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世界上最先进的航空发动机用的新材料是它们...

2016-04-28 10:22:43
作者:本网整理
来源:网络

航空制造是制造业中高新技术最集中的领域,属于先进制造技术。美国惠普公司研制的F119发动机,通用电气公司的F120发动机,法国的SNECMA公司的M88-2发动机,英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。这些代表世界先进水平的高性能航空发动机,它们的共同特点是普遍采用了新材料、新工艺和新技术。今天就跟小编来看看那些高性能航空发动机上的新材料。

    航空制造是制造业中高新技术最集中的领域,属于先进制造技术。美国惠普公司研制的F119发动机,通用电气公司的F120发动机,法国的SNECMA公司的M88-2发动机,英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。这些代表世界先进水平的高性能航空发动机,它们的共同特点是普遍采用了新材料、新工艺和新技术。今天就跟小编来看看那些高性能航空发动机上的新材料。

    高温合金


    高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的,至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前,在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例已高达50%以上。


    高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关,尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求,早期英国研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金,用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料,同时,又相继发展了 Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金,如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。


    在高温合金发展过程中,制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现,合金中有害杂质和气体的去除,特别是合金成分的精确控制,使高温合金性能不断提高。随后,定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功,推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出,采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金,其使用温度接近初熔点的90%。因此,目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看,镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘,用于先进高性能发动机。

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    我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前,由于我国第一、二代发动机的需求,我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K 系列的铸造高温合金,同时发展了许多新的制造技术,如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。


    70年代后,在高温合金的研制中,我国引进了欧美技术,按国外的技术标准进行研制和生产,对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求,研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是 DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展,使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。


  
  超高强度钢


    超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢,抗拉强度为1700MPa,这种起落架的寿命较短,约2000飞行小时。


    第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时,同时由于机载设备增多,飞机结构重量系数下降,对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢(抗拉强度1950MPa)起落架制造技术。


    应该指出的是,材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术,使得起落架寿命满足设计要求。由此,新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。


    飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求,AerMet100钢较300M钢而言,强度级别相当,而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢,与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低,正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢,用作B-1飞机机翼作动筒接头,比Ti-6Al-4V减重10.6%,加工性能提高60%,成本降低 30.3%。俄罗斯米格-1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢,广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。


    国外还发展了超高强度齿轮(轴承)钢,如CSS-42L、GearmetC69等,并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后,北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。


   
金属间化合物


    高性能、高推重比航空发动机的研制,促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族,它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力,它具有高的使用温度以及比强度、导热率,尤其是在高温状态下,还具有很好的抗氧化,搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料,它填补了这两种材料之间的空档,因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

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    目前在航空发动机结构中,致力于研究开发的主要是以钛铝和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同,但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。 金属间化合物原子间的结合力强,晶体结构复杂,造成了它的变形困难,在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究,一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功,并已装机使用,效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物,验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。


   
陶瓷基复合材料


    说到陶瓷,人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前,如果把它用于工程领域的承力件,是任何人都不可能接受的,直到现在说到陶瓷复合材料,也可能还会有些人不清楚,认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料,但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后,才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化,这就是陶瓷基复合材料。


    陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料,特别是在航空发动机制造应用中,越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻,硬度高的优点以外,还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料,并具有很好的力学性能和化学稳定性,是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

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    目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求,正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料,并取得了较大进展,有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机,它的高压涡轮密封装置,燃烧室的部分高温零件,均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。


  
  碳/碳复合材料


    C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止,只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上,发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料,是美国21世纪重点发展的耐高温材料,世界先进工业国家竭力追求的最高目标。 C/C基复合材料,即碳纤维增强碳基本复合材料,它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体,使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度,优越的热稳定性和极好的热传导性,是当今最理想的耐高温材料,特别是在 1000-1300℃的高温环境下,它的强度不仅没有下降,反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

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    C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差,近几年美国通过采取一系列的工艺措施,使这一问题不断得到解决,逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管,F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管,F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机,幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。


   
树脂基复合材料


    树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代,经过60余年的发展,GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力进行树脂基复合材料研发,取得了很大进展,已经将其工程化应用到现役航空涡扇发动机,并且还有进一步扩大应用量的趋势。

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    树脂基复合材料的服役温度一般不超过350℃。因此,树脂基复合材料主要应用于航空发动机的冷端。树脂基复合材料在国外先进航空发动机上的主要应用部位如图所示。


    风扇叶片


    发动机风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件,涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。与钛合金风扇叶片相比,树脂基复合材料风扇叶片具有非常明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外,树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小,有利于提升风扇机匣包容性。


    目前,国外已进行商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有为B777配套的GE90系列发动机,为B787配套的GEnx发动机,还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。1995年,装配树脂基复合材料风扇叶片的GE90-94B发动机正式投入商业运营,标志着树脂基复合材料在现代高性能航空发动机上正式实现工程化应用。在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上,GE公司又为后续的GE90-115B发动机研制了新的复合材料风扇叶片。


    进入21世纪,航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进一步发展,而通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的方法已经很难满足高损伤容限的要求。在此背景下,3D编织结构复合材料风扇叶片应运而生。


    风扇机匣


    风扇机匣是航空发动机最大的静止部件,它的减重将会直接影响航空发动机的推重比与效率。因此,国外先进航空发动机OEM也一直致力于风扇机匣的减重与结构优化工作。如图所示为国外先进航空发动机风扇机匣发展趋势。

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    风扇帽罩


    因为是非主承力构件,风扇帽罩是航空发动机上最先使用的复合材料制造的部件之一,使用复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。


    目前,在R.R公司RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000已经采用树脂基复合材料制备风扇帽罩。

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    相比航空发动机主机,树脂基复合材料在航空发动机短舱具有更广阔的应用空间,如图所示。根据资料,国外厂商已经在短舱进气道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位大规模使用树脂基复合材料。


    其他部位根据资料,在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应用树脂基复合材料。


 
   金属基复合材料


    和树脂基复合材料相比,金属基复合材料具有良好的韧性,不吸潮,能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维,如不锈钢、钨、被、妮、镍铝金属间化合物等;陶瓷纤维,如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化钦等。


    金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。


    其他如风扇机匣、转子、压气机盘等零件,国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但是这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相,使材料性能变坏。尤其是在较高温度下长时使用,界面的反应更为突出。目前解决的办法是根据不同纤维、不同基体,在纤维表面加适当涂层,以及对基体金属进行合金化,以减缓界面的反应,保持复合材料性能的可靠性。

 

 

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责任编辑:王元

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标签: 高温合金, 超高强度钢, 金属间化合物, 航空发动机

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