钛合金在航空发动机中的应用
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钛合金在航空发动机中的应用
36010111 谷瑞 36010120 李嘉
概述
现代燃气涡轮发动机结构质量的1/3左右为钛合 金，除镍基超合金外，钛合金是标准的发动机 材料。早在上世纪50年代初期，美国 Pratt&Whitney和英国的Rolls-Royce公司生产 的早期喷气式发动机就使用了钛合金，从此， 钛合金用量稳定增长。如图
叶片环的最终应用可考虑全钛化设计。然而，由于发 动机在旋转部件失效过程中出现损伤，因此这些旋转 部件属于高风险应用。
Compressor Weight Reduction
Conventional disk & blades
Blisk - up to 30% weight saving
Bling - Ti MMC - up to 70% weight saving
40
Pressure (atmospheres)
0 1500
Temperature (degrees C)
0
Material Strength
Specific Strength
Titanium Alloy
Nickel Alloy
Aluminium Alloy
Temperature
Steel
压缩机叶片是最早的钛合金发动机部件，后来 出现了钛合金压缩盘，现代喷气式发动机的大 型前端风扇叶片也是钛合金制成的，由于风扇 叶片和涡轮盘都在低温下使用，从而常常采用 Ti-6Al-4V合金制成，合金的最高使用温度为 315摄氏度左右，因此，前4~5级压缩机的叶片 和涡轮盘均采用此合金，而高压压缩机部分采 用近α型高温合金。近α型高温钛合金的最高使 用温度为540摄氏度左右。
8 Compressor stages 1 Turbine stage >7,500 rpm
1 Fan stage 5 Turbine stages
>3,000 rpm
6 Compressor stages 1 Turbine stage >10,000 rpm
Pressure and Temperature
Titanium Nickel Steel Aluminium Composites
Fan Blade Technology
Clappered
+ 4% efficiency
Wide-chord fan
Wide-chord Fan Technology
1st generation: 1984
2nd generation: 1995
Metal Matrix Composites
Specific Strength Titanium Metal Matrix Composite
Titanium Alloy
Nickel Superalloy
Temperature (degrees C)
RollsRoyce Michael
Cervenka
Evolution of Trent Family
Fan diameter - in. Trent 800
Trent 8104
Trent 900
110
95,000lbScaled 104,000lb Scaled 80,000lb Trent 700core Trent 500 core Trent 600
用作旋转部件时，钛合金由于具有易燃倾向， 从而其使用极限温度更低，为了减轻这个问题， Pratt&Whitney研制了一种称为Alloy C （Ti35V-15Cr）的高稳定性阻燃β型合金，现在已 用于F-22战斗机的F119发动机用压缩机挡板、 增压器及喷嘴等部件。
Engine Materials
TMCs起主要作用的另一个设计是带叶片的环目标是革 新当前压缩机的设计。
– 在拓展压缩机设计限制的同时，用叶片环代替压缩 机盘实现大幅度减重。
– 由于外加载荷具有很强的单向性，从而可按理想状 态发挥TMCs的优势。与传统压缩机设计相比，该 部件可望减重50％。
– 由于高压压缩机中材料的温度超过600度，从而实 现叶片环构想将比风扇中的应用更好的利用TMCs 的高温潜力。
Honeycomb construction
DB/SPF construction
钛基复合材料
TMC在航空领域的潜在应用可按优势和失效时 的风险进行分类。静态结构件如风扇罩壳，是 低风险部件，应用TMC可减重10％～15％
室温下使用的旋转部件是中等或高风险部件。 最近，基于TMCs局部强化翼片发展了叶片的 设计理念。由于这种翼片的刚度高，可以采用 新的空气动力学设计，获得比当前钛合金翼片 更高的效率和比性能。在TMCs技术被引入大 尺寸风扇叶片之前，安全要求特别是异物破坏 （如鸟撞）是目前必须考虑的问题。
97.5
72,000lb
56,000lb
RB211-524G/H-T
86.3
65来自百度文库000lb
60,000lb
Boeing 777 Airbus A3XX Airbus A330 Boeing 747 Airbus A340 Boeing 767
Multiple Shafts - Trent 95,000 lbs Thrust
36010111 谷瑞 36010120 李嘉
概述
现代燃气涡轮发动机结构质量的1/3左右为钛合 金，除镍基超合金外，钛合金是标准的发动机 材料。早在上世纪50年代初期，美国 Pratt&Whitney和英国的Rolls-Royce公司生产 的早期喷气式发动机就使用了钛合金，从此， 钛合金用量稳定增长。如图
叶片环的最终应用可考虑全钛化设计。然而，由于发 动机在旋转部件失效过程中出现损伤，因此这些旋转 部件属于高风险应用。
Compressor Weight Reduction
Conventional disk & blades
Blisk - up to 30% weight saving
Bling - Ti MMC - up to 70% weight saving
40
Pressure (atmospheres)
0 1500
Temperature (degrees C)
0
Material Strength
Specific Strength
Titanium Alloy
Nickel Alloy
Aluminium Alloy
Temperature
Steel
压缩机叶片是最早的钛合金发动机部件，后来 出现了钛合金压缩盘，现代喷气式发动机的大 型前端风扇叶片也是钛合金制成的，由于风扇 叶片和涡轮盘都在低温下使用，从而常常采用 Ti-6Al-4V合金制成，合金的最高使用温度为 315摄氏度左右，因此，前4~5级压缩机的叶片 和涡轮盘均采用此合金，而高压压缩机部分采 用近α型高温合金。近α型高温钛合金的最高使 用温度为540摄氏度左右。
8 Compressor stages 1 Turbine stage >7,500 rpm
1 Fan stage 5 Turbine stages
>3,000 rpm
6 Compressor stages 1 Turbine stage >10,000 rpm
Pressure and Temperature
Titanium Nickel Steel Aluminium Composites
Fan Blade Technology
Clappered
+ 4% efficiency
Wide-chord fan
Wide-chord Fan Technology
1st generation: 1984
2nd generation: 1995
Metal Matrix Composites
Specific Strength Titanium Metal Matrix Composite
Titanium Alloy
Nickel Superalloy
Temperature (degrees C)
RollsRoyce Michael
Cervenka
Evolution of Trent Family
Fan diameter - in. Trent 800
Trent 8104
Trent 900
110
95,000lbScaled 104,000lb Scaled 80,000lb Trent 700core Trent 500 core Trent 600
用作旋转部件时，钛合金由于具有易燃倾向， 从而其使用极限温度更低，为了减轻这个问题， Pratt&Whitney研制了一种称为Alloy C （Ti35V-15Cr）的高稳定性阻燃β型合金，现在已 用于F-22战斗机的F119发动机用压缩机挡板、 增压器及喷嘴等部件。
Engine Materials
TMCs起主要作用的另一个设计是带叶片的环目标是革 新当前压缩机的设计。
– 在拓展压缩机设计限制的同时，用叶片环代替压缩 机盘实现大幅度减重。
– 由于外加载荷具有很强的单向性，从而可按理想状 态发挥TMCs的优势。与传统压缩机设计相比，该 部件可望减重50％。
– 由于高压压缩机中材料的温度超过600度，从而实 现叶片环构想将比风扇中的应用更好的利用TMCs 的高温潜力。
Honeycomb construction
DB/SPF construction
钛基复合材料
TMC在航空领域的潜在应用可按优势和失效时 的风险进行分类。静态结构件如风扇罩壳，是 低风险部件，应用TMC可减重10％～15％
室温下使用的旋转部件是中等或高风险部件。 最近，基于TMCs局部强化翼片发展了叶片的 设计理念。由于这种翼片的刚度高，可以采用 新的空气动力学设计，获得比当前钛合金翼片 更高的效率和比性能。在TMCs技术被引入大 尺寸风扇叶片之前，安全要求特别是异物破坏 （如鸟撞）是目前必须考虑的问题。
97.5
72,000lb
56,000lb
RB211-524G/H-T
86.3
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60,000lb
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Multiple Shafts - Trent 95,000 lbs Thrust