求给个大体介绍
接触的机型不多,本身也不是做材料的,抛砖引玉,希望有搞材料和搞发动机的大牛来回答。
以我们平常最为常见的大涵道比涡扇发动机CFM56系列发动机为例,该发动机的高压压气机有九级,1-3级的叶片的材料是钛合金,4-9级叶片的材料高温镍基合金。同时我还注意到CFM56系列发动机高压压气机的前3级的材料也是钛合金,4-9级鼓的材料为高温镍基合金。
前3级的叶片材料的具体牌号是Ti-811,其具体机械性能题主可以参考下面这篇文章:国外航空发动机用钛合金的发展现状
关于钛合金的一些简要介绍,我比较low参看的是百度百科。钛合金_百度百科
在这里我要指出,Ti-811属于TA合金,即α相合金。
在高压压气机进口3级,使用钛合金叶片,我个人思考有以下两个原因:钛合金于合金钢相比,密度更小,但是比强度更高,即在同等强度限制下叶片质量更低,使得叶片榫头离心应力更小;高压压气机进口的气体静温比室温大约高100摄氏度 (起飞状态),大约在400K左右。钛合金的热膨胀系数低,高温下抗蠕变能力强。在压气机中保持叶尖间隙是非常重要的,直接影响压气机的效率及喘振裕度。如果叶片材料的热膨胀系数太大的话,在启动状态下叶片伸长量大于机匣伸长量,会使得叶片与机匣刮擦,剪短叶片长度。当机匣也加热膨胀到稳态的情况下,叶尖间隙就会变大。
后4-9级叶片材料为高温镍基合金Inco718。该材料的一些机械性能参见下面这篇文章:高温合金INCO718
刚刚在前面说了,气流在压气机中随着压力增高,温度也在增高。CFM56系列发动机高压压气机的出口静温大约在550摄氏度左右,即800多K。这种情况下,α相钛合金的高温蠕变效应,表面抗氧化性以及高温下的强度度出现问题,因为钛元素在600摄氏度下化学性质逐渐变得活泼,变形机制由晶内转向晶界。此时如果继续使用钛合金Ti-811的话,叶片可能在长时间的高温及离心应力的作用下,逐渐蠕变伸长,或者与机匣刮擦,或者产生蠕变裂纹。
以上。
说得很浅,不知道有没有什么错误,希望有同好能够帮我指出。
涡轮叶片材料,留着以后再八。
整体来说,航空叶片的选材应该是:选择能够承受工作温度下工作载荷的最轻材料。也就是说高的比强度是叶片选材的重要标准。
所以从进气端到高压端,材料的总类依次可以为,铝合金,沉淀不锈钢,钛合金,到高温合金。
从目前的趋势来看,尤其是追求高性能的军机上,钛合金叶片由于其优异的比强度,越来越多的替代了铝合金和沉淀不锈钢作为压气机叶片的首选。当然后面几级的压气机叶片,由于工作温度太高,钛合金的抗氧化能力和阻燃性能已经不能胜任,高温合金叶片就变成了不得不的唯一选择。
对于民航大涵道比发动机,前面的风扇叶片,由于尺寸巨大,如果用钢会导致超大的离心力,钛合金也就成为唯一的选择。
常用的叶片材料有: TC4,TC17,17-4PH,A286, I718等。
从目前国外应用现状及发展前景来看,未来航空发动机的材料将以非金属材料为主体。
现在国内航空发动机高温材料成熟度较高的应该是镍基单晶高温合金;下一步应该是带有陶瓷涂层的合金材料;而研究热点则基本集中在陶瓷基复合材料、碳碳复合材料、高温合金材料、难熔金属硅化物基复合材料等材料上。
发动机是飞机的“心脏”,是确保飞机使用性能、可靠性与经济性的决定性因素,其性能的提升与所使用的耐高温材料密切,飞机航程加长与速度提高要求发动机更大的推力、推重比,这意味着发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大提高。
根据美国先进战斗歼击机研究计划和综合高性能发动机技术研究计划,发动机推重比要达到20,其油耗比要比目前再降低50%。对于推重比在15~20的发动机,涡轮前进口温度最高达约2300°C,因而除高比强度、高比模量外,对耐高温性能的需求更为突出。
目前,航空发动机主要结构材料包括高温合金与钛合金,质量分数分别为40%与30%;未来陶瓷基复合材料等由于其优良的特性,将成为发动机升级换代的核心材料。
行行查数据库(https://www.hanghangcha.com/#/)
根据世界著名发动机公司罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)公司对航空发动机材料发展情况作出的统计和预估,传统的铝合金及结构钢在发动机中的用量会进一步减少,而镍基高温合金、钛合金等材料的使用有所提升;一些新型高温结构材料,如金属间化合物(Ti3Al、Nb3Al等)、陶瓷基/金属基复合材料(CMC、MMC)将是发动机材料选取趋势。
高温合金是航空发动机提升推重比的基础材料,主要应用燃烧室、导向器、涡轮叶片与涡轮盘四大热端部位;钛合金在500°C以下性能稳定,应用于压气盘、静叶盘、机壳等;陶瓷基复合材料属于发动机先进程度的提升关键,目前最先进的发动机涡轮前进口温度逼近高温合金的熔点,而陶瓷基复合材料是航空发动机减重增效“升级换代”的核心材料。
根据《Global Commercial Aero Turbofan EngineMarket》,以质量计算,航空发动机中镍合金、钛合金和特钢分别占比40%、30%、25%。以装配在美国战斗机F22上的发动机(型号:F119-PW-100)为例,发动机重量为1.36吨,以上述质量占比粗略估算,一台F119-PW-100发动机用镍合金0.54吨,用钛合金0.41吨,一架F22配置双发,发动机共用1.09吨、0.82吨镍合金与钛合金。行行查 | 行业研究数据库
正浩叶子带你了解:航天级PEEK材料还可以应用于航空发动机液压系统气动部件等领域具有广泛的应用前景