请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
设为首页收藏本站

航空发动机&燃气轮机之家

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

扫一扫,访问微社区

搜索
热搜: 活动 交友 discuz

用在航空发动机上的所有材料解析

2017-3-2 08:26| 发布者: admin| 查看: 125| 评论: 0

摘要: 航空航天发动机发展水平是一国综合国力、工业基础和科技水平的集中体现,它的研制集中了现代工业最尖端的技术、最先进的工业成果。今天跃谷小编就为您揭秘,航空航天发动机上所用的材料。航空发动机上应用的先进金属 ...

航空航天发动机发展水平是一国综合国力、工业基础和科技水平的集中体现,它的研制集中了现代工业最尖端的技术、最先进的工业成果。今天跃谷小编就为您揭秘,航空航天发动机上所用的材料。

 


航空发动机上应用的先进金属材料
铝合金



铝合金具有比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点,因此被认为是航空航天工业中用量最起着至关重要的作用。主要应用位置:发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等。



钛合金



与铝、镁、钢等金属材料相比,钛合金具有比强度很高、抗腐蚀性能良好、抗疲劳性能良好、热导率和线膨胀系数小等优点,可以在350~450℃以下长期使用,低温可使用到-196℃。主要应用位置:航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等。

 


超高强度钢



  

超高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性,并且有良好的焊接性和成形性。主要应用位置:航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿轮。


如今,航空发动机性能不断的提高,重量相比过去有了很大的减少,在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时,将会更看重高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进材料。传统的航空发动机材料(镍合金和钛合金)虽然仍然可以进一步发展,但它的发展空间已经不大了,很难满足未来航空发动机更加苛刻的温度和重量要求。

现在,树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和C/C复合材料因为具有优良的低温性能,已成为航空发动机风扇和压气机等部件的候选材料。 


航空发动机上应用的先进复合材料
金属基复合材料



金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。

金属基复合材料

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。

金属基材料

GE公司为联合技术验证机发动机计划研究了钛基复合材料的低压轴,重量比inco合金减轻30%,刚性比钛合金提高40%,且寿命和耐用性均有所改善。若F110发动机采用这种复合材料轴,重量可减轻68kg。在不久的将来,金属复合材料将会取代镍、钛合金,成为未来航空发动机的主要材料。


陶瓷基复合材料



陶瓷基复合材料(CMC)由于其本身耐温高、密度低的优势,在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。


CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能,有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用,不仅有利于大幅减重,而且还可以节约甚至无须冷气,从而提高总压比,实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400~500℃,结构减重50%~70%,成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

陶瓷基复合材料发动机

陶瓷基复合材料主要应用在以下两方面。

燃烧室部件:

早在90年代,GE公司和P&W公司就已经使用陶瓷基复合材料制备燃烧室衬套,该衬套在1200℃环境下工作可以超过1000h。美国综合高性能涡轮发动机技术计划用碳化硅基复合材料制备火箭筒,现已在第一阶段得到验证。

Sic制备的燃烧室衬套

CMC制备火焰筒

涡轮部件:

作为发动机重要的零件之一,涡轮叶片工作在燃烧室出口,是发动机中承受热冲击最严重的零件,其耐温能力直接决定着高性能发动机推重比的提升。陶瓷基复合材料密度低、耐高温,对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大。目前,国外已成功运用陶瓷基复合材料制备出耐高温的涡轮叶片。

CMC涡轮叶片叶身


树脂基复合材料



先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。


主要应用位置:航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。 

外涵机匣:

与常规的钛合金风扇外涵机匣相比,在保证能够执行所有功能和承受整台发动机的静态与飞行载荷的前提下,树脂基复合材料制造的外涵机匣能减轻发动机的重量,减少发动机的研制成本。

复合材料与钛合金机匣

GE公司的F404发动机最早由钛合金的外涵机匣改进为PMR15复合材料的外涵机匣,达到了重量减轻30%和成本减少30%的效果。之后,GE公司又进一步将这一技术应用到F414增推型发动机、GenX发动机等发动机上。

美国的普惠公司的F191和F135发动机以及法国的斯奈克玛公司的M88发动机都采用树脂基复合材料制造的外涵机匣。其减轻重量和降低成本的效果都很明显。

 F404发动机

F135发动机

GenX的复合材料机匣

静子叶片:

与钛合金的静子叶片相比,树脂基复合材料静子叶片能减轻重量50%,降低成本50%以上。同时,通过优化纤维取向,复合材料静子叶片的固有频率可以被修正,以加大其许用机械和气动设计空间。

树脂复合基叶片

普惠的PW4084和PW4168发动机风扇静子叶片采用PR500环氧树脂基复合材料,其中,PW4084发动机直径为3.04米的静子重量减轻39%、成本减少38%。德国MTU公司在PW8000发动机的高速低压压气机的进口导流叶片和第一级或第二级可调静子叶片采用PMC复合材料。这些叶片的抗外损伤能力、抗振动特性、抗腐蚀性和结构完整性已经得到了验证。

PW4084发动机

转子叶片:

复合材料的低密度和高强度特性不仅能减轻重量,而且能使转子叶片具有3维气动设计形状,像掠形叶片、弓形叶片。除了能降低制造成本外,复合材料转子叶片还具有脱落事故中表现出来的非破坏特性,进而降低了包容要求。

碳纤维树脂基转子叶片

风扇叶片采用复合材料不但可以明显的减轻叶片本身的重量,还能减轻其包容系统、盘以及整个转子系统的重量,具有低成本、抗振性能好、抗损伤能力强等特点。就目前,GE公司的GenX和GE90-115B发动机采用了高流量弯掠复合材料风扇叶片和有机物基材料风扇机匣,还计划将进一步研究复合空心叶型高压比风扇。

GE90发动机复合材料叶片



C/C复合材料



碳/碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度不到2.0g/cm3,仅为镍基高温合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是这种材料随着温度升高(可达2200℃)其强度不仅不降低,甚至比室温还高,这是其它材料所无法比拟的独特的性能。

碳纤维复合材料

早在80年代初,美国就开始研制碳/碳涡轮盘和涡轮叶片,以后又先后进行了F100飞机发动机的燃烧室和喷管试验,JTD试验机低压整体涡轮盘及叶片试验,还进行可1760地面超速试验。德国、俄罗斯和日本已相继成功研制涡轮外环和整体涡轮。


碳纤发动机叶片

目前尽管都认为碳/碳材料是新型高性能航空发动机热端部件的可选材料,但国内外都还没有把碳/碳材料真正用于发动机的转动部件,究其原因,关键是以下问题还未得到很好解决:

1、抗氧化问题,由于航空发动机工作时间长、温度高,而碳材料在400℃以上就会开始氧化,这是一个尖锐矛盾。

2、碳/碳材料与传统金属材料在性能、结构等方面均不相同,传统的设计将不适用于碳/碳材料,必须根据该材料的特点进行特殊、全新的结构设计,这方面的研究需要进一步深入。

3、性能的稳定性、再现性是实用的前提,对于复合材料而言这是一个难点,要求有相应稳定的工艺、增强体质量、基体质量、均匀性等一系列问题,尚需深入研究。

碳纤维叶片

随着对复合材料研究工作的不断深入和科学家们的不断探索,加之辅以持续改进的生产和加工工艺,使复合材料应用的普遍性、实用性、高效性得到了巨大的提高,应用前景非常广阔。但是不可忽视,现在复合材料在生产和应用领域还存在许多问题,而这些问题也在一定程度上限制了复合材料的发展。因此,对复合材料的研究仍将继续下去。

鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋

最新评论

QQ|Archiver|手机版|小黑屋|航空发动机&燃气轮机之家 ( 沪ICP备16010109号  

GMT+8, 2017-10-23 14:01 , Processed in 0.072052 second(s), 19 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

返回顶部