航空发动机材料漫谈
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发布时间：2008-07-31
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随着航空事业的发展，航空发动机的研究也在不断深入，其中，航空材料的发展功不可没。据称，美国综合高性能涡轮发动机技术(ＩＨＰＴＥＴ)计划的实现，７０％～８０％要靠材料的改进。可以预料，在本世纪初，发动机材料的研究将进入一个新的材料系统和工艺领域。↑
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↑镍、钛材料的兴起↑ 自飞机问世至２０世纪６０年代初，航空发动机材料主要采用钢材和铝材。钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘、燃烧室外壳等一些主要承力部件的制造；而铝基材料则主要用于压气机叶轮、叶片、油泵壳体等部件。由于各部件所处工作环境不同(温度、受力等)，因此，其材料的组分也不同。但这两类材料自身的刚度、强度等因素，限制了人们对发动机性能的更高要求，特别是严重影响了发动机推重比的提高。此外，铝基材料最大弱点是易腐蚀，这严重影响了发动机的使用寿命。如何才能提高涡轮前燃气温度从而提高发动机的推力、推重比等性能，人们开始寻找一些刚度、强度较大和耐高温的材料；同时，进一步探索提高部件耐腐蚀性的新途径。这样镍和钛基材料开始应用于发动机的一些重要部件上，镍基材料主要用来制造火焰筒、涡轮叶片等部件，钛基材料用来制造压气机盘和叶片等部件。此后，镍、钛基材料在发动机上所占比重逐年增大，在７０年代末至８０年代初开始超过钢材，到９０年代初达到顶峰，而后才开始减少。但鉴于新材料的研制开发，试验论证以及工艺、技术等难度较大，因此在近２０～３０年内，这两类材料在发动机上仍将占相当大的比重。↑
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↑碳-碳(Ｃ／Ｃ)复合材料↑ ６０年代国外研制的涡轮发动机，在追求高性能研制思想的指导下，突出要求高推重比、高增压比和高涡轮前温度，由于材料方面研究相对落后，造成发动机的结构故障显著增加。７０年代初期，Ｃ／Ｃ复合材料开始出现，这是一种新型的特种工程材料，除了具有石墨的各种优点外，强度和冲击韧性比石墨高５～１０倍，刚度和耐磨性高，化学及尺寸稳定性好，适于高温技术领域。准备用于制造加力燃烧室筒、叶片盘整体结构、涡轮及尾喷管等部件。但其研制、应用进展缓慢，预计在２１世纪初将有大的进展。↑
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↑２１世纪新材料的发展↑ 以ＣＦＭ５６等涡扇发动机为例，目前，其热效率的提高已接近极限，而当涵道比增至３０以后，推进效率的提高也将接近极限。因此，法国斯奈克玛公司曾断言“该是考虑另一种推进形式的时候了。”这将是航空领域一种设计思想上的革命。因此，美国的ＩＨ-ＰＴＥＴ仍着眼于开发新材料，以提高现有发动机的各项性能指标，选择新材料的基本要求：可承受的最高温度；高温比强度与比寿命；高温抗氧化能力；韧性；导热性；加工性。↑ ２１世纪初，陶瓷材料(ＣＭＣ)、金属基复合材料(ＭＭＣ)、钛铝基合金材料(ＴｉＡｌＩＭＣ)将相继应用到发动机上。这将对发动机性能的提高起着重要的作用。目前，降低材料的成本，尤其是制件的成本，将是加速新材料应用的关键。↑
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