航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料有哪些？
本站之前發(fā)表過：航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上所用的材料有哪些？這篇文章，網(wǎng)友說很好，今天我們再來看看 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料 有哪些？
航空制造是制造業(yè)中高新技術(shù)最集中的領(lǐng)域，屬于先進(jìn)制造技術(shù)。美國惠普公司研制的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，通用電氣公司的F120發(fā)動(dòng)機(jī)，法國的SNECMA公司的M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)，英國、德國、意大利和西班牙四國聯(lián)合研制的EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)。這些代表世界先進(jìn)水平的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的共同特點(diǎn)是普遍采用了新材料、新工藝和新技術(shù)。今天就跟小編來看看那些高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的新材料。
高溫合金是為了滿足噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為軍用和民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。
高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和制造工藝是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要標(biāo)志。由于對材料的耐高溫性能和應(yīng)力承受能力提出很高要求，早期英國研制了Ni3（Al、Ti）強(qiáng)化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料，同時(shí)，又相繼發(fā)展了 Nimonic系列合金。美國開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。
在高溫合金發(fā)展過程中，制造工藝對合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。由于真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體的去除，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動(dòng)了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點(diǎn)的90%。因此，目前各國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片。從國際范圍來看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。粉末高溫合金也由第一代650℃發(fā)展到750℃、850℃粉末渦輪盤和雙性能粉末盤，用于先進(jìn)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。
我國高溫合金隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展研制和生產(chǎn)需求而發(fā)展。我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起步于20世紀(jì)70年代前，由于我國第一、二代發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，我國研制和發(fā)展了GH系列的變形高溫合金以及K 系列的鑄造高溫合金，同時(shí)發(fā)展了許多新的制造技術(shù)，如真空熔煉和鑄造、空心葉片鑄造、等溫鍛造等。
70年代后，在高溫合金的研制中，我國引進(jìn)了歐美技術(shù)，按國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制和生產(chǎn)，對材料的純潔度和綜合性能提出了更高要求，研制了高性能變形高溫合金、鑄造高溫合金。尤其是 DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的單晶合金的研究與發(fā)展，使我國高溫合金在生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制上了一個(gè)新臺(tái)階。
超高強(qiáng)度鋼作為起落架材料應(yīng)用在飛機(jī)上。第二代飛機(jī)采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強(qiáng)度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時(shí)。
第三代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)要起落架求壽命超過5000飛行小時(shí)，同時(shí)由于機(jī)載設(shè)備增多，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降，對起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求。美國和我國的第三代戰(zhàn)機(jī)均采用300M鋼（抗拉強(qiáng)度1950MPa）起落架制造技術(shù)。
應(yīng)該指出的是，材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高也在推動(dòng)起落架壽命的進(jìn)一步延長和適應(yīng)性的擴(kuò)大。如空客A380飛機(jī)起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護(hù)熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)，使得起落架壽命滿足設(shè)計(jì)要求。由此，新材料和制造技術(shù)的進(jìn)步確保了飛機(jī)的更新?lián)Q代。
飛機(jī)在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設(shè)計(jì)對材料提出了更高要求，AerMet100鋼較300M鋼而言，強(qiáng)度級別相當(dāng)，而耐一般腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術(shù)已應(yīng)用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進(jìn)飛機(jī)上。更高強(qiáng)度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。損傷容限超高強(qiáng)度鋼AF1410的裂紋擴(kuò)展速率極慢，用作B-1飛機(jī)機(jī)翼作動(dòng)筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄羅斯米格－1.42上高強(qiáng)度不銹鋼用量高達(dá)30%。PH13-8Mo是唯一的高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構(gòu)件。國內(nèi)探索超高強(qiáng)度不銹鋼取得初步效果。
國外還發(fā)展了超高強(qiáng)度齒輪（軸承）鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，并在發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)和宇航中試用。國內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強(qiáng)度軸承齒輪鋼。
高性能、高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，促進(jìn)了金屬間化合物的開發(fā)與應(yīng)用。如今金屬間化合物已經(jīng)發(fā)展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強(qiáng)度、導(dǎo)熱率，尤其是在高溫狀態(tài)下，還具有很好的抗氧化，搞腐蝕性和高的蠕變強(qiáng)度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補(bǔ)了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料之一。
目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，致力于研究開發(fā)的主要是以鈦鋁和鎳鋁等為重點(diǎn)的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。金屬間化合物原子間的結(jié)合力強(qiáng)，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)。目前經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，一種具有高溫強(qiáng)度和室溫塑性與韌性的新型合金已經(jīng)研制成功，并已裝機(jī)使用，效果很好。例如美國的高性能F119型發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗(yàn)證機(jī)F120型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。
說到陶瓷，人們很自然想到它的特點(diǎn)就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復(fù)合材料，也可能還會(huì)有些人不清楚，認(rèn)為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨(dú)到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)理想的極好材料。
目前世界各國針對下一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強(qiáng)陶瓷材料，并取得了較大進(jìn)展，有的已開始應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。例如美國驗(yàn)證機(jī)的F120型發(fā)動(dòng)機(jī)，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。
C/C基復(fù)合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復(fù)合材料是被認(rèn)為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度可達(dá)1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，是美國21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的耐高溫材料，世界先進(jìn)工業(yè)國家竭力追求的最高目標(biāo)。C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強(qiáng)碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強(qiáng)度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強(qiáng)度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強(qiáng)度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時(shí)依然還保持著室溫環(huán)境下的強(qiáng)度和風(fēng)度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途。
C/C基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應(yīng)用在新型發(fā)動(dòng)機(jī)上。例如美國的F119發(fā)動(dòng)機(jī)上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗(yàn)證機(jī)燃燒室的部分零件已采用C/C基復(fù)合材料制造。法國的M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)，幻影2000型發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復(fù)合材料。
樹脂基復(fù)合材料在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過60余年的發(fā)展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進(jìn)行樹脂基復(fù)合材料研發(fā)，取得了很大進(jìn)展，已經(jīng)將其工程化應(yīng)用到現(xiàn)役航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并且還有進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用量的趨勢。
樹脂基復(fù)合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端。樹脂基復(fù)合材料在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要應(yīng)用部位如圖所示。
發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與它的發(fā)展密切相關(guān)。與鈦合金風(fēng)扇葉片相比，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片具有非常明顯的減重優(yōu)勢。除具有明顯的減重優(yōu)勢之外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對風(fēng)扇機(jī)匣的沖擊較小，有利于提升風(fēng)扇機(jī)匣包容性。
目前，國外已進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動(dòng)機(jī)，為B787配套的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)。1995年，裝配樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)正式投入商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著樹脂基復(fù)合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上正式實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。在綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)研制了新的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對高損傷容限復(fù)合材料的強(qiáng)烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運(yùn)而生。
風(fēng)扇機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的靜止部件，它的減重將會(huì)直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與效率。因此，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)OEM也一直致力于風(fēng)扇機(jī)匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。如圖所示為國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣發(fā)展趨勢。
因?yàn)槭欠侵鞒辛?gòu)件，風(fēng)扇帽罩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最先使用的復(fù)合材料制造的部件之一，使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結(jié)構(gòu)、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。
目前，在R.R公司RB211發(fā)動(dòng)機(jī)、PW公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹脂基復(fù)合材料制備風(fēng)扇帽罩。
相比航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)，樹脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙具有更廣闊的應(yīng)用空間，如圖所示。根據(jù)資料，國外廠商已經(jīng)在短艙進(jìn)氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復(fù)合材料。
其他部位根據(jù)資料，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇流道板、軸承封嚴(yán)蓋、蓋板等部位也在不同程度的應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料。
和樹脂基復(fù)合材料相比，金屬基復(fù)合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有金屬纖維，如不銹鋼、鎢、被、妮、鎳鋁金屬間化合物等；陶瓷纖維，如氧化鋁、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化欽等。
金屬基復(fù)合材料的基體材料有鋁、鋁合金、鎂、欽及欽合金、耐熱合金、鉆合金等。其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復(fù)合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強(qiáng)欽合金基體復(fù)合材料可用來制造壓氣機(jī)葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂或鎂合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪風(fēng)扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強(qiáng)鎳基合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪及壓氣機(jī)用的密封元件。
其他如風(fēng)扇機(jī)匣、轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)盤等零件，國外都有采用金屬基復(fù)合材料制造的實(shí)例。但是這種復(fù)合材料存在的最大問題之一是增強(qiáng)纖維和基體金屬之間容易發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生脆性相，使材料性能變壞。尤其是在較高溫度下長時(shí)使用，界面的反應(yīng)更為突出。目前解決的辦法是根據(jù)不同纖維、不同基體，在纖維表面加適當(dāng)涂層，以及對基體金屬進(jìn)行合金化，以減緩界面的反應(yīng)，保持復(fù)合材料性能的可靠性。
來源：國際金屬在線、材料圈
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