航空技術(shù)發(fā)展在很大程度上依賴(lài)于材料進(jìn)步,"一代材料、一代裝備"是材料推動(dòng)航空技術(shù)進(jìn)步的真實(shí)寫(xiě)照.,戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)材料研究包括樹(shù)脂基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料、鈦鋁金屬間化合物、單晶高溫合金、粉末高溫合金、陶瓷基復(fù)合材料、陶瓷熱障涂層等材料及其工藝.目前,戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料正在向著密度更小,耐溫能力、強(qiáng)度和耐腐蝕性更高、費(fèi)用更低、壽命更長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料工藝一體化等方向發(fā)展.

戰(zhàn)斗機(jī)

    一、第3 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

第3代戰(zhàn)斗機(jī)

    第3 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)將第2 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比5. 0 ~ 6. 0 提高到7. 0 ~ 8. 0、渦輪進(jìn)口溫度由1400 ~ 1550K 提高到1600 ~ 1750K.為了滿(mǎn)足這些挑戰(zhàn),質(zhì)量輕的樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)始使用、鈦合金用量加大,耐更高溫度的高溫合金的用量也有所提升.

    第3 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件用材情況如下:

    風(fēng)扇以鈦合金為主,為減輕外涵機(jī)匣質(zhì)量,外涵機(jī)匣采用了樹(shù)脂基復(fù)合材料.RB199,AL31F,F100 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇為全鈦結(jié)構(gòu),其中F100 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片選用Ti-6-6-2,盤(pán)選用Ti-8-1-1,軸選用Ti-6-4; AL31F 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片選用亂3-1 鈦合金和亂20 鈦合金,盤(pán)選用亂9 鈦合金.F110-GE-132,F404,F414 發(fā)動(dòng)機(jī)外涵機(jī)匣采用了樹(shù)脂基復(fù)合材料.

    壓氣機(jī)以鈦合金和高溫合金為主.壓氣機(jī)的前部葉片、盤(pán)和機(jī)匣多數(shù)選用鈦合金,后部選用鋼、鎳鉻高溫合金或鎳基高溫合金.如: F100 發(fā)動(dòng)機(jī)1 ~ 3 級(jí)盤(pán)為鈦合金,4級(jí)選用PW1016,5,7,9級(jí)為高溫合金,6,8, 10 級(jí)為In100 粉末高溫合金;轉(zhuǎn)子葉片1 ~ 4 級(jí)為鈦合金,5~ 10 級(jí)為高溫合金.又如F110 發(fā)動(dòng)機(jī)的前3 級(jí)為鈦合金,后6 級(jí)選用高溫合金.F414 發(fā)動(dòng)機(jī)的前2 級(jí)轉(zhuǎn)子選用Ti17,后5 級(jí)選用In718.

    燃燒室以鎳基或鈷基高溫合金為主.AL31F 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣選用菹708 高溫合金,火焰筒選用菹648鎳基( 高鉻含量) 高溫合金.F100 發(fā)動(dòng)機(jī)選用Haynes 188 鈷基高溫合金,F110,F404 和F414 發(fā)動(dòng)機(jī)則選用Hastelloy X 鎳基高溫合金.

    渦輪葉片最初主要選用空向凝固鎳基高溫合金加熱障涂層,后來(lái)更多選用單晶高溫合金加熱障涂層; 盤(pán)最初主要選用鎳基高溫合金[4 ~ 6],后來(lái)更多選用粉末高溫合金.如: AL31F 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片選用蒲6? 鎳基高溫合金,渦輪盤(pán)選用菹742 鎳基高溫合金或粉末高溫合金,機(jī)匣選用菹708.F100-PW-220 和F100-PW-229 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用PW1480 或PW1484 單晶高溫合金表層沉積熱障涂層,盤(pán)選用In100 粉末高溫合金.

    F110 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用ReneN5 單晶合金表層沉積熱障涂層,低壓渦輪第1 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片選用Rene125,盤(pán)選用Rene95 或Rene88DT 粉末高溫合金; 第2 級(jí)轉(zhuǎn)子葉片選用Rene80,盤(pán)選用In718.

    加力燃燒室多選擇用高溫合金.AL31F,F100,F414 分別選用菹199 高溫合金、帶陶瓷涂層的Haynes 188 和Hastelloy X 高溫合金.

    噴管外殼選用鈦合金,其余選用鎳基高溫合金.

    二、 第4 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

    第4 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高到9. 0 ~ 10. 0、渦輪進(jìn)口溫度提高到1800 ~ 1950K.為了滿(mǎn)足這些極具挑戰(zhàn)的要求,鈦合金用量更高,樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)始大量使用,新型阻燃鈦合金、單晶鎳基合金和更耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)部件上,獨(dú)特的冷卻技術(shù)( 如: Lamilloy 結(jié)構(gòu)、超級(jí)冷卻和鑄冷等) 也應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上.

    第4 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件的用材情況如下:

    外涵機(jī)匣均為樹(shù)脂基復(fù)合材料.F119 發(fā)動(dòng)機(jī)選用PMR-15 基復(fù)合材料.風(fēng)扇多為全鈦結(jié)構(gòu),F119 和F135 都采用實(shí)心結(jié)構(gòu),而F136 發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片選用空心結(jié)構(gòu); 最為特殊的F135 發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)空心靜子葉片采用樹(shù)脂基復(fù)合材料.

    高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前幾級(jí)采用鈦合金,后幾級(jí)采用高溫合金; 靜子葉片選用高強(qiáng)度阻燃鈦合金或高強(qiáng)度鎳基高溫合金,F119 發(fā)動(dòng)機(jī)采用高強(qiáng)度阻燃鈦合金Alloy C,F135 和F136 發(fā)動(dòng)機(jī)的前部采用鈦合金,后部分別采用高溫合金.F135 發(fā)動(dòng)機(jī)的3 號(hào)軸承可能選用氮化硅摻雜陶瓷材料.

    燃燒室火焰筒主要為鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱障涂層,F119 發(fā)動(dòng)機(jī)和F135 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu),而F136 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Lamilloy 結(jié)構(gòu).

    渦輪轉(zhuǎn)子葉片采用第2 代單晶鎳基高溫合金并沉積熱障涂層; 靜子葉片采用第2 代單晶合金或陶瓷,如F135 發(fā)動(dòng)機(jī)120 個(gè)導(dǎo)向器葉片選用陶瓷,F136 發(fā)動(dòng)機(jī)選用Lamilloy 結(jié)構(gòu)的單晶鎳基合金; 盤(pán)選用粉末合金或鎳基高溫合金,如F119 發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙重?zé)崽幚淼姆勰└邷睾辖? 隔熱支撐環(huán)選用低熱膨脹合金.

    加力燃燒室隔熱屏選用鎳基高溫合金,筒體采用鈦合金或高強(qiáng)度阻燃鈦合金Alloy C.噴管主調(diào)節(jié)片選用高溫合金; 外調(diào)節(jié)片為SPECARBINOXA262 碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料.

    三、 第5 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

    第5 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片、支板、進(jìn)氣機(jī)匣、外涵機(jī)匣等低溫部件更多地選用樹(shù)脂( 如PMR15、AFR700B 等) 基復(fù)合材料.低壓軸、葉片、整體葉環(huán)、殼體結(jié)構(gòu)等中溫部件將更多地選用耐溫816 ~ 982℃的鈦鋁金屬間化合物和連續(xù)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料.

    燃燒室火焰筒將更多地選用Lamilloy 結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐溫1482℃陶瓷基復(fù)合材料和熱障涂層; 擴(kuò)壓器將更多地選用鈦鋁金屬間化合物;

    外機(jī)匣將更多地選用金屬基復(fù)合材料.渦輪葉片將更多地選用鎳基單晶高溫合金的超冷、鑄冷結(jié)構(gòu)、耐溫1538 ~ 1649℃纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料、高溫鉬基和鈮基合金、耐溫1093 ~ 1371℃ 金屬間化合物、耐溫1149℃熱障涂層;

    渦輪盤(pán)將更多地采用耐高溫的粉末合金和纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料.

    加力燃燒室襯套將更多地選用耐1204℃陶瓷、金屬基復(fù)合材料、耐溫1538℃ 碳/碳復(fù)合材料.

    噴管將更多地選用樹(shù)脂基復(fù)合材料、耐溫1093℃金屬間化合物、耐溫1371℃無(wú)冷卻的非金屬材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料.

    四、發(fā)展趨勢(shì)

    戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)材料向密度更低、強(qiáng)度更高、耐溫能力更好、材料/工藝/設(shè)計(jì)全面一體化的方向發(fā)展,并促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制向推重比更高、機(jī)動(dòng)性更好、可靠性更高、壽命更長(zhǎng)等方向發(fā)展.

1、戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用材正在向低密度與高強(qiáng)度方向發(fā)展.

    目前,樹(shù)脂基復(fù)合材料( PMC) 、金屬( 特別是鈦合金) 基復(fù)合材料( MMC)和鈦鋁金屬間化合物逐漸替代鋼、鈦合金和鎳基合金用于制造風(fēng)扇/包容機(jī)匣、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子/靜子葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和反推力裝置等低溫部件; 樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬( 鈦、鎳) 基復(fù)合材料和鈦鋁/鎳鋁金屬間化合物將替代鈦合金和鎳基高溫合金用于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機(jī)整體葉環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)低壓軸、壓氣機(jī)靜子葉片、機(jī)匣、排氣噴管作動(dòng)筒與調(diào)節(jié)片的連桿等中溫部件; 新一代高溫合金、鎳鋁金屬間化合物、先進(jìn)熱障涂層和陶瓷基復(fù)合材料( CMC)逐步替代鎳基高溫合金用于燃燒室、渦輪、加力燃燒室與噴管等高溫部件.這將使戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比明顯增大.

    鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)靜子/轉(zhuǎn)子葉片、整體葉環(huán)、盤(pán)、軸、機(jī)匣、尾部結(jié)構(gòu)和作動(dòng)桿等零部件上的應(yīng)用研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展,并已經(jīng)在F414 增推型、F100 改進(jìn)型、聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器( JTAGG) 驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.

    2、耐溫能力增強(qiáng)

    提高溫度是增大戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比非常重要的措施,而其最直接且有效的途徑就是采用耐更高溫度的材料、熱障涂層和散熱性好的結(jié)構(gòu).

    戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用材呈現(xiàn)2 個(gè)發(fā)展趨勢(shì): ( 1) 現(xiàn)有材料向更耐高溫度發(fā)展; ( 2) 更耐高溫度的新材料取代現(xiàn)有材料.

    渦輪葉片用單晶高溫合金[13,14]已經(jīng)從20 世紀(jì)80 年代初PW 公司成功研制的第1 代單晶高溫合金-PW1480 發(fā)展到第5 代,平均換代時(shí)間為5 年左右; 每代耐溫能力提高接近30℃( 每年提高大約6℃) ,每代的蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性等都得到了不同程度的提高.

    渦輪盤(pán)用粉末合金,已由1972 年P(guān)W 公司成功開(kāi)發(fā)的第1 代鎳基粉末高溫合金-IN100 發(fā)展到第3 代( Alloy 10,ME3,LSHR,NR3 ) ,耐溫能力由650℃提高到750℃以上; 抗拉強(qiáng)度比第2 代高,比第1 代略低; 但裂紋擴(kuò)展速率較第2 代更低.

    高溫部件的熱障涂層于20 世紀(jì)50 年代成功地應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上.20 世紀(jì)80年代初,等離子噴涂熱障涂層PWA264 成功地應(yīng)用在JT9D 戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上; 20 世紀(jì)80 年代中后期以來(lái),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件上.目前,已經(jīng)發(fā)展了隔熱效果達(dá)到167℃ 的第4 代陶瓷熱障涂層與環(huán)境障涂層,更高效的第5代納米熱障涂層也正在研制.

    陶瓷基復(fù)合材料具有低密度、耐高溫、耐腐蝕和耐燒蝕等優(yōu)點(diǎn),是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室/加力燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子/靜子葉片、加力燃燒室火焰穩(wěn)定器、排氣噴管調(diào)節(jié)片等部件的極好候選材料.目前,GEAE、SNECMA、PW、RR 等公司集中研究具有二維或三維纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料,如金屬纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料和陶瓷纖維或晶須增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料,其中SNECMA 公司已將其應(yīng)用于M53 和M88 發(fā)動(dòng)機(jī)上.

    耐溫1370℃的陶瓷基復(fù)合材料,正在中等載荷發(fā)動(dòng)機(jī)零件上試驗(yàn)驗(yàn)證; 近期耐溫1480℃的陶瓷基復(fù)合材料將在美國(guó)NASA 開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證; 遠(yuǎn)期耐溫1650℃的陶瓷基復(fù)合材料將由美國(guó)NASA 開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證.

    碳/碳復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕等優(yōu)異性能,是世界戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)國(guó)家為未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件研究和發(fā)展的新型高溫結(jié)構(gòu)材料.美國(guó)已經(jīng)將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于F100 發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室噴嘴,還計(jì)劃將其應(yīng)用于F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噴管; 法國(guó)已經(jīng)將它應(yīng)用于M53 發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室的噴油桿、隔熱屏和調(diào)節(jié)片.目前,人們正在研究和解決其高溫抗氧化性能差的問(wèn)題.

    3 、材料、工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化

    材料、工藝和設(shè)計(jì)研究人員針對(duì)特定部件,共同選擇和確定材料與工藝,甚至進(jìn)行材料選擇、工藝設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使部件達(dá)到整體優(yōu)化.

    PW 公司采用雙重?zé)崽幚砉に? DTP) 制造了Inl00雙性能粉末盤(pán),并成功地應(yīng)用到F119 發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓/低壓渦輪上.該盤(pán)輪緣部分的損傷容限能力提高,適應(yīng)了榫槽可能出現(xiàn)的微裂紋; 輪轂部分的強(qiáng)度提高,滿(mǎn)足了高強(qiáng)度和低循環(huán)疲勞的要求.在IHPTET 研究計(jì)劃下,PW 公司將AF2-1DA 粉末合金進(jìn)行熱等靜壓、擠壓制坯和超塑性鍛造,制成盤(pán)件,再進(jìn)行真空定向熱處理; 采取控制溫度梯度的方法,在輪緣和輪轂部分獲得不同的晶粒度和性能.

責(zé)任編輯：周婭

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