航空發動機的新材料有哪些？
本站之前發表過：航空航天發動機上所用的材料有哪些？這篇文章，網友說很好，今天我們再來看看 航空發動機的新材料 有哪些？
航空制造是制造業中高新技術最集中的領域，屬于先進制造技術。美國惠普公司研制的F119發動機，通用電氣公司的F120發動機，法國的SNECMA公司的M88-2發動機，英國、德國、意大利和西班牙四國聯合研制的EJ200發動機。這些代表世界先進水平的高性能航空發動機，它們的共同特點是普遍采用了新材料、新工藝和新技術。今天就跟小編來看看那些高性能航空發動機上的新材料。
高溫合金是為了滿足噴氣發動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為軍用和民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前，在先進的航空發動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
高溫合金的發展與航空發動機的技術進步密切相關，尤其是發動機熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和制造工藝是發動機發展的重要標志。由于對材料的耐高溫性能和應力承受能力提出很高要求，早期英國研制了Ni3（Al、Ti）強化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發動機渦輪葉片材料，同時，又相繼發展了 Nimonic系列合金。美國開發了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。
在高溫合金發展過程中，制造工藝對合金的發展起著極大的推進作用。由于真空熔煉技術的出現，合金中有害雜質和氣體的去除，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發展。其中定向凝固技術最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點的90%。因此，目前各國先進航空發動機葉片都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片。從國際范圍來看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。粉末高溫合金也由第一代650℃發展到750℃、850℃粉末渦輪盤和雙性能粉末盤，用于先進高性能發動機。
我國高溫合金隨航空發動機的發展研制和生產需求而發展。我國高溫合金的創業和起步于20世紀70年代前，由于我國第一、二代發動機的需求，我國研制和發展了GH系列的變形高溫合金以及K 系列的鑄造高溫合金，同時發展了許多新的制造技術，如真空熔煉和鑄造、空心葉片鑄造、等溫鍛造等。
70年代后，在高溫合金的研制中，我國引進了歐美技術，按國外的技術標準進行研制和生產，對材料的純潔度和綜合性能提出了更高要求，研制了高性能變形高溫合金、鑄造高溫合金。尤其是 DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的單晶合金的研究與發展，使我國高溫合金在生產工藝技術和產品質量控制上了一個新臺階。
超高強度鋼作為起落架材料應用在飛機上。第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時。
第三代戰機設計要起落架求壽命超過5000飛行小時，同時由于機載設備增多，飛機結構重量系數下降，對起落架選材和制造技術提出更高要求。美國和我國的第三代戰機均采用300M鋼（抗拉強度1950MPa）起落架制造技術。
應該指出的是，材料應用技術水平的提高也在推動起落架壽命的進一步延長和適應性的擴大。如空客A380飛機起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術、新型氣氛保護熱處理技術和高速火焰噴涂技術，使得起落架壽命滿足設計要求。由此，新材料和制造技術的進步確保了飛機的更新換代。
飛機在耐腐蝕環境中的長壽命設計對材料提出了更高要求，AerMet100鋼較300M鋼而言，強度級別相當，而耐一般腐蝕性能和耐應力腐蝕性能明顯優于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術已應用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進飛機上。更高強度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。損傷容限超高強度鋼AF1410的裂紋擴展速率極慢，用作B-1飛機機翼作動筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄羅斯米格－1.42上高強度不銹鋼用量高達30%。PH13-8Mo是唯一的高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構件。國內探索超高強度不銹鋼取得初步效果。
國外還發展了超高強度齒輪（軸承）鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，并在發動機、直升機和宇航中試用。國內發動機、直升機傳動材料技術十分落后，北京航空材料研究院已自主研究開發了一種超高強度軸承齒輪鋼。
高性能、高推重比航空發動機的研制，促進了金屬間化合物的開發與應用。如今金屬間化合物已經發展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結構應用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強度、導熱率，尤其是在高溫狀態下，還具有很好的抗氧化，搞腐蝕性和高的蠕變強度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發動機高溫部件的理想材料之一。
目前在航空發動機結構中，致力于研究開發的主要是以鈦鋁和鎳鋁等為重點的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。金屬間化合物原子間的結合力強，晶體結構復雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現出硬而脆的特點。目前經過多年的試驗研究，一種具有高溫強度和室溫塑性與韌性的新型合金已經研制成功，并已裝機使用，效果很好。例如美國的高性能F119型發動機的外涵機匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗證機F120型發動機的壓氣機葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。
說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現在說到陶瓷復合材料，也可能還會有些人不清楚，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結合后，才使人們對這種材料的概念發生了根本的變化，這就是陶瓷基復合材料。
陶瓷基復合材料在航空工業領域是一種非常有發展前途的新型結構材料，特別是在航空發動機制造應用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優點以外，還具有優異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩定性，是高性能渦輪發動機高溫區理想的極好材料。
目前世界各國針對下一代先進發動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了較大進展，有的已開始應用在現代航空發動機中。例如美國驗證機的F120型發動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。
C/C基復合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料，是美國21世紀重點發展的耐高溫材料，世界先進工業國家竭力追求的最高目標。C/C基復合材料，即碳纖維增強碳基本復合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在 1000-1300℃的高溫環境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業中具有很大的發展前途。
C/C基復合材料在航空發動機上應用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應用在新型發動機上。例如美國的F119發動機上的加力燃燒室的尾噴管，F100發動機的噴嘴及燃燒室噴管，F120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復合材料制造。法國的M88-2發動機，幻影2000型發動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料。
樹脂基復合材料在航空渦扇發動機上的應用研究始于20世紀50年代，經過60余年的發展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進行樹脂基復合材料研發，取得了很大進展，已經將其工程化應用到現役航空渦扇發動機，并且還有進一步擴大應用量的趨勢。
樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發動機的冷端。樹脂基復合材料在國外先進航空發動機上的主要應用部位如圖所示。
發動機風扇葉片是渦扇發動機最具代表性的重要零件，渦扇發動機的性能與它的發展密切相關。與鈦合金風扇葉片相比，樹脂基復合材料風扇葉片具有非常明顯的減重優勢。除具有明顯的減重優勢之外，樹脂基復合材料風扇葉片受撞擊后對風扇機匣的沖擊較小，有利于提升風扇機匣包容性。
目前，國外已進行商業化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發動機，為B787配套的GEnx發動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發動機。1995年，裝配樹脂基復合材料風扇葉片的GE90-94B發動機正式投入商業運營，標志著樹脂基復合材料在現代高性能航空發動機上正式實現工程化應用。在綜合考慮空氣動力學、高低周疲勞循環等因素的基礎上，GE公司又為后續的GE90-115B發動機研制了新的復合材料風扇葉片。
進入21世紀，航空發動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術進一步發展，而通過不斷提高碳纖維/環氧樹脂預浸料韌性的方法已經很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結構復合材料風扇葉片應運而生。
風扇機匣是航空發動機最大的靜止部件，它的減重將會直接影響航空發動機的推重比與效率。因此，國外先進航空發動機OEM也一直致力于風扇機匣的減重與結構優化工作。如圖所示為國外先進航空發動機風扇機匣發展趨勢。
因為是非主承力構件，風扇帽罩是航空發動機上最先使用的復合材料制造的部件之一，使用復合材料制造的風扇帽罩可以提供更輕的重量、簡化的防冰結構、更好的耐蝕性以及更優異的抗疲勞性能。
目前，在R.R公司RB211發動機、PW公司PW1000G、PW4000已經采用樹脂基復合材料制備風扇帽罩。
相比航空發動機主機，樹脂基復合材料在航空發動機短艙具有更廣闊的應用空間，如圖所示。根據資料，國外廠商已經在短艙進氣道、整流罩、反推裝置、降噪聲襯部位大規模使用樹脂基復合材料。
其他部位根據資料，在航空發動機風扇流道板、軸承封嚴蓋、蓋板等部位也在不同程度的應用樹脂基復合材料。
和樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復合材料的增強纖維有金屬纖維，如不銹鋼、鎢、被、妮、鎳鋁金屬間化合物等；陶瓷纖維，如氧化鋁、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化欽等。
金屬基復合材料的基體材料有鋁、鋁合金、鎂、欽及欽合金、耐熱合金、鉆合金等。其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強欽合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。
其他如風扇機匣、轉子、壓氣機盤等零件，國外都有采用金屬基復合材料制造的實例。但是這種復合材料存在的最大問題之一是增強纖維和基體金屬之間容易發生反應而產生脆性相，使材料性能變壞。尤其是在較高溫度下長時使用，界面的反應更為突出。目前解決的辦法是根據不同纖維、不同基體，在纖維表面加適當涂層，以及對基體金屬進行合金化，以減緩界面的反應，保持復合材料性能的可靠性。
來源：國際金屬在線、材料圈
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