航空发动机的新材应用-参考

毕业论文

（共10页）

名称：航空发动机新材料应用作者：张梁

学号： 03

摘要

航空发动机发展水平是一个国家国防科技水平的象征，而航空发动机的发展是受材料发展的制约。航空发动机工作环境苛刻，基本处于高温、腐蚀的工作状态，现如今大多采用高温合金，而航空发动机本身设计理念要求其自身“轻质量、高强度”，造成航空发动机在设计时出现结构与选材的相互制约。随着新材料的不断出现与发展，越来越多的新材料已逐渐应用到新型航空发动机上。未来高性能航空发动机在很大程度依赖于先进复合材料等新材料的发展，本文根据航空发动机材料的应用及发展前景进行论述。

关键词：航空发动机材料发展耐高温腐蚀新材料

目录

绪论

第一章高温合金

1.1

1.2

绪论

航空发动机的发展不仅能增强国防实力，还能促进国民经济的广泛发展。高推重比、低油耗和高可靠性是航空发动机发展的主要指标。航空发达的国家正在实施推重比为15的综合化高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET），可降低耗油率40%、降低成本60%，为了不断提高航空发动机的推力和效率，要求尽可能提高航空发动机上涡轮进口温度。目前推重比为10的发动机涡轮进口温度已达1580-1650℃。为进一步改善航空发动机的性能，有效地提高发动机推重比，将采用耐高温材料取代金属材料应用在航空发动机上。轻量化是飞机发展的主导，航空工业提出一句口号“为减轻每一克而奋斗”。耐高温材料具有良好的高温强度和高温抗氧化性等综合性能，使得它们能够作为极端环境下使用的候选材料，目前使用的耐高温材料有高温合金、钛合金、金属间化合物、难熔金属、金属陶瓷材料和复合材料、铝锂材料等。

第一章高温合金

1.1高温合金概述

高温合金是以Fe、Ni、Co为基并能在600℃以上高温能够抗氧化和抗腐蚀并能在一定应力作用力下长期工作的一类金属材料，也称为耐热合金。

高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能，已成为航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件的关键材料，高温合金材料的用量占总用量的40%-60%。尤其当今航空发动机中，高温合金被誉为燃气涡轮的心脏。航空发动机用高温合金中，镍基高温合金比重达到55%-65%高温合金使用温度已达合金熔点的85%-90%，密度已达9.0g/cm3，似乎已达到极限，但实际上合金的改进工作仍然在不断进行着。航空发动机用镍基高温合金发展的重点是粉末涡轮盘高温合金和单晶高温合金及相应的高温隔热涂层。

1.2 高温合金分类

高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。按合金基体元素，可分为铁基（含镍量达25％～60％，又称为铁镍基合金）、镍基和钴基高温合金，使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。此外，按使用特性，高温合金又可分为高强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。

1.3 粉末高温合金

粉末高温合金由于具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好和偏析少等优点，成为制备推重比达8以上的高性能发动机涡轮盘等关键部件的优选材料，可以满足应力水平较高的发动机的使用要求。我国在20世纪80年代初开始研制粉末高温合金，钢研总院成功研制出发动机规格的粉末涡轮盘材料FGH4095，性能也达到了标准

的要求。FGH4095合金650℃时拉伸强度达1500MPa，1034MPa应力下持久寿命大于50h，是当前在650℃工作条件下强度水平最高的一种盘件粉末冶金高温合金。

1.4 单晶高温合金

单晶高温合金在,950-1100℃温度范围内具有优良的抗氧化、抗热腐蚀等综合性能，成为高性能先进航空发动机高温涡轮叶片的主要材料。我国研制了DD402，DD406等单晶合金，其中第一代单晶合金DD402在1100℃、130MPa应力下持久寿命大于100h，适合制作工作温度在以1050℃以下的涡轮叶片，是国内使用温度最高的涡轮叶片材料。第二代单晶合金DD406含2%Re，使用温度可达800-1100℃，目前正在先进航空发动机上进行使用考核。

1.5 镍基超合金

镍基超合金具有良好的高温蠕变特性!高温疲劳特性以及抗氧化、抗高温腐蚀等综合性能，满足了高推重比先进发动机的使用要求，为了使涡轮机叶片能够承受远超过Ni熔点的温度，除了升高Ni基超合金的使用温度外，还在基体表面涂敷绝热层（TBC），以及采取冷却措施等降低基体温度。CMSX-10、Rene N6等含Re为5-6%的第三代单晶体Ni基超合金，其使用温度达到1050℃。近年来美国通用电气公司（GE），法国史奈克马公司（SENCMA）和日本国家材料科学研究所(NIMS)开发了第4代单晶体Ni基超合金，该合金不仅添加了Re，还添加了2-3%的Ru以提高合金组织的稳定性。NIMS研制了第5代单晶体Ni基超合金，在第4代合金的基础上增加了Ru含量，使合金的耐用温度达到1100℃。

第二章钛合金

2.1 钛合金概述

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点而被用于制作飞机发动机压气机、风扇的盘件和叶片等零件，可以较明显地减轻发动机零部件的质量，从而提高发动机的推重比。在先进发动机上钛合金的用量仅次于高温合金，占发动机总质量的25-40%。近几年国外采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料等方法研制钛合金，使钛合金的使用温度提高到650℃以上，以此作为高温钛合金的发展方向。

当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。

2.2 钛合金的发展

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，我国一直都在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域，同时完全满足国家武器装备的生产需要。

钛及钛合金主要限制是在高温与其它材料的化学反应性差。此性质迫使钛合金与一般传统的精炼、熔融和铸造技术不同，甚至经常造成模具的损坏；结果，使的钛合金的价格变的十分昂贵，大大限制了钛合金的推广发展，未来钛合金的发展会逐步多元化，衍生多种新型钛合金材料，具备低成本、高性能、易加工焊接等的优越性能。

因此，在未来的航空发动机上钛合金将逐渐取代高温合金，钛合金在广泛应用到发动机后，将大大减少航空发动机的质量，使发动机