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先進材料成就航空發動機高性能零部件

2016-02-04 13:09:16 作者：本網整理來源：

在航空發動機中廣泛使用更高的比強度、高溫性能、性價比等機械物理性能的CFRP/CMC/MMC 復合材料、γ-TiAl 金屬間化合物及新一代超級合金等材料制成關鍵零部件，從優化選材和強化技術兩個層面發展零部件先進制造技術是航空發動機熱端部件的研制與性能提升的重要發展趨勢。

航空渦輪發動機結構

1 、碳纖維增強環氧樹脂復合材料風扇

碳纖維增強環氧樹脂復合材料（CFRP）已廣泛應用在大涵道比渦扇發動機的風扇葉片上。如圖1 所示，GE90 系列的大型CFRP 風扇葉片約有1.2m 長，經過超聲切割技術精確加工的數百層碳纖維預浸料布，進行鋪設后進行熱壓制成。并采用鈦合金（后改為合金鋼提高強度）包邊增強的方式，重量也僅有22.7kg。此類經過氣動優化、大尺寸、少葉數的風扇已經顯示了突出優勢，既擴大了涵道比、增大了空氣流量，又減少了風扇系統的重量。新的碳纖維三維編織/ 樹脂傳遞模塑成形（RTM）制造工藝可以進一步提高風扇葉片的強度，這一技術將應用在新一代GEnx 及LEAP 發動機風扇葉片上。斯奈克瑪公司為LEAP 發動機CFRP 風扇葉片開發了碳纖維三維編織/RTM 制造工藝。

2、新型高溫合金零部件

國外第二代（如Rene N5、CMSX-4、PWA1484）、第三代（如Rene N6、CMSX-10）高壓渦輪葉片零部件用單晶超級合金的精密鑄造、涂層技術、加工工藝等已經比較穩定，近年推出的ATI718Plus 超級合金也在高溫零部件制造上具有更大的應用前景。ATI 718Plus 作為一種低成本合金材料，工作溫度較傳統的Inconel718 合金提升了55℃，強度、可制造性等與傳統Inconel718 相似。718Plus 合金制造的熱端零件能夠比Waspaloy 及其他類似高溫合金承受更高的強度，可成形性及可加工性、耐磨損性等也相對更好。羅爾斯· 羅伊斯公司已經開始在發動機上運用基于這種更佳性價比材料的轉子及靜子部件、緊固件等進行技術驗證。GE90 發動機上采用的導向葉片是用Rene N5 制造的，在約1500 ℃的渦輪進氣溫度（TET）通過了18000 個循環的耐久測試。各類高性能超級合金材料在GE 發動機熱端部件上的綜合運用，也將排氣溫度（EGT）提高了約20 ℃。能在長時間高溫度下工作，強度及微觀結構的穩定性都比較好的單晶高溫合金ReneN6、MX4都在進行深度工程驗證后也陸續投入到了發動機型號應用上。由于單晶合金制成的高壓渦輪葉片要長時間暴露于1300℃以上的高溫氣流之中，因此，還要在表面使用特制的低熱導率熱障涂層（TBCs）。

新型高溫合金零部件

3、陶瓷基高溫復合材料零部件

陶瓷基高溫復合材料（CMC）的強度、剛度、高溫性能等都非常好，材料密度較低，在發動機熱端零部件上具有極大的研究和應用前景。熔滲法制備的碳化硅連續纖維增強陶瓷基復合材料（Melt Infiltrated SiC/SiC CFCC）制成的零部件具有較好的熱導率、抗熱沖擊、抗蠕變性等，在高溫環境下對冷卻空氣的需求（比高溫合金材料）更小，未來有極高應用潛力。由于SiC 陶瓷材料在1200℃的高溫空氣（含水蒸氣等）下會發生氧化，因此，利用一種等離子噴涂環境阻障涂層（EBC）（包括125μm 厚的Si 粘結層、125μm 富鋁紅柱石中間層和125μm 厚的BSAS 表面層）。GE公司在GEnx 發動機的驗證試驗中測試了包括這些碳化硅連續纖維增強陶瓷基復合材料零件在內外火焰筒、第一級高壓渦輪罩殼、第一級導向葉片、第二級導向葉片等零件的高溫實驗中展現了極高的抗氧化性。GE、羅爾斯·羅伊斯公司聯合開展的F136 發動機項目上進行的技術試驗也表明，SiC 顆粒增強復合材料制作的低壓渦輪葉片比以前的鎳基合金葉片大幅減重，同時耐高溫性好減少了對冷卻氣體的使用，有望顯著改善發動機的推力和使用效率。GE 公司在渦輪導向葉環上安裝了高溫合金蜂窩結構，高溫合金材料的蜂窩結構的使用也有望進一步提高渦輪的結構工藝性、降低重量并提高冷卻效率。

4、金屬基/ 陶瓷基復合材料風扇

金屬基/ 陶瓷基復合材料（MMC/CMC）材料比CFRP 具有更好的強度、剛度以及高溫性能，因此，在發動機上風扇等多種類型的零件都有較好的應用前景。羅爾斯· 羅伊斯公司計劃在未來一代大型發動機上替換SPF/DB 鈦合金風扇葉片。并預期如果未來將風扇及機匣都替換為此類C/Ti 復合材料，將有望使發動機減重700kg。

MMC/CMC發動機

5、高性能鈦合金壓氣部件

鈦合金材料在航空發動機中有極其廣泛的應用，特別是用以生產壓氣機等冷端零部件或結構件。其中，中等強度高損傷容限型鈦合金Ti-6Al-4V 因在耐熱、強韌、耐腐蝕、抗疲勞及可加工性方面具有較好的綜合性能而占據主體地位。采用新一代超細晶粒硬質合金刀具、無粘結劑微晶粒立方氮化硼（CBN）刀具能夠顯著提高鈦合金的切削效率，改善鈦合金表面氧化、燒傷及不合理的殘余應力等影響表面完整性的不良因素。

6、表面強化鈦合金整體葉盤

利用表面強化工藝能極大地增強鈦合金整體葉盤抗疲勞、微動磨損及應力腐蝕的能力。羅爾斯·羅伊斯公司發展的激光沖擊噴丸（LSP）強化技術，通過釹玻璃激光器產生1000MW 峰值功率及百萬磅/ 平方英尺的壓力波，能在鈦合金葉片表面形成1.0 mm 深的壓應力層，大幅度提升葉片的工作性能。

7、新型伽馬鈦合金零部件

新型伽馬鈦合金（γ-TiAl）是一種極其復雜的金屬間化合物，在耐高溫、結構強度、抗腐蝕性以及阻燃（抗鈦火）性能上有很好的表現，高溫工作性能與Inconel718 鎳基合金接近，但密度只有其一半。因此，γ-TiAl 合金零部件近年來已經成為航空發動機研制中的熱點之一，逐步在熱端零部件上得到應用，例如GE 公司在GEnx-1B 發動機上已經采用γ-TiAl 合金（Ti-48-2-2）制造低壓渦輪的最后兩級葉片。不過，γ-TiAl 合金的金屬延展性、損傷容限都比較低，脆性也大，傳熱性能低也比較黏，可成型性（如鑄造等）及可加工性都較差，尋求在γ-TiAl 的機械加工過程中提高疲勞性能和抗應力腐蝕性能的方法成為人們研究的熱點。

責任編輯：周婭

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