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渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)材料

2016-04-12 14:20:36 作者：本網(wǎng)整理來源：

　　渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)原理和大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)基本相同，其設(shè)計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)具有“尺寸效應(yīng)”突出、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高、使用條件惡劣等特點(diǎn)。

　　羅羅公司渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的發(fā)展。

　　渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已發(fā)展至第四代，同時(shí)也在積極研發(fā)第五代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。據(jù)相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，在未來提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的因素中，材料與制造技術(shù)的貢獻(xiàn)率將達(dá)到50%～70%。

　　壓氣機(jī)材料

　　鈦合金由于具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕性能優(yōu)異的特點(diǎn)，已被廣泛用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片、葉盤及機(jī)匣等零件的制造，其中TC4（Ti-6Al-4V）的應(yīng)用最為成熟，而Ti-6242S具有強(qiáng)度、蠕變、韌性和熱穩(wěn)定性的最好結(jié)合，為第三代、第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪優(yōu)先選用。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金正在向中溫高強(qiáng)度和高溫（約600℃）方向發(fā)展，Ti-6246、IMI834的應(yīng)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(qiáng)度高、密度低、阻燃性能好、使用溫度達(dá)600～800℃的鈦鋁合金及其復(fù)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(fā)動(dòng)機(jī)的需要，在相關(guān)的研究計(jì)劃中正在開展鈦鋁合金及其復(fù)合材料的應(yīng)用研究。

　　目前，鋁合金也是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣機(jī)匣和附件機(jī)匣等復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件。而密度更低、承溫能力更高的樹脂基復(fù)合材料則是高功重比渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中替代鋁合金的理想材料。

　　燃燒室材料

　　渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用環(huán)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?xì)飧g、冷熱交變和振動(dòng)等惡劣條件下工作，要求材料具有優(yōu)良的抗氧化性和耐疲勞性能、好的蠕變強(qiáng)度和工藝性。目前渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒均選用固溶強(qiáng)化的鎳基或鈷基高溫合金。GH3536（Hastelloy-X）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較廣、成本較低，可優(yōu)先用于最高壁溫不超過950℃的火焰筒。GH3230（Haynes230）具有優(yōu)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(fā)動(dòng)機(jī)，考慮到壁溫的升高超過了金屬材料的承受能力，同時(shí)也為了減重，業(yè)界在20世紀(jì)90年代開始發(fā)展陶瓷基復(fù)合材料火焰筒，美國已在JTAGG第三階段核心機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，日本也開展了無冷卻陶瓷基復(fù)合材料回流火焰筒的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，陶瓷基復(fù)合材料火焰筒在未來高功重比渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上有極大的應(yīng)用潛力。

　　渦輪葉片材料

　　渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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?xì)饬髦校瑫r(shí)承受高溫、復(fù)雜應(yīng)力、熱疲勞、燃?xì)飧g等因素的綜合作用。而且渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜（有些含冷卻氣路）、形式多樣（多聯(lián)、整體）。因此，承溫能力（熔點(diǎn)）、密度、中高溫蠕變性能、熱疲勞性能、抗氧化耐腐蝕性能、長時(shí)組織穩(wěn)定性及工藝性能等是評價(jià)渦輪葉片材料的主要依據(jù)。

　　經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用，當(dāng)前鑄造高溫合金已占據(jù)了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的主導(dǎo)地位。隨著渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，渦輪葉片材料也相應(yīng)地從等軸晶合金發(fā)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(yīng)用于燃?xì)鉁u輪的導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)度與一代單晶相當(dāng)，且?guī)?fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)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(fā)動(dòng)機(jī)的整體渦輪導(dǎo)向器、動(dòng)力渦輪工作葉片上仍得到廣泛應(yīng)用。T700系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪葉片材料由采用等軸晶合金、定向合金，發(fā)展到采用單晶合金。

　　目前，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的發(fā)展重點(diǎn)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(jìn)、提高及降低成本。為了滿足未來先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，需要重點(diǎn)研究鈮基合金、單體陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料等超高溫材料。

　　渦輪盤材料

　　渦輪盤屬于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的限壽件，工作在高溫、高轉(zhuǎn)速的復(fù)雜高負(fù)荷條件下，為了滿足強(qiáng)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(qiáng)度，又要具有良好的蠕變抗力，同時(shí)還要充分考慮斷裂韌度和疲勞裂紋擴(kuò)展速率，而要在這幾方面達(dá)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(shù)途徑。變形工藝技術(shù)成熟、成本低，P/M工藝則用于高合金化、鑄錠偏析嚴(yán)重、壓力加工成型困難的高溫、高強(qiáng)材料。

　　渦輪盤用合金的強(qiáng)度越來越高，P/M工藝應(yīng)用越來越廣泛。實(shí)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(fā)展。渦輪盤材料的發(fā)展方向是高溫、高強(qiáng)及損傷容限，三代粉末高溫合金在高功重比渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)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(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤選用的主要材料牌號(hào)是In718（GH4169）、Rene95（FGH95）、U720Li。In718（GH4169）的最高工作溫度為650℃，一般采用高強(qiáng)度變形工藝制備，在動(dòng)力渦輪盤上應(yīng)用較多；Rene95（FGH95）為粉末高溫合金，是650℃下強(qiáng)度最高的高溫合金，用在T700系列發(fā)動(dòng)上；U720Li的鈦鋁合金含量高達(dá)7.5%，強(qiáng)度水平與Rene95相當(dāng)，最高工作溫度可達(dá)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(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的理想材料。

　　涂層

　　涂層可以顯著影響渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)涂層是必須重點(diǎn)關(guān)注的方向。

　　使用經(jīng)驗(yàn)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(kuò)展直升機(jī)的使用地域范圍。TBC是第四代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的必備技術(shù)，已應(yīng)用于T800、MTR390發(fā)動(dòng)機(jī)中。減少葉尖與機(jī)匣或外環(huán)間隙的氣路封嚴(yán)技術(shù)已成為提高渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段，可磨耗封嚴(yán)涂層因?yàn)榉鈬?yán)效果好而得到廣泛應(yīng)用，如用于壓氣機(jī)的鋁硅-氮化硼（AlSi-BN）封嚴(yán)涂層、用于燃?xì)鉁u輪外環(huán)的多層隔熱封嚴(yán)涂層。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)的易磨減震材料、高溫密封材料等非金屬材料也是渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)不可或缺的。

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