航空发动机高温材料发展趋势

【关 键 词 】 高 温 材 料 航 空 发 动 机 陶 瓷 基 复 合 材 料 Ｃ ／ Ｃ 复 合 材 料 金 属 间 化 合 物
Leabharlann Baidu
一 、前 言 从航空发动机技术发展现状和趋势看， 世界航空发动机技术正 呈 现 出 一 种 加 速 发 展 的 态 势 ， 推 重 比 １５ ─ ２０ 级 更 先 进 的 发 动 机 研 究 计 划 也 正 在 进 行 。预 计 这 种 更 为 先 进 的 发 动 机 将 于 ２０２０ 年 左 右 研 制成功， 并将与第五代战斗机配套使用。 随着飞机的航程和飞机速度的提高， 对飞机的推力、推重比的 要 求 也 越 来 越 大 ， 从 而 导 致 了 发 动 机 的 压 力 比 、进 口 温 度 、燃 烧 室 温 度 以 及 转 速 也 都 大 大 提 高 。目 前 ， 就 航 空 发 动 机 的 材 料 而 言 ， 金 属 材 料的使用温度已接近其极限， 不可能满足下世纪航空发动机的设计 要 求 。因 此 ， 发 动 机 的 设 计 师 已 开 始 转 变 传 统 的 选 材 观 念 ， 不 再 以 金 属材料作为设计的基础， 而是转向或接近新材料。从目前国外应用 现状及发展前景来看， 下个世纪航空发动机的材料将以非金属材料 为主体。 二 、高 温 材 料 及 其 应 用 １ 、高 温 合 金 高 温 合 金 是 指 以 铁 、镍 、钻 为 基 ， 能 在 ６００ ℃以 上 高 温 抗 氧 化 或 抗腐蚀， 并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料， 因其合 金 化 程 度 很 高 ， 在 英 、美 等 国 称 之 为 超 合 金 （ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）。 在 先 进 的 航 空 发 动 机 中 ， 高 温 合 金 占 发 动 机 材 料 总 量 的 ４０ ％─ ６０ ％ 。 因 此 ， 从 某 种意义上来说， 没有高温合金就没有先进的航空工业。但随着发动 机涡轮进口温度的不断提高， 高温合金由于熔点的限制， 最高使用 温度已经不能满足需要。从长远看， 必须寻找能耐更高温度的材料 代替高温合金， 以满足发展更高效率航空发动机的需要。 ２ 、新 型 高 温 材 料 在当前进行的新型高温材料研究中， 陶瓷基复合材料和碳／碳复 合材料最为引人注目， 被认为是今后航空发动机热端部件的侯选材 料 。此 外 ， 金 属 间 化 合 物 、难 熔 金 属 硅 化 物 基 复 合 材 料 等 以 其 自 身 的 优势也颇受关注。 ２．１ 陶瓷基复合材料 陶 瓷 基 复 合 材 料 比 高 温 合 金 的 密 度 小 （仅 为 后 者 的 １／３─１／４）， 热 膨 胀 系 数 小 ， 抗 腐 蚀 性 好 ， 理 论 最 高 温 度 可 达 １６５０ ℃， 因 而 被 认 为 是今后先进航空发动机热端部件的侯选材料。由于陶瓷基部件不需 要气体冷却， 省去或简化了冷却系统零件， 可使发动机进一步减重。 经 过 ２０ 多 年 来 国 际 陶 瓷 界 的 精 心 研 究 ， 其 力 学 性 能 特 别 是 断 裂 韧 性已有很大提高， 但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应 用， 从而不能取代镍基合金而得到广泛应用。 ２．２ 碳／碳复合材料 碳 ／ 碳 复 合 材 料 具 有 低 密 度 （＜２ ．０ｇ／ ｃｍ３）、高 比 强 、高 比 模 量 、高 导 热 性 、低 膨 胀 系 数 ， 以 及 抗 热 冲 击 性 能 好 、尺 寸 稳 定 性 高 等 优 点 ， 是 目 前 在 １６５０ ℃以 上 应 用 的 唯 一 备 选 材 料 ， 最 高 理 论 温 度 更 高 达 ２６００ ℃， 因 此 被 认 为 是 最 有 发 展 前 途 的 高 温 材 料 。 尽管碳／碳复合材料有诸多优良的高温性能， 但它在温度高于 ４００ ℃的 有 氧 环 境 中 发 生 氧 化 反 应 ， 导 致 材 料 的 性 能 急 剧 下 降 。 因 此， 碳／碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。 碳／碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径， 即在较低的温度 下 可 以 采 取 基 体 改 性 和 表 面 活 性 点 的 钝 化 对 碳／碳 复 合 材 料 进 行 保 护； 随着温度的升高， 则必须采用涂层的方法来隔绝碳／碳复合材料 与氧的直接接触， 以达到氧化防护的目的。目前使用最多的是涂层 的方法， 随着技术的不断进步， 对碳／碳复合材料超高温性能的依赖 越来越多， 而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层 防护。 ２．３ 金属间化合物 金属间化合物以其低密度、高强度以及良好的耐热性能， 近年
２．４ 难熔金属硅化物基复合材料 近 年 来 ， 由 于 难 熔 金 属 硅 化 物 熔 点 高 （ 高 于 ２０００ ℃）， 在 １６００ ℃下 具有好的热稳定性和防氧化性， 良好的力学性能， 因而受到特别的 关 注 ， 逐 渐 成 为 高 温 材 科 研 究 的 新 热 点 之 一 。 表 １ 是 熔 点 在 ２０００ ℃ 以上的部分难熔金属硅化物的结构和性能。表 ２ 为二硅化钼基复合 材料中常见的强化相种类。
表 １ 熔 点 在 ２０００ ℃以 上 的 部 分 难 熔 金 属 硅 化 物 的 结 构 和 性 能
表 ２ 二硅化钼基复合材料中常见的强化相种类 三 、结 束 语 无 论 是 陶 瓷 基 复 合 材 料 、Ｃ ／ Ｃ 复 合 材 料 、金 属 间 化 合 物 ， 在 １２００ ─ １６００ ℃高 温 条 件 下 使 用 ， 均 未 达 到 与 镍 基 高 温 合 金 相 抗 衡 的 地 步 。 到目前为止， 新材料在航空发动机上的应用仍然非常有限， 这除了 材料性能有待于进一步提高外， 其制造成本也是一个不容忽视的方 面。由于高温合金良好的综合性能， 在研制与服役中较长期的经验 积累， 今后在相当长的时间内高温合金仍将在发动机高温材料中占 有 一 席 之 地 。对 传 统 材 料 的 研 究 开 发 ， 仍 应 予 以 足 够 重 视 ， 以 最 大 限 度地挖掘传统材料的潜力。因此在相当长的一段时间内， 高温合金 仍将是航空发动机高温部件的主要材料。 航空发动机的发展对高温材料的要求越来越高， 并且其性能的 提高， 在很大程度上是依赖新材料的推动， 研究和开发新的高温材 料始终是航空发动机赖以发展的基础之一。因此加强新型高温材料 的 开 发 ， 加 快 研 制 高 性 能 陶 瓷 基 复 合 材 料 、Ｃ ／ Ｃ 复 合 材 料 等 的 步 伐 作为未来航空发动机高温部件的材料势在必行。 参考文献 ［１］ 航 空 发 动 机 材 料 的 发 展 １９９８． ２ 陈 炳 贻 《航 空 科 学 技 术 》 ［２］ Ｃ ／ Ｃ 复 合 材 料 在 火 箭 发 动 机 和 飞 机 上 的 应 用 ２００２． ３ 廖 勋 鸿 ， 廖 名 华 ， 王 鑫 秀 ， 刘 桂 香 《碳 素 》 ［３］ 航 空 发 动 机 制 造 技 术 与 发 展 趋 势 １９９７． ３ 唐 耿 林 《航 空 科 学 技 术》 ［４］ 航 空 发 动 机 材 料 漫 谈 ２０００． ４ 夏 黎 明 ， 刘 建 农 ， 鲁 沂 《金 属 世 界》 ［５］ 航 空 发 动 机 发 展 综 述 ２０００． ６ 陈 光 《专 题 综 述 》
但是， 由于晶体结构中存在共价键， 金属间化合物也存在脆性， 这 大 大 限 制 了 它 的 实 际 应 用 。 早 在 ２０ 世 纪 ５０ 年 代 ， 各 国 的 材 料 工 作者已经对金属间化合物进行了详细的研究， 但终因其所共有的脆 性 问 题 迟 迟 未 能 解 决 而 使 研 究 工 作 一 度 陷 于 停 滞 。 直 到 ７０ 年 代 后 期， 发现添加硼等可改善其塑性， 又重新引起人们的兴趣。
来成为高温结构材料研究中十分活跃的领域。金属间化合物兼备了 陶瓷材料和金属材料的双重特性， 有可能成为取代镍基高温合金在 高温和腐蚀性环境中应用的新型结构材料。金属间化合物比陶瓷具 有更多的优势， 其中金属间化合物具有较好的热传导性， 因而作为 高温结构材料使用时， 其冷却效率较高而热应力较小， 这是与其它 新型材料进行成本竞争的一个重要条件。
（ 作 者 单 位 系 辽 宁 省 葫 芦 岛 市 ９２９４１ 部 队 ９２ 分 队 ）
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航空发动机高温材料发展趋势
文／ 肖宇
【摘 要 】 简 要 介 绍 了 航 空 发 动 机 与 高 温 材 料 发 展 的 密 切 关 系 ， 就 高 温 材 料 的 发 展 趋 势 作 出 了 具 体 的 阐 述 ，
指出应在发展高温合金的基础上， 大力发展陶瓷基复合材料和 Ｃ ／Ｃ 复合材料等新型高温材料。