本的第一代單晶合金DD3性能與國外同代合金相當,已用於直升機小發動機渦輪葉片;第二代單晶高溫合金DD6正在推廣套用於先進的渦輪發動機葉片,其承溫能力相當於國外同代合金,而成本更低。就渦輪盤材料而言,除廣泛使用的粉末盤及其發展成的雙性能粉末盤、三性能粉末盤外,細晶變形盤由於成本低也被看好。俄羅斯製造業堅持認為採用傳統熔鑄變形盤完全可滿足第四、五代發動機的需要。作為一種新的渦輪盤方案,近年來開發了無夾雜的噴射盤。該技術與粉末冶金工藝相比具有工序簡化、成本降低的優勢,其快凝組織特性又奠定了其性能優勢,包括遠優於鑄鍛工藝、相當或高F粉末冶金工藝的強度與持久壽命,優於粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命,因晶粒細化而改善的熱加工性能等。由於傳統變形盤的工藝設備均能使用,且材料利用率高,成本明顯低於粉末盤,因此,噴射盤有可能成為粉末盤的強勁對手。
渦輪盤材料發展
20世紀40年代的渦輪進口溫度約為800~ 900C°,其採用16 -25 -6鐵基合金。
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50年代,隨著渦輪進口溫度提高到950℃,出現了沉澱硬化合金,套用沉澱強化原理使合金具有更高的高溫強度。
70年代,進口溫度提高到了1240℃,出現了Rene95合金和粉末冶金高溫合金。
在這些先進航空發動機中,高溫材料仍屬於核心技術。如軍用發動機中的高溫鈦合金(壓氣機盤和葉片)、高溫合金板材(燃燒室)和粉末冶金材料以及單晶葉片材料(渦輪)等,民用發動機中使用的單晶葉片材料和粉末高溫合金渦輪盤材料。

發展趨勢

發動機熱端部件的材料主要以高溫合金為主,如鈦合金的套用就始於發動機,且至今仍是發動機壓氣機的主打材料。真空熔煉、定向凝固以及單晶鑄造的引入使發動機渦輪進口溫度從1940年的700℃增加到2000年的1 650°C,發動機的壽命也大為上升。下一步,渦輪進口溫度將從1650℃增加到1715℃,2020年以後可能上升到1977°C。為實現這些苛刻的要求,還要依靠材料、工藝與冷卻技術的完美結合。
航空發動機材料的一個重要發展趨勢是繼續開發新的三、四代單晶合金,美國NASA開發的第四代單晶合金工作溫度比第三代高出27~42℃俄羅斯正在開發的ⅨC-55也屬於第4代單晶,在1100℃、100h的持久強度高達180~190MPa。美國NASA還打算將工作溫度比第四代單晶再提高56℃,這已十分接近合金的熔點了。此外,鎳鋁型合金也是發展方向之一。
目前,較先進的發動機上高溫合金占55%~65%,鈦合金用量25%~40%,發動機推重比已達到10,渦輪進口溫度達到1650℃。要將發動機的推重比進一步提高,首先要發展高溫結構材料,如金屬間化合物材料、金屬基複合材料、陶瓷及C/C基複合材料等,因此,這些材料也一直是航空發動機材料研究的重點。

材料特點

航空發動機的特點是體積小,功率大,各部件的工作條件嚴酷,特別是轉動件在不同的溫度、載荷、環境介質(空氣,燃氣)下工作,大多須用比強度高、耐熱性好和抗腐蝕能力強的材料製造。航空發動機的使用期限不盡相同,軍用飛機發動機一般為100~1000小時;民用機發動機甚至要求1萬小時以上,所用材料的組織和性能須保持長時間穩定。航空發動機早期採用鋁合金、鎂合金、高強度鋼和不鏽鋼等製造;後期為適應增加發動機推力、提高飛機飛行速度的需要,鈦合金、高溫合金和複合材料相繼得到套用。
使用鑄鋁合金、合金鋼製造的活塞式航空發動機,在1903年裝備了第一架螺旋槳式飛機。40年代到50年代初有了高溫合金,渦輪噴氣發動機才得以研製成功,使飛機的飛行速度超過了音速。60年代由於鑄造高溫合金和鈦合金的套用和發展,渦輪風扇發動機得以研製成功。70年代定向凝固高溫合金空心渦輪葉片、粉末高溫合金渦輪盤和新的鈦合金的出現,使渦輪進口溫度提高到1370°C,使渦輪風扇發動機的推重比達到8以上。
活塞式航空發動機 汽缸一般用強度達 1000 兆帕(約100公斤/毫米)的中碳鉻-鉬-鋁鋼製做,以便表面滲氮,提高耐磨性和耐蝕性。活塞用強度為300兆帕(約30公斤/毫米)的鍛造鋁合金製作,再嵌裝上合金鑄鐵漲圈,起耐磨和封嚴的作用。聯桿和曲軸用優質的鉻-鎳合金鋼製造,有耐磨要求的部位還經過滲碳或氮化處理。
渦輪噴氣發動機壓氣機的零部件工作溫度一般低於650℃,要求用比強度和疲勞強度高、抗衝擊和耐腐蝕的材料製造。離心式壓氣機的葉輪使用高強度鋁合金。軸流式壓氣機的前風扇葉片用鈦合金。低壓轉子的輪盤和葉片用鋼和鋁合金,發展趨勢是全部用鈦合金。高壓轉子的輪盤和葉片用耐熱鋼,發展趨勢是用高溫合金。前機匣用鋼或鈦合金製造,有的機匣為了隔音還需要用吸音材料。燃燒室內燃燒區的溫度高達1800~2000°C,儘管引入氣流冷卻,燃燒室壁溫一般仍在900°C以上,常用易成形、可焊接的高溫合金(新型鎳基和鈷基合金)板材製造。為了防止燃氣沖刷、熱腐蝕和隔熱,常噴塗防護塗層。彌散強化合金不需塗層即可用於製造耐1200°C的燃燒室。燃燒室用的材料均可用於製造加力燃燒室和尾噴管。製造渦輪葉片和渦輪盤的材料是影響發動機性能的重要材料。適宜於製造渦輪葉片的材料有鑄造鎳基合金。現代試驗型發動機的渦輪進口溫度已達到1650°C,更高的要求達到1930°C。正在研製定向單晶、定向共晶、鎢絲增強鎳基合金和陶瓷材料,研製彌散強化鎳基合金和新型粉末渦輪盤合金,以適應更先進發動機的渦輪葉片和渦輪盤的需要。

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