高溫合金的應(yīng)用——航空發(fā)動機

航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。

航空發(fā)動機的技術(shù)進(jìn)步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān)，高溫合金是推動航空發(fā)動機發(fā)展的最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。軍用航空發(fā)動機通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接和最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?。因此高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發(fā)動機性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動機推重的要求比不斷提高，發(fā)動機對高性能高溫合金材料的依賴越來越大。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%-60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

軍用航空發(fā)動機通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動機的水平。提高推重比最直接、最有效的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/span>

燃燒室

燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮?，是動力機械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。

用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量最大、最為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度，難以進(jìn)一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進(jìn)一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復(fù)合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強鈦合金等。

導(dǎo)向葉片

導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考?，是航空發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。

在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在四大熱端部件中所占質(zhì)量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。

用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中GH4169合金是用量最大、應(yīng)用范圍最廣的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進(jìn)一步研制中。

渦輪葉片