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航空小知识

什么材料让航空发动机 经受住1700℃“烤验”?

时间:2019年06月13日 09:53   来源:大飞机报
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  王脊梁 摄

 

  航空发动机一直是公众关注的焦点。这颗“工业制造皇冠上的明珠”除了在设计制造方面极尽精密复杂,在材料的运用上也有很多特殊的要求。

  目前先进的航空发动机工作温度在1700℃以上。而公众熟知的金属材料,例如铜的熔点1083℃,镍的熔点1453℃,铁的熔点1538℃,统统都没发动机的工作温度高,那是什么材料让航空发动机经受住了1700℃的“烤验”?

 

  镍基合金

  目前,大部分飞机的发动机叶片都是镍基合金,耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度达到1100℃左右,发动机工作温度大大超过发动机涡轮叶片镍基合金的熔点,怎么办?

  一方面采用隔热涂层,同时设计先进的冷却结构。发动机叶片上覆盖着许多小气孔,这些小孔就是用来散热的,使得涡轮叶片结构、工艺变得更加复杂,将压气机压缩后的空气,通过那些迷宫一样的冷却通道,引入内腔复杂冷却结构的空心叶片,就能够给发动机来个超级大降温了。

  不过在发动机性能进一步提升的需求(高推重比、高增压比、高温度)之下,迫切需要发展新一代耐高温、低密度、低膨胀、高性能的结构材料。

 

  碳/碳复合材料

  碳/碳复合材料是一种新型的高温材料,在高温下具有优良的力学性能,特别是其力学性能随温度升高而升高的特点,简直就是为航空发动机量身定做的。碳/碳复合材料应用于航空发动机将会带来三点好处:发动机减重,提高发动机推重比/功重比;提高热端部件工作温度,提高发动机热效率;减少冷空气的使用,提高发动机效率。

  近年来,碳/碳复合材料已经逐步地应用于航空发动机部件。美国LTV公司已经生产出碳/碳复合材料整体涡轮叶盘,并已经完成了地面超转试验。美国F100航空发动机的喷嘴和加力燃烧室喷管是用碳/碳复合材料制造的。此外,俄罗斯、德国、法国也已经制造出碳/碳复合材料的涡轮转子外环、喷油杆等部件。

 

  陶瓷基复合材料

  在各类型新型耐高温材料中,陶瓷基复合材料(CMCs)具有高的熔点、刚度、硬度和高温强度,并且抗蠕变、疲劳性能好。它克服了金属材料密度高、耐温低,结构陶瓷脆性大、可靠性差,碳/碳复合材料抗氧化性差、强度低等缺点,作为航空航天发动机需要承受极高温度的特殊部位的结构用材料具有很大潜力。

  连续纤维增强陶瓷基复合材料保留了陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐磨耗、耐腐蚀等优点的同时,充分发挥陶瓷纤维增强增韧作用,克服了陶瓷材料断裂韧性低和抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷。相比合金基复合材料,CMCs工作温度高达1650℃,不仅可以通过减少冷却气流,提高涡轮热效率,而且降低了结构复杂性和制造难度。此外,CMCs密度约为耐高温镍基合金的四分之一至三分之一,钨基合金的十分之一至九分之一,可以大大减轻发动机结构质量,降低油耗的同时提高推重比。

  由于陶瓷基复合材料的优良性能,各大航空发动机制造商正积极推进连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用,如法国斯奈克玛公司生产的连续纤维增强陶瓷基复合材料的调节片、封严片等部件已经装机使用。英国罗罗公司则计划在未来航空发动机涡轮盘、涡轮叶片、高压压气机叶片、机匣、燃烧室、尾喷管等部件均采用陶瓷基复合材料。

 

  金属间化合物

  金属间化合物是指金属元素之间或金属元素与类金属元素之间,通过共价键形成的化合物,具有优异的耐高温、抗氧化、耐磨损性能。与陶瓷材料相比,虽然其耐温性不如陶瓷材料,但具有比陶瓷材料更加优异的导热性能。

  其中以Ti-Al 系金属间化合物的应用研究最为广泛,我国自主研制的PST钛铝单晶室温拉伸屈服强度高达709兆帕,延伸率高达6.9%;900 ℃拉伸屈服强度仍达637 兆帕,持久寿命和最小蠕变速率优于4822钛铝合金1至2个数量级。单晶叶片是只有一个晶粒的铸造叶片。定向结晶叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界,使全部晶界平行于应力轴方向,从而改善了合金的使用性能。

  随着航空事业的飞速发展,航空发动机的性能也会大幅提升,对于高温材料的要求也会越来越高,新型高温材料也将成为先进发动机高温材料的重点研究方向,我们一起拭目以待。

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