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盤點各種先進材料在發動機上的應用

2017-03-21 18:07:21 作者：本網整理來源：網絡分享至：

　　渦軸發動機熱力循環原理和大型渦輪發動機基本相同，其設計要求主要有高功重比、低耗油率、長壽命、高可靠性和低全生命周期成本。與大型航空發動機相比，渦軸發動機具有“尺寸效應”突出、結構緊湊、轉速高、使用條件惡劣等特點。

　　羅羅公司渦軸發動機渦輪葉片材料的發展。

　　渦軸發動機已發展至第四代，同時也在積極研發第五代渦軸發動機。據相關權威機構預測，在未來提高航空發動機性能的因素中，材料與制造技術的貢獻率將達到50%～70%。

　　壓氣機材料

　　鈦合金由于具有比強度和比剛度高、耐腐蝕性能優異的特點，已被廣泛用于渦軸發動機壓氣機盤、葉片、葉盤及機匣等零件的制造，其中TC4（Ti-6Al-4V）的應用最為成熟，而Ti-6242S具有強度、蠕變、韌性和熱穩定性的最好結合，為第三代、第四代渦軸發動機離心葉輪優先選用。渦軸發動機用鈦合金正在向中溫高強度和高溫（約600℃）方向發展，Ti-6246、IMI834的應用前景良好。

　　鈦合金高溫氧化性能不好，在一定的壓力、溫度和流量條件下存在鈦火的隱患，因此強度高、密度低、阻燃性能好、使用溫度達600～800℃的鈦鋁合金及其復合材料受到了重視，可以代替不銹鋼、高溫合金或鈦合金。針對未來渦軸發動機的需要，在相關的研究計劃中正在開展鈦鋁合金及其復合材料的應用研究。

　　目前，鋁合金也是渦軸發動機的主要材料之一，ZL105A（C355）、ZL114A（A357）被用于精密鑄造且工作溫度不超過200℃的粒子分離器、進氣機匣和附件機匣等復雜薄壁結構件。而密度更低、承溫能力更高的樹脂基復合材料則是高功重比渦軸發動機中替代鋁合金的理想材料。

　　燃燒室材料

　　渦軸發動機一般采用環形回流燃燒室，其火焰筒需冷卻的壁面積較大，由于冷卻空氣受限，故高溫火焰筒的壁溫相對較高（約900℃）。火焰筒在高溫、燃氣腐蝕、冷熱交變和振動等惡劣條件下工作，要求材料具有優良的抗氧化性和耐疲勞性能、好的蠕變強度和工藝性。目前渦軸發動機火焰筒均選用固溶強化的鎳基或鈷基高溫合金。GH3536（Hastelloy-X）在航空發動機上應用較廣、成本較低，可優先用于最高壁溫不超過950℃的火焰筒。GH3230（Haynes230）具有優良的綜合性能，是最高壁溫在1000～1050℃的火焰筒的理想材料。

　　對于高功重比（超過12）渦軸發動機，考慮到壁溫的升高超過了金屬材料的承受能力，同時也為了減重，業界在20世紀90年代開始發展陶瓷基復合材料火焰筒，美國已在JTAGG第三階段核心機上進行了驗證試驗，日本也開展了無冷卻陶瓷基復合材料回流火焰筒的試驗研究。研究結果表明，陶瓷基復合材料火焰筒在未來高功重比渦軸發動機上有極大的應用潛力。

　　渦輪葉片材料

　　渦軸發動機工作時，渦輪葉片的工況最為苛刻，直接暴露于上千攝氏度的高壓、高速燃氣流中，同時承受高溫、復雜應力、熱疲勞、燃氣腐蝕等因素的綜合作用。而且渦軸發動機渦輪葉片的尺寸小、結構復雜（有些含冷卻氣路）、形式多樣（多聯、整體）。因此，承溫能力（熔點）、密度、中高溫蠕變性能、熱疲勞性能、抗氧化耐腐蝕性能、長時組織穩定性及工藝性能等是評價渦輪葉片材料的主要依據。

　　經過半個多世紀的技術發展及應用，當前鑄造高溫合金已占據了渦軸發動機渦輪葉片材料的主導地位。隨著渦軸發動機性能的不斷提高，渦輪葉片材料也相應地從等軸晶合金發展到定向柱晶合金和單晶合金。

　　完全消除晶界的單晶合金具有很高的承溫能力（1100～1200℃），多應用于燃氣渦輪的導向葉片和工作葉片。只存在縱向晶界（基本消除了垂直于主應力方向晶界）的定向柱晶合金的綜合性能較好，二代定向柱晶合金的高溫蠕變強度與一代單晶相當，且帶復雜冷卻結構的空心渦輪工作葉片的鑄造合格率更高。雖然等軸晶合金的高溫性能存在不足，但其鑄造工藝性好、成本低，故在航空發動機的整體渦輪導向器、動力渦輪工作葉片上仍得到廣泛應用。T700系列渦軸發動機的燃氣渦輪葉片材料由采用等軸晶合金、定向合金，發展到采用單晶合金。

　　目前，渦軸發動機渦輪葉片材料的發展重點是低密度高性能單晶合金，主要是8.0g/cm3左右的一代單晶，8.3g/cm3左右、含錸3%的二代單晶以及密度小于8.8g/cm3的四代單晶（含錸6%、釕3%）。第三代單晶合金含錸6%，密度較大（9.0g/cm3）。對于定向柱晶合金和等軸晶合金，則注重性能的改進、提高及降低成本。為了滿足未來先進渦軸發動機的需求，需要重點研究鈮基合金、單體陶瓷、陶瓷基復合材料等超高溫材料。

　　渦輪盤材料

　　渦輪盤屬于渦軸發動機的限壽件，工作在高溫、高轉速的復雜高負荷條件下，為了滿足強度、壽命及可靠性需要，渦輪盤材料既要追求高的拉伸屈服強度，又要具有良好的蠕變抗力，同時還要充分考慮斷裂韌度和疲勞裂紋擴展速率，而要在這幾方面達到平衡難度比較大。渦輪盤制備有鑄鍛工藝和粉末冶金（P/M）工藝兩種技術途徑。變形工藝技術成熟、成本低，P/M工藝則用于高合金化、鑄錠偏析嚴重、壓力加工成型困難的高溫、高強材料。

　　渦輪盤用合金的強度越來越高，P/M工藝應用越來越廣泛。實際上，渦輪盤用合金的承溫能力從650℃（第一代粉末高溫合金）提高到了750℃（第二代粉末高溫合金），正向815℃（第三代粉末高溫合金）方向發展。渦輪盤材料的發展方向是高溫、高強及損傷容限，三代粉末高溫合金在高功重比渦軸發動機上的應用前景是制造帶單晶葉片的整體渦輪葉盤。

　　俄羅斯一般采用變形工藝制造的Эп742、ЭК79、ЭК152渦輪盤；目前，歐美渦軸發動機渦輪盤選用的主要材料牌號是In718（GH4169）、Rene95（FGH95）、U720Li。In718（GH4169）的最高工作溫度為650℃，一般采用高強度變形工藝制備，在動力渦輪盤上應用較多；Rene95（FGH95）為粉末高溫合金，是650℃下強度最高的高溫合金，用在T700系列發動上；U720Li的鈦鋁合金含量高達7.5%，強度水平與Rene95相當，最高工作溫度可達750℃，且具有較好的損傷容限性能。對于小尺寸盤件可采用變形工藝，P/M工藝則可獲得更好的性能，是先進渦軸發動機渦輪盤的理想材料。

　　涂層

　　涂層可以顯著影響渦軸發動機的性能、使用壽命及可靠性，鈦合金葉片抗沖蝕涂層、氣冷單晶葉片熱障涂層（TBC）、高性能可磨耗封嚴涂層是必須重點關注的方向。

　　使用經驗表明，抗沖蝕涂層能夠有效地提高耐磨性差的鈦合金葉片抵抗沙塵及外物損傷的能力，擴展直升機的使用地域范圍。TBC是第四代渦軸發動機的必備技術，已應用于T800、MTR390發動機中。減少葉尖與機匣或外環間隙的氣路封嚴技術已成為提高渦軸發動機性能的重要手段，可磨耗封嚴涂層因為封嚴效果好而得到廣泛應用，如用于壓氣機的鋁硅-氮化硼（AlSi-BN）封嚴涂層、用于燃氣渦輪外環的多層隔熱封嚴涂層。渦軸發動機涂層主要采用熱噴涂工藝和氣相沉積等工藝制備。此外，先進的易磨減震材料、高溫密封材料等非金屬材料也是渦軸發動機不可或缺的。

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責任編輯：邢云輝

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