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1700℃！怎樣的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料能Hold住？

2020-02-13 14:14:00 作者：徐興來源：翱翔分享至：

對于許多熱愛大飛機(jī)的粉絲們來說，航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。這顆“工業(yè)制造皇冠上的明珠”除了在設(shè)計(jì)制造方面極盡精密復(fù)雜，在材料的運(yùn)用上也有很多特殊的要求。

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目前先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度在1700攝氏度以上，已經(jīng)超出小編的認(rèn)知范圍了！

小編特地去查了一下資料來進(jìn)行對比，大家熟知的金屬比如銅的熔點(diǎn)1083℃，鎳的熔點(diǎn)1453℃，鐵的熔點(diǎn)1538℃，統(tǒng)統(tǒng)都沒發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度高，那發(fā)動(dòng)機(jī)里面用的是什么材料呢？

鎳基合金

目前，大部分飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片都是鎳基合金，耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度達(dá)到1100℃左右，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度大大超過發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鎳基合金的熔點(diǎn)，怎么辦？

小編告訴你，必須采用隔熱涂層，同時(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上覆蓋著許多小氣孔，這些小孔就是用來散熱的，使得渦輪葉片結(jié)構(gòu)、工藝變得更加復(fù)雜，將壓氣機(jī)壓縮后的空氣，通過那些迷宮一樣的冷卻通道，引入內(nèi)腔復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的空心葉片，就能夠給發(fā)動(dòng)機(jī)來個(gè)超級(jí)大降溫了。

不過在發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)一步提升的需求（高推重比、高增壓比、高溫度）之下，迫切需要發(fā)展新一代耐高溫、低密度、低膨脹、高性能的結(jié)構(gòu)材料。

碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料是一種新型的高溫材料，在高溫下具有優(yōu)良的力學(xué)性能，特別是其力學(xué)性能隨溫度升高而升高的特點(diǎn)，簡直就是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)量身定做的。小編掐指一算，將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)帶來以下三點(diǎn)好處：

1 發(fā)動(dòng)機(jī)減重，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比/功重比

2 提高熱端部件工作溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率

3 減少冷空氣的使用，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率

近年來，碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)逐步地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。美國LTV 公司已經(jīng)生產(chǎn)出碳/碳復(fù)合材料整體渦輪葉盤，并已經(jīng)完成了地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。美國F100航空發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴和加力燃燒室噴管是用碳/碳復(fù)合材料制造的。此外，俄羅斯、德國、法國也已經(jīng)制造出碳/碳復(fù)合材料的渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)、噴油桿等部件。

陶瓷基復(fù)合材料

在各類型新型耐高溫材料中，陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)具有高的熔點(diǎn)、剛度、硬度和高溫強(qiáng)度，并且抗蠕變，疲勞性能好。它克服了金屬材料密度高、耐溫低，結(jié)構(gòu)陶瓷脆性大、可靠性差，碳/碳復(fù)合材料抗氧化性差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，作為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)需要承受極高溫度的特殊部位的結(jié)構(gòu)用材料具有很大潛力。

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料保留了陶瓷材料耐高溫、抗氧化、耐磨耗、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，充分發(fā)揮陶瓷纖維增強(qiáng)增韌作用，克服了陶瓷材料斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷。相比合金基復(fù)合材料，CMCs工作溫度高達(dá)1650℃，不僅可以通過減少冷卻氣流，提高渦輪熱效率，而且降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度。此外，CMCs密度約為耐高溫鎳基合金的1/4~1/3，鎢基合金的1/10~1/9，可以大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低油耗的同時(shí)提高推重比。

由于陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)良性能，各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正積極推進(jìn)連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，如法國斯奈克瑪公司生產(chǎn)的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的調(diào)節(jié)片、封嚴(yán)片等部件已經(jīng)裝機(jī)使用。英國羅羅公司則計(jì)劃在未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、渦輪葉片、高壓壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣、燃燒室、尾噴管等部件均采用陶瓷基復(fù)合材料。

金屬間化合物

金屬間化合物是指金屬元素之間或金屬元素與類金屬元素之間，通過共價(jià)鍵形成的化合物，具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、耐磨損性能。與陶瓷材料相比，雖然其耐溫性不如陶瓷材料，但具有比陶瓷材料更加優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

其中以Ti-Al 系金屬間化合物的應(yīng)用研究最為廣泛，我國自主研制的PST鈦鋁單晶室溫拉伸屈服強(qiáng)度高達(dá)709MPa，延伸率高達(dá)6.9%；900 ℃拉伸屈服強(qiáng)度仍達(dá)637 MPa，持久壽命和最小蠕變速率優(yōu)于4822鈦鋁合金1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

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