航空发动机的关键材料有哪些?
航空发动机的关键材料有哪些？
航空制造是制造业中⾼新技术最集中的领域，属于先进制造技术。美国惠普公司研制的F119发动机，通⽤电⽓公司的F120发动机，法国的SNECMA公司的M88-2发动机，英国、德国、意⼤利和西班⽛四国联合研制的EJ200发动机。这些代表世界先进⽔平的⾼性能航空发动机，它们的共同特点是普遍采⽤了新材料、新⼯艺和新技术。今天就来看看那些⾼性能航空发动机上的新材料。
01
⾼温合⾦
⾼温合⾦是为了满⾜喷⽓发动机对材料的苛刻要求⽽研制的，⾄今已成为军⽤和民⽤燃⽓涡轮发动机热端部件不可替代的⼀类关键材料。⽬前，在先进的航空发动机中，⾼温合⾦⽤量所占⽐例已⾼达50%以上。
⾼温合⾦的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡、涡轮叶⽚材料和制造⼯艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐⾼温性能和应⼒承受能⼒提出很⾼要求，早期英国研制了Ni 3 （Al、Ti）强化的Nimonic80合⾦，⽤作涡轮喷⽓发动机涡轮叶⽚材料，同时，⼜相继发展了 Nimonic系列合⾦。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合⾦，如普惠公司、GE公司和特殊⾦属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合⾦系列。
在⾼温合⾦发展过程中，制造⼯艺对合⾦的发展起着极⼤的推进作⽤。由于真空熔炼技术的出现，合⾦中有害杂质和⽓体的去除，特别是合⾦成分的精确控制，使⾼温合⾦性能不断提⾼。随后，定向凝固、单晶⽣长、粉末冶⾦、机械合⾦化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型⼯艺的研究成功，推动了⾼温合⾦的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采⽤定向凝固⼯艺制出的定向、单晶合⾦，其使⽤温度接近初熔点的90%。因此，⽬前各国先进航空发动机叶⽚都采⽤定向、单晶合⾦制造涡轮叶⽚。从国际范围来看，镍基铸造⾼温合⾦已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合⾦体系。粉末⾼温合⾦也由第⼀代650℃发展到750℃、850℃粉末涡和双性能粉末盘，⽤于先进⾼性能发动机。
我国⾼温合⾦随航空发动机的发展研制和⽣产需求⽽发展。我国⾼温合⾦的创业和起步于20世纪70年
代前，由于我国第⼀、⼆代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形⾼温合⾦以及K 系列的铸造⾼温合⾦，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空⼼叶⽚铸造、等温锻造等。
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70年代后，在⾼温合⾦的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进⾏研制和⽣产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更⾼要求，研制了⾼性能变形⾼温合⾦、铸造⾼温合⾦。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合⾦和DD系列的单晶合⾦的研究与发展，使我国⾼温合⾦在⽣产⼯艺技术和产品质量控制上了⼀个新台阶。
02
超⾼强度钢
端午节银行放假吗超⾼强度钢作为起落架材料应⽤在飞机上。第⼆代飞机采⽤的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞⾏⼩时。
第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞⾏⼩时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更⾼要求。美国和我国的第三代战机均采⽤300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。
应该指出的是，材料应⽤技术⽔平的提⾼也在推动起落架寿命的进⼀步延长和适应性的扩⼤。如空客
A380飞机起落架
应该指出的是，材料应⽤技术⽔平的提⾼也在推动起落架寿命的进⼀步延长和适应性的扩⼤。如空客A380飞机起落架采⽤了超⼤型整体锻件锻造技术、新型⽓氛保护热处理技术和⾼速⽕焰喷涂技术，使得起落架寿命满⾜设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。
飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更⾼要求，AerMet100钢较300M钢⽽⾔，强度级别相当，⽽耐⼀般腐蚀性能和耐应⼒腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应⽤于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更⾼强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超⾼强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，⽤作B-1飞机机翼作动筒接头，⽐Ti-6Al-4V减重10.6%，加⼯性能提⾼60%，成本降低 30.3%。俄罗斯⽶格-1.42上⾼强度不锈钢⽤量⾼达30%。PH13-8Mo是唯⼀的⾼强度马⽒体沉淀硬化不锈钢，⼴泛⽤作耐蚀构件。国内探索超⾼强度不锈钢取得初步效果。
国外还发展了超⾼强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试⽤。国内发动机、直升机传动材料技术⼗分落后，北京航空材料研究院已⾃主研究开发了⼀种超⾼强度轴承齿轮钢。
03
⾦属间化合物
⾼性能、⾼推重⽐航空发动机的研制，促进了⾦属间化合物的开发与应⽤。如今⾦属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们⼀般都是由⼆元三元或多元素⾦属元素组成的化合物。⾦属间化合物在⾼温结构应⽤⽅⾯具有巨⼤的潜⼒，它具有⾼的使⽤温度以及⽐强度、导热1率，尤其是在⾼温状态下，还具有很好的抗氧化，⾼腐蚀性和⾼的蠕变强度。另外由于⾦属间化合物是处于⾼温合⾦与陶瓷材料之间的⼀种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因⽽成为航空发动机⾼温部件的理想材料之⼀。
⽬前在航空发动机结构中，致⼒于研究开发的主要是以钛铝和镍铝等为重点的⾦属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更⾼的使⽤温度。例如和 TiAl的使⽤温度分别为816℃和982℃。⾦属间化合物原⼦间的结合⼒强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬⽽脆的特点。⽬前经过多年的试验研究，⼀种具有⾼温强度和室温塑性与韧性的新型合⾦已经研制成功，并已装机使⽤，效果很好。例如美国的⾼性能F119型发动机的外涵机匣、涡都是采⽤的⾦属间化合物，验证机F120型发动机的压⽓机叶⽚和盘均采⽤了新的钛铝⾦属间化合物。
04
陶瓷基复合材料
说到陶瓷，⼈们很⾃然想到它的特点就是脆性。⼗⼏年前，如果把它⽤于⼯程领域的承⼒件，是任何⼈都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，也可能还会有些⼈不清楚，认为陶瓷和⾦属原本就是两种不相关的基本材料，但是⾃从⼈们巧妙地将陶瓷和⾦属结合后，才使⼈们对这种材料的概念发⽣了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。
陶瓷基复合材料在航空⼯业领域是⼀种⾮常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应⽤中，越来越显⽰出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度⾼的优点以外，还具有优异的耐⾼温和⾼温抗腐蚀性能。⽬前陶瓷基复合材料在承受⾼温⽅⾯已经超过了⾦属耐热材料，并具
有很好的⼒学性能和化学稳定性，是⾼性能涡轮发动机⾼温区理想的极好材料。
⽬前世界各国针对下⼀代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了较⼤进展，有的已开始应⽤在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的⾼压涡轮密封装置，燃烧室的部分⾼温零件，均采⽤了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采⽤了陶瓷基复合材料。
05
碳/碳复合材料
C/C基复合材料是近年来最受重视的⼀种更耐⾼温的新材料。到⽬前为⽌，只有C/C复合材料是被认为唯⼀可做为推重⽐20以上，发动机进⼝温度可达1930-2227℃涡轮转⼦叶⽚的后继材料，是美国21世纪重点发展的耐⾼温材料，世界先进⼯业国家竭⼒追求的最⾼⽬标。C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的⾼强度及⾼刚性结合于⼀体，使其呈现出⾮脆性破坏。由于它具有重量轻、⾼强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐⾼温材料，特别是在 1000-1300℃的⾼温环境下，它的强度不仅没有下降，反⽽有所提⾼。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很⼤的发展前途。
C/C基复合材料在航空发动机上应⽤的主要问题是抗氧化性能较差，近⼏年美国通过采取⼀系列的⼯艺措施，使这⼀问题不断得到解决，逐步应⽤在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加⼒燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采⽤C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加⼒燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采⽤了C/C基复合材料。
06
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树脂基复合材料
钢材价格多少钱一吨树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应⽤研究始于20世纪50年代，经过60余年的发展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投⼊了⼤量精⼒进⾏树脂基复合材料研发，取得了很⼤进展，已经将其⼯程化应⽤到现役航空涡扇发动机，并且还有进⼀步扩⼤应⽤量的趋势。
树脂基复合材料的服役温度⼀般不超过350℃。因此，树脂基复合材料主要应⽤于航空发动机的冷端。树脂基复合材料在国外先进航空发动机上的主要应⽤部位如图所⽰。
风扇叶⽚：发动机风扇叶⽚是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。与钛合⾦风
风扇叶⽚：发动机风扇叶⽚是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。与钛合⾦风扇叶⽚相⽐，树脂基复合材料风扇叶⽚具有⾮常明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外，树脂基复合材料风扇叶⽚受撞击后对风扇机匣的冲击较⼩，有利于提升风扇机匣包容性。
⽬前，国外已进⾏商业化应⽤的复合材料风扇叶⽚的主要代表有为B777配套的GE90系列发动机，为B787配套的GEnx 发动机，还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。1995年，装配树脂基复合材料风扇叶⽚的GE90-94B发动机正式投⼊商业运营，标志着树脂基复合材料在现代⾼性能航空发动机上正式实现⼯程化应⽤。在综合考虑空⽓动⼒学、⾼低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司⼜为后续的GE90-115B发动机研制了新的复合材料风扇叶⽚。
进⼊21世纪，航空发动机对⾼损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进⼀步发展，⽽通过不断提⾼碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的⽅法已经很难满⾜⾼损伤容限的要求。在此背景下，3D编织结构复合材料风扇叶⽚应运⽽⽣。
内蒙古旅游注意事项风扇机匣：风扇机匣是航空发动机最⼤的静⽌部件，它的减重将会直接影响航空发动机的推重⽐与效率。因此，国外先进航空发动机OEM也⼀直致⼒于风扇机匣的减重与结构优化⼯作。如图所⽰为国外先进航空发动机风扇机匣发展趋势。
风扇帽罩：因为是⾮主承⼒构件，风扇帽罩是航空发动机上最先使⽤的复合材料制造的部件之⼀，使⽤复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。
⽬前，在R.R公司RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000已经采⽤树脂基复合材料制备风扇帽罩。
相⽐航空发动机主机，树脂基复合材料在航空发动机短舱具有更⼴阔的应⽤空间，如图所⽰。根据资料，国外⼚商已经在短舱进⽓道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位⼤规模使⽤树脂基复合材料。
其他部位根据资料，在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应⽤树脂基复合材料。
07
⾦属基复合材料
和树脂基复合材料相⽐，⾦属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐⽐较⾼的温度。⾦属基复合材料的增强纤维有⾦属纤维，如不锈钢、钨、镍铝⾦属间化合物等；陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。
⾦属基复合材料的基体材料有铝、铝合⾦、镁、钛及钛合⾦、耐热合⾦等。其中以铝镁合⾦、钛及铁合⾦为基的复合材料是⽬前主要选择对象。如以碳化硅纤维增强钛合⾦基体复合材料可⽤来制造压⽓机叶⽚。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合⾦基体复合材料可⽤来制造涡轮风扇叶⽚。⼜如镍铬铝铱纤维增强镍基合⾦基体复合材料可⽤来制造涡轮及压⽓机⽤的密封元件。
其他如风扇机匣、转⼦、压⽓机盘等零件，国外都有采⽤⾦属基复合材料制造的实例。但是这种复合材料存在的最⼤问题之⼀是增强纤维和基体⾦属之间容易发⽣反应⽽产⽣脆性相，使材料性能变坏。尤其是在较⾼温度下长时使⽤，界⾯的反应更为突出。⽬前解决的办法是根据不同纤维、不同基体，在纤维表⾯加适当涂层，以及对基体⾦属进⾏合⾦化，以减缓界⾯的反应，保持复合材料性能的可靠性。

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