航空技術發展在很大程度上依賴于材料進步,"一代材料、一代裝備"是材料推動航空技術進步的真實寫照.,戰斗機發動機先進材料研究包括樹脂基復合材料、鈦基復合材料、鈦鋁金屬間化合物、單晶高溫合金、粉末高溫合金、陶瓷基復合材料、陶瓷熱障涂層等材料及其工藝.目前,戰斗機發動機材料正在向著密度更小,耐溫能力、強度和耐腐蝕性更高、費用更低、壽命更長、結構設計和材料工藝一體化等方向發展.

戰斗機

    一、第3 代戰斗機發動機

第3代戰斗機

    第3 代戰斗機發動機將第2 代戰斗機發動機的推重比5. 0 ~ 6. 0 提高到7. 0 ~ 8. 0、渦輪進口溫度由1400 ~ 1550K 提高到1600 ~ 1750K.為了滿足這些挑戰,質量輕的樹脂基復合材料開始使用、鈦合金用量加大,耐更高溫度的高溫合金的用量也有所提升.

    第3 代戰斗機發動機典型部件用材情況如下:

    風扇以鈦合金為主,為減輕外涵機匣質量,外涵機匣采用了樹脂基復合材料.RB199,AL31F,F100 發動機的風扇為全鈦結構,其中F100 發動機的轉子葉片選用Ti-6-6-2,盤選用Ti-8-1-1,軸選用Ti-6-4; AL31F 發動機的轉子葉片選用亂3-1 鈦合金和亂20 鈦合金,盤選用亂9 鈦合金.F110-GE-132,F404,F414 發動機外涵機匣采用了樹脂基復合材料.

    壓氣機以鈦合金和高溫合金為主.壓氣機的前部葉片、盤和機匣多數選用鈦合金,后部選用鋼、鎳鉻高溫合金或鎳基高溫合金.如: F100 發動機1 ~ 3 級盤為鈦合金,4級選用PW1016,5,7,9級為高溫合金,6,8, 10 級為In100 粉末高溫合金;轉子葉片1 ~ 4 級為鈦合金,5~ 10 級為高溫合金.又如F110 發動機的前3 級為鈦合金,后6 級選用高溫合金.F414 發動機的前2 級轉子選用Ti17,后5 級選用In718.

    燃燒室以鎳基或鈷基高溫合金為主.AL31F 發動機機匣選用菹708 高溫合金,火焰筒選用菹648鎳基( 高鉻含量) 高溫合金.F100 發動機選用Haynes 188 鈷基高溫合金,F110,F404 和F414 發動機則選用Hastelloy X 鎳基高溫合金.

    渦輪葉片最初主要選用空向凝固鎳基高溫合金加熱障涂層,后來更多選用單晶高溫合金加熱障涂層; 盤最初主要選用鎳基高溫合金[4 ~ 6],后來更多選用粉末高溫合金.如: AL31F 發動機高壓渦輪工作葉片和導向葉片選用蒲6? 鎳基高溫合金,渦輪盤選用菹742 鎳基高溫合金或粉末高溫合金,機匣選用菹708.F100-PW-220 和F100-PW-229 發動機渦輪轉子葉片選用PW1480 或PW1484 單晶高溫合金表層沉積熱障涂層,盤選用In100 粉末高溫合金.

    F110 發動機高壓渦輪轉子葉片選用ReneN5 單晶合金表層沉積熱障涂層,低壓渦輪第1 級轉子葉片選用Rene125,盤選用Rene95 或Rene88DT 粉末高溫合金; 第2 級轉子葉片選用Rene80,盤選用In718.

    加力燃燒室多選擇用高溫合金.AL31F,F100,F414 分別選用菹199 高溫合金、帶陶瓷涂層的Haynes 188 和Hastelloy X 高溫合金.

    噴管外殼選用鈦合金,其余選用鎳基高溫合金.

    二、 第4 代戰斗機發動機

    第4 代戰斗機發動機推重比提高到9. 0 ~ 10. 0、渦輪進口溫度提高到1800 ~ 1950K.為了滿足這些極具挑戰的要求,鈦合金用量更高,樹脂基復合材料開始大量使用,新型阻燃鈦合金、單晶鎳基合金和更耐高溫的陶瓷基復合材料應用到發動機部件上,獨特的冷卻技術( 如: Lamilloy 結構、超級冷卻和鑄冷等) 也應用在發動機上.

    第4 代戰斗機發動機典型部件的用材情況如下:

    外涵機匣均為樹脂基復合材料.F119 發動機選用PMR-15 基復合材料.風扇多為全鈦結構,F119 和F135 都采用實心結構,而F136 發動機第1級風扇轉子葉片選用空心結構; 最為特殊的F135 發動機第1 級空心靜子葉片采用樹脂基復合材料.

    高壓壓氣機轉子前幾級采用鈦合金,后幾級采用高溫合金; 靜子葉片選用高強度阻燃鈦合金或高強度鎳基高溫合金,F119 發動機采用高強度阻燃鈦合金Alloy C,F135 和F136 發動機的前部采用鈦合金,后部分別采用高溫合金.F135 發動機的3 號軸承可能選用氮化硅摻雜陶瓷材料.

    燃燒室火焰筒主要為鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱障涂層,F119 發動機和F135 發動機采用了浮動壁結構,而F136 發動機采用了Lamilloy 結構.

    渦輪轉子葉片采用第2 代單晶鎳基高溫合金并沉積熱障涂層; 靜子葉片采用第2 代單晶合金或陶瓷,如F135 發動機120 個導向器葉片選用陶瓷,F136 發動機選用Lamilloy 結構的單晶鎳基合金; 盤選用粉末合金或鎳基高溫合金,如F119 發動機采用雙重熱處理的粉末高溫合金; 隔熱支撐環選用低熱膨脹合金.

    加力燃燒室隔熱屏選用鎳基高溫合金,筒體采用鈦合金或高強度阻燃鈦合金Alloy C.噴管主調節片選用高溫合金; 外調節片為SPECARBINOXA262 碳纖維增強的陶瓷基復合材料.

    三、 第5 代戰斗機發動機

    第5 代戰斗機發動機風扇和壓氣機葉片、支板、進氣機匣、外涵機匣等低溫部件更多地選用樹脂( 如PMR15、AFR700B 等) 基復合材料.低壓軸、葉片、整體葉環、殼體結構等中溫部件將更多地選用耐溫816 ~ 982℃的鈦鋁金屬間化合物和連續纖維增強的金屬基復合材料.

    燃燒室火焰筒將更多地選用Lamilloy 結構的高溫合金、耐溫1482℃陶瓷基復合材料和熱障涂層; 擴壓器將更多地選用鈦鋁金屬間化合物;

    外機匣將更多地選用金屬基復合材料.渦輪葉片將更多地選用鎳基單晶高溫合金的超冷、鑄冷結構、耐溫1538 ~ 1649℃纖維增強的陶瓷基復合材料、高溫鉬基和鈮基合金、耐溫1093 ~ 1371℃ 金屬間化合物、耐溫1149℃熱障涂層;

    渦輪盤將更多地采用耐高溫的粉末合金和纖維增強的陶瓷基復合材料.

    加力燃燒室襯套將更多地選用耐1204℃陶瓷、金屬基復合材料、耐溫1538℃ 碳/碳復合材料.

    噴管將更多地選用樹脂基復合材料、耐溫1093℃金屬間化合物、耐溫1371℃無冷卻的非金屬材料、陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料.

    四、發展趨勢

    戰斗機發動機先進材料向密度更低、強度更高、耐溫能力更好、材料/工藝/設計全面一體化的方向發展,并促進發動機研制向推重比更高、機動性更好、可靠性更高、壽命更長等方向發展.

1、戰斗機發動機用材正在向低密度與高強度方向發展.

    目前,樹脂基復合材料( PMC) 、金屬( 特別是鈦合金) 基復合材料( MMC)和鈦鋁金屬間化合物逐漸替代鋼、鈦合金和鎳基合金用于制造風扇/包容機匣、風扇轉子/靜子葉片、發動機短艙和反推力裝置等低溫部件; 樹脂基復合材料、金屬( 鈦、鎳) 基復合材料和鈦鋁/鎳鋁金屬間化合物將替代鈦合金和鎳基高溫合金用于壓氣機轉子葉片、壓氣機整體葉環、發動機低壓軸、壓氣機靜子葉片、機匣、排氣噴管作動筒與調節片的連桿等中溫部件; 新一代高溫合金、鎳鋁金屬間化合物、先進熱障涂層和陶瓷基復合材料( CMC)逐步替代鎳基高溫合金用于燃燒室、渦輪、加力燃燒室與噴管等高溫部件.這將使戰斗機發動機的推重比明顯增大.

    鈦基復合材料在壓氣機靜子/轉子葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、尾部結構和作動桿等零部件上的應用研究已經取得重大進展,并已經在F414 增推型、F100 改進型、聯合渦輪先進燃氣發生器( JTAGG) 驗證機上進行了試驗驗證.

    2、耐溫能力增強

    提高溫度是增大戰斗機發動機推重比非常重要的措施,而其最直接且有效的途徑就是采用耐更高溫度的材料、熱障涂層和散熱性好的結構.

    戰斗機發動機用材呈現2 個發展趨勢: ( 1) 現有材料向更耐高溫度發展; ( 2) 更耐高溫度的新材料取代現有材料.

    渦輪葉片用單晶高溫合金[13,14]已經從20 世紀80 年代初PW 公司成功研制的第1 代單晶高溫合金-PW1480 發展到第5 代,平均換代時間為5 年左右; 每代耐溫能力提高接近30℃( 每年提高大約6℃) ,每代的蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性等都得到了不同程度的提高.

    渦輪盤用粉末合金,已由1972 年PW 公司成功開發的第1 代鎳基粉末高溫合金-IN100 發展到第3 代( Alloy 10,ME3,LSHR,NR3 ) ,耐溫能力由650℃提高到750℃以上; 抗拉強度比第2 代高,比第1 代略低; 但裂紋擴展速率較第2 代更低.

    高溫部件的熱障涂層于20 世紀50 年代成功地應用于戰斗機發動機燃燒室上.20 世紀80年代初,等離子噴涂熱障涂層PWA264 成功地應用在JT9D 戰斗機發動機渦輪葉片上; 20 世紀80 年代中后期以來,已經廣泛地應用在戰斗機發動機高溫部件上.目前,已經發展了隔熱效果達到167℃ 的第4 代陶瓷熱障涂層與環境障涂層,更高效的第5代納米熱障涂層也正在研制.

    陶瓷基復合材料具有低密度、耐高溫、耐腐蝕和耐燒蝕等優點,是戰斗機發動機燃燒室/加力燃燒室火焰筒、渦輪轉子/靜子葉片、加力燃燒室火焰穩定器、排氣噴管調節片等部件的極好候選材料.目前,GEAE、SNECMA、PW、RR 等公司集中研究具有二維或三維纖維增強的陶瓷基復合材料,如金屬纖維增強的陶瓷基復合材料、碳纖維增強的陶瓷基復合材料和陶瓷纖維或晶須增強的陶瓷基復合材料,其中SNECMA 公司已將其應用于M53 和M88 發動機上.

    耐溫1370℃的陶瓷基復合材料,正在中等載荷發動機零件上試驗驗證; 近期耐溫1480℃的陶瓷基復合材料將在美國NASA 開發和驗證; 遠期耐溫1650℃的陶瓷基復合材料將由美國NASA 開發和驗證.

    碳/碳復合材料具有質量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕等優異性能,是世界戰斗機發動機先進國家為未來戰斗機發動機熱端部件研究和發展的新型高溫結構材料.美國已經將碳/碳復合材料應用于F100 發動機的加力燃燒室噴嘴,還計劃將其應用于F119 發動機的排氣噴管; 法國已經將它應用于M53 發動機加力燃燒室的噴油桿、隔熱屏和調節片.目前,人們正在研究和解決其高溫抗氧化性能差的問題.

    3 、材料、工藝與結構設計一體化

    材料、工藝和設計研究人員針對特定部件,共同選擇和確定材料與工藝,甚至進行材料選擇、工藝設計與結構設計,使部件達到整體優化.

    PW 公司采用雙重熱處理工藝( DTP) 制造了Inl00雙性能粉末盤,并成功地應用到F119 發動機的高壓/低壓渦輪上.該盤輪緣部分的損傷容限能力提高,適應了榫槽可能出現的微裂紋; 輪轂部分的強度提高,滿足了高強度和低循環疲勞的要求.在IHPTET 研究計劃下,PW 公司將AF2-1DA 粉末合金進行熱等靜壓、擠壓制坯和超塑性鍛造,制成盤件,再進行真空定向熱處理; 采取控制溫度梯度的方法,在輪緣和輪轂部分獲得不同的晶粒度和性能.

責任編輯：周婭

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