梳理航空发动机的新材料

来源:2021-01-12 16:18:44

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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。

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。
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