渦輪發(fā)動機 讀書報告

1、渦輪發(fā)動機葉片的讀書報告渦輪發(fā)動機葉片材料的發(fā)展及加工工藝摘要：渦輪葉片是發(fā)動機的關健部件之一，它所能承受的溫度決定了發(fā)動機的性能和使用壽命。因此首先渦輪葉片的關健就是耐高溫和加工工藝的改進。除了要滿足在較高的溫度范圍內能穩(wěn)定工作還要考慮到材料本身能承受的負載，除了要達到一定的強度外，由于使用在飛機上還希望這種材料要盡量輕一些。除此之外就是生產的成本和材料本身的使用壽命。渦輪發(fā)動機葉片惡劣的工作環(huán)境致使它需要有良好的耐高溫性能，同時還要在蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕性能上有所要求。關鍵字：渦輪發(fā)動機 渦輪葉片 單晶高溫合金 定向凝固 熔模鑄造 真空熔煉（一）航空發(fā)動機的發(fā)展 航空發(fā)

2、動機的發(fā)展經歷了幾個階段。早期，活塞式發(fā)動機占了40年左右。1903年，萊特兄弟把一臺4缸、水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上進行飛行試驗。首次飛行的留空時間只有12s,飛行距離為36.6m。但它是人類歷史上第一次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定、可操作的重于空氣飛行器的成功飛行。在兩次世界大戰(zhàn)的推動下，活塞式發(fā)動機不斷改進完善，得到迅速發(fā)展。發(fā)動機功率從近10kW提高到2500kW左右，行高度達15000m，飛行速度從16km/h提高到近800km/h，接近了螺旋槳飛機的速度極限。20世紀3040年代是活塞式發(fā)動機的全盛時期。著名的活塞式發(fā)動機有：

3、英國的梅林V型12缸液冷式發(fā)動機，功率1120kW，用于“颶風”、“噴火”和“野馬”戰(zhàn)斗機；美國普惠公司的“黃蜂”系列星形氣冷發(fā)動機。 早期的渦輪噴氣發(fā)動機和飛機尚處于試驗階段，在第二次世界大戰(zhàn)中并沒有發(fā)揮多大的作用，到戰(zhàn)后特別是20世紀50年代才獲得迅速的發(fā)展。渦輪前燃氣溫度9501100，推重比4.55.5，不加力耗油率0.91.0kg/(daN·h)，加力耗油率2.0 kg/(daN·h)左右。渦噴發(fā)動機有一個致命的缺點，就是耗油率太高，渦扇發(fā)動機既能克服這個缺點又保有它原有的優(yōu)點。 渦扇發(fā)動機誕生于20世紀50年代，首先用于民用飛機，隨后擴展到軍用飛機。20世紀60

4、年代出現(xiàn)渦扇化熱潮，7080年代發(fā)展提高、廣泛應用，90年代以后高度發(fā)展，取代渦噴發(fā)動機成為軍民用飛機的主動力和航空推進技術研究發(fā)展的主要方向。世界上第一臺運轉的渦輪風扇發(fā)動機是德國戴姆勒-奔馳研制的DB670。而目前，普·惠公司正在研制新一代渦扇發(fā)動機PW8000，這種齒輪傳動渦扇發(fā)動機，推力為11 00016 000daN，涵道比11，耗油率下降9%。 在渦輪噴氣發(fā)動機蓬勃發(fā)展的過程中，驅動飛機螺旋槳和直升機旋翼的動力也實現(xiàn)了渦輪化，派生出兩種新型航空燃氣渦輪發(fā)動機渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機。它們的工作原理基本相同，都是靠動力渦輪把燃氣發(fā)生器出口燃氣中的絕大部分可用能量轉變?yōu)?/p>

5、軸功率，通過減速器驅動螺旋槳或旋翼。它們與活塞式發(fā)動機相比，重量輕、振動小、功率重力比大。（二）渦輪噴氣式發(fā)動機的構成及材料 渦輪發(fā)動機是內燃機的一種，利用旋轉的機件穿過流體從而獲取動能。常用在航空航天和一些船舶的發(fā)動機。隨著材料加工工藝的發(fā)展和科技的進步，渦輪發(fā)動機有了渦輪噴氣式發(fā)動機和渦輪風扇式發(fā)動機兩種。渦輪噴氣發(fā)動機是利用流道內噴出的高速燃氣的推動作用，有離心式和軸流式兩種。其中，軸流式因為橫截面積小，壓縮比高的優(yōu)點，成為主要的渦噴發(fā)動機。雖然渦噴式發(fā)動機具有很多優(yōu)點，比如，因為只需要燃氣推動，所以在設計上比較簡便，并且由于氣體所以推動快。但是由于渦噴的工作原理是需要高速的燃氣進行推動

6、，所以和熱機有共同點，需要考慮效率問題。此外，工作是還和溫度和壓力有著密切的聯(lián)系。現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機的結構由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，需要有進氣、加壓、燃燒和排氣四個階段。所以在工藝設計是需要考慮出氣口出材料的耐高溫性能，并且整個發(fā)動機的材料需要耐高溫，尤其是在燃燒室，此時氣流從燃燒室出來的溫度越高，推動力也就越大。目前的渦輪材料只能達到1650K左右的溫度。此外，由于飛機起飛的時間很短，所以還要要求燃氣的高速推動。因此，渦噴的耗能非常大，這也是它的一個主要缺點。渦噴的燃燒室使用的材料目前多采用粉末冶金進行整體鑄造。這樣加工的優(yōu)點在于省去了接頭的材料可能會造成的連接問題。制造材

7、料也多為耐高溫的材料，比如陶瓷粉末冶金。與渦輪風扇是發(fā)動機相比，雖然在能耗問題上要差一些，但是高速性要優(yōu)于渦扇。 在連接渦輪葉片和渦輪軸的地方是渦輪盤，它是推動發(fā)動機高速旋轉的部件。在發(fā)動機開始旋轉后，壓氣機講空氣送到燃燒室，在燃燒室中和燃油混合進行燃燒，在尾噴口排出高速高壓的氣體。氣體在帶動渦輪旋轉的同時，由于渦輪葉片和渦輪軸相連，渦輪盤的材料和加工工藝也有著嚴格的控制。發(fā)動機的運轉使得渦輪盤的受力復雜，需要其好的耐熱性能和穩(wěn)定性。粉末合金壓縮性好、化學成分均勻，適合制造高強度粉末冶金零件。（三）渦輪風扇式發(fā)動機的構成及材料 渦輪風扇式發(fā)動機，是在壓氣機前安裝的一級或多級風扇產生的氣流與尾噴

8、管噴出的氣流共同作用，產生推力的。常用于航空航天。提高渦噴的推動力的一點就是提高渦輪入口的溫度，而渦扇發(fā)動機既能提高渦輪前溫度，又不會因為風扇氣流和燃氣推動的作用而增加排氣的速度。在渦噴發(fā)動機的后部增加了低壓渦輪，能消耗一部分燃氣排出時產生的動能。渦扇發(fā)動機的的氣流通過兩個渠道，一個送入壓氣機，一部分從外殼向外排出，因此風扇和燃燒室能產生兩種排氣流。在提高渦輪前溫度時，可以增加風扇的直徑，可以使能量從外殼散出。效率提高后，能耗降低，飛機的航程就能增加。 但是，渦扇發(fā)動機同樣存在缺點。由于加入了風扇，能量經過壓氣機向外殼和尾噴口散出的話，增加了結構設計的復雜度，對材料和加工工藝上要求更加嚴格。在

9、考慮到渦輪發(fā)動機的實際應用，主要應用在航天航中，用作飛機的發(fā)動機，因此在材料商也要考慮輕重和厚度。在風扇的設計中，風扇需要減振設計。加大風扇的寬度和厚度可以起到減振的作用，因此需要的材料不僅強度大而且重量要輕。通用動力公司使用了增強環(huán)氧樹脂碳纖維復合材料制作舉行風扇扇葉，并在風扇的前沿報了一層鈦合金的蒙皮。（四）渦輪部件材料的分析 從渦輪發(fā)動機的結構來看，渦輪盤無疑是起著重要作用的部件。在高速運轉的條件下，渦輪盤受力情況復雜，此外渦輪轉子還要在高溫、高壓、高速和高氣流速度下工作，渦輪盤的選材影響發(fā)動機的推動比。資料顯示，各代的發(fā)動機對于渦輪材料、工作溫度與推重比的比較可以得出，從600到950

10、溫度依次上升的過程中，所用材料依次為高溫合金、變形高溫合金、粉末冶金、纖維增強超合金與變形高溫合金、雙性能粉末冶金、O相Ti Al陶瓷等。由于材料的改變，渦輪盤的耐高溫性能增加，渦輪前溫度提高幅度也加大，推重比也升高。因此在設計時選用好的材料也是一項重要的工程。因為航空發(fā)動機的研發(fā)成本本身就要高一些，因此在零部件的研發(fā)和制造成本當然要盡量的低一些，其中就是考慮零部件的壽命，希望能有良好的持久性。 渦輪葉片是發(fā)動機的關健部件之一，它所能承受的溫度決定了發(fā)動機的性能和使用壽命。因此首先渦輪葉片的關健就是耐高溫和加工工藝的改進。渦輪位于燃燒室后面，從燃燒室出來的都是高溫高壓的燃氣，它們先通過導向葉片

11、，經過加速后沖擊渦輪的工作葉片。因此渦輪葉片處于溫度高、受力復雜的部位，所以無論是壓氣機葉片還是渦輪葉片，在發(fā)動機的基礎構成中所占的數(shù)量是相當之大的。壓力機葉片，由于在渦輪前，需要完成高溫處理，所以也需要葉片具有好的耐高溫性能。它的工作性能決定著發(fā)動機的效率和使用壽命。 因此對于渦輪盤和渦輪葉片的材料要求上除了要滿足在較高的溫度范圍內能穩(wěn)定工作還要考慮到材料本身能承受的負載，除了要達到一定的強度外，由于使用在飛機上還希望這種材料要盡量輕一些。除此之外就是生產的成本和材料本身的使用壽命。由于航天工程關系到人身安全，還要考慮當出現(xiàn)意外情況時材料如果出現(xiàn)裂紋后出現(xiàn)的低應力脆性破壞。在大量災難性事故的

12、分析中，大部分主要是由于宏觀尺寸的裂紋擴展引起的，可能是因為焊接的質量不高、鋼材內部夾有殘存的應力。因此需要考慮到裂紋的擴展速率。低的材料生產成本離不開制造材料的成本，包括加工工藝的優(yōu)化、冶煉工藝、成型工藝和切削工藝。（五）材料加工工藝 無論是渦輪盤還是渦輪葉片，對于這兩個決定發(fā)動機工作效率和使用壽命的關健部件，因為工作環(huán)境的影響，都需要其具有良好的耐高溫性能。目前已出現(xiàn)的制造工藝方法之一有單晶高溫合金。應用定向凝固的裝置制造出高溫合金單晶葉片。自80年代以來，航空發(fā)動機應用單晶高溫合金渦輪葉片。在后來的十幾年中又相繼發(fā)展了第二代和第三代單晶高溫合金，使發(fā)動機葉片能在更高的溫度下工作，是它的耐

13、高溫性能提高。資料顯示，高性能的單晶合金與先進的氣冷葉片設計、精湛的精密鑄造技術和優(yōu)良的防護涂層及工藝相結合，能使航空發(fā)動機的渦輪進口溫度提高300左右。例如，第三代單晶合金作葉片材料的推重比為10的F119發(fā)動機。由于蠕變特性取決于層錯能和反向界能的相對值，反向界能高，層錯能低，有利于合金蠕變壽命的提高，因此也出現(xiàn)了單晶高強度渦輪葉片合金。各代發(fā)動機渦輪葉片選用材料發(fā)展 鎳基單晶合金是一種應用在渦輪葉片的合金。渦輪葉片的合金及制造工藝歷經了幾十年的發(fā)展過程，較早的鍛造鎳基高溫合金是在80%Ni和20%Cr合金基礎上發(fā)展起來的。為了提高蠕變斷裂強度及抗高溫氧化性能，在合金中添加少量Ti和Al制

14、成合金；加入約20%Co制成的Nimonic 90，耐溫能力提高50。為了提高鍛造鎳基高溫合金強度而增加Ti和Al含量。隨后發(fā)展了鑄造葉片和金工藝。在鎳基高溫合金發(fā)展的早期，合金成分站主導地位；隨后葉片材料性能同時取決于合金成分和鑄造的過程。而目前發(fā)展的定向單晶技術和機械合金方法是提高葉片性能的主要途徑。單晶鎳基合金作為渦輪葉片材料，使渦輪進口溫度得到很大的提高，但是由于'在高溫下的不穩(wěn)定性，使得這類合金的耐溫能力受到限制。 定向結晶葉片的生產采用定向凝固技術。利用合金凝固時晶粒朝著與熱流方向相反的方向生長規(guī)律，控制熱流方向，使經歷沿一定方向生長。用定向凝固的方法制成的葉片，其晶粒形狀

15、為一束平行排列的柱狀組織，基本上消除了橫向結晶，并且晶粒生長的方向<001>具有最低的彈性模量，這將大大降低葉片工作時溫度不均勻所造成的熱應力，使得蠕變斷裂壽命和熱疲勞抗力得到很大的提高。普通鑄造和定向凝固渦輪葉片熱疲勞性能對比普通鑄造和定向凝固合金的蠕變曲線 除了使用合金材料，還有用涂層的辦法來提高渦輪葉片的耐燒上涂一層耐燒蝕的表面涂層來延長渦輪葉片的使用壽命。采用抗氧化防護涂層，是延長熱強合金使用壽命的重要因素。如，T3D的渦輪葉片上普惠公司就用擴散滲透法在渦輪葉片上“鍍”上一層鋁、硅涂層，使工作壽命達到15900小時。涂層質量高、通用性好、沉積精度高、工藝成本低是這種工藝的優(yōu)

16、點。除了涂層之外，用較冷的空氣對渦輪葉片進行冷卻，也是一種方法，并由此產生了空心氣冷葉片。最早的渦扇發(fā)動機-英國羅·羅公司的維康就使用了空心氣冷葉片。 由此看來，為了滿足第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動機葉片的使用要求，20世紀50年代研制成功的高溫合金憑借其較為優(yōu)異的高溫使用性能全面代替高溫不銹鋼，并使其工作溫度達到了800水平，掀起了渦輪葉片使用材料的第一次革命。20世紀60年代以來，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金鑄件開始成為渦輪葉片的主選材料。定向凝固高溫合金通過控制結晶生長速度、使晶粒擇優(yōu)生長，改善了合金的強度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且消除了橫向晶界。

17、單晶合金渦輪葉片是定向凝固技術的進一步發(fā)展，其耐溫能力、蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕性能有了顯著提高，從而成為了主要的航空發(fā)動機渦輪葉片的材料，由此掀起了第二次革命。渦輪葉片的選材要考慮它的工作環(huán)境，但是除此之外還要結合葉片的結構進行強度和制造工藝的設計。20世紀90年代，很多新型發(fā)動機的渦輪葉片設計都采用了先進的復合傾斜、端壁斜率和曲率控制等技術，給單晶的生長帶來了很大困擾。總之，渦輪發(fā)動機葉片的選材需考慮溫度、環(huán)境氣氛以及葉片的設計結構等多方面因素，而由此提出的復合材料和陶瓷材料也在進一步的發(fā)展和研究中。 碳纖維復合材料就是一種。這種材料具有高比強度、高比模量，并且重量減輕，從

18、而使發(fā)動的燃料消耗下降，還可以減小振動振幅和振動應力。此外，還有樹脂基復合材料。同樣，這種材料是利用它的優(yōu)異特性來提高風扇葉片的強度。 （六）材料及加工成型 葉片制造工藝從等軸晶到定向柱晶和定向單晶，不僅在晶粒結構控制上取得了很大的進展，鑄造性能也有較大的提高。能夠生產薄壁和具有復雜冷卻結構的渦輪葉片。而熔鑄工藝的不斷進步也起著至關重要的作用。 在等軸晶葉片的生產中，采用普通的熔模鑄造方法，在三室真空爐中真空融化高溫合金、真空澆注及冷卻成形。真空熔煉能顯著降低高溫合金中有害于力學性能的雜志和氣體含量，并且可以精確控制合金成分，使其性能穩(wěn)定。并且隨著真空熔煉技術的不斷進步，合金的純潔度也越來越高

19、，是合金的雜志含量降低到很低的水平。隨著渦輪葉片制造工藝的不斷發(fā)展，從最初的是新葉片到空心葉片，從有加工余量葉片到無余量葉片，再到定向空心無余量葉片。前文提到的空心氣冷葉片不僅能使渦輪葉片適應工作環(huán)境、提高它的耐高溫性能，還實現(xiàn)了減輕葉片的重量。 對于真空熔煉，可以嚴格的控制活潑元素，充分發(fā)揮合金的能力，有利于應用返回料，使得強度和塑性都有所提高。有利于氣體和夾雜無的排除和分解，用碳脫氧，可以使合金中的氧含量下降。除此之外，還可以除去有害的雜質。改善熱加工性能，提高成材率，改善結晶狀態(tài)、降低合金元素的偏析。隨后，定向凝固技術的發(fā)展使得鑄造合金力學性能又得到提高，從成文能力最高的等軸合金到最高的

20、第三代單晶合金，其承溫能力提高了150。 渦輪發(fā)動機葉片工作環(huán)境惡劣，溫度、載荷沖擊非常大，要求它具有很高的強度、耐腐蝕性、抗沖擊性和耐高溫的性能。因此它的表面加工要求很高的精度、準確的形狀和表面的完整性。這就要求鑄件模具定型精化，包括型腔的優(yōu)化，每一個環(huán)節(jié)的精確，每一個環(huán)節(jié)都會影響到鑄件最終的性能。影響渦輪葉片精鑄尺寸精度的因素較多，例如模料的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過程中鑄件的變形等。對此，可以采取模具型腔反變形補償。鑄造中，澆注后葉片的尺寸變形最大，高溫液態(tài)合金注入模殼后，隨著溫度的降低，會產生收縮變形，同時會產生彎曲變形和彎扭變形。為了

21、有效的防止這種變形，采用在傳統(tǒng)模具設計時考慮對收縮變形的補償，然后向與變形相反的方向預留一定的變形量。熔模鑄型首先是熔模的組裝，把形成鑄件的熔模和形成澆冒口系統(tǒng)的熔模組合在一起。在經過若干次涂料、掛砂，干燥硬化，密封加固，脫蠟，焙燒最終制成型殼。（七）展望與結論 結合以上，對航空發(fā)動機的發(fā)展歷史和發(fā)動機內部組成結構，從材料及加工工藝的簡單分析，不難看出，目前使用單晶合金材料還是渦輪發(fā)動機葉片的主要材料。主要是由于渦輪發(fā)動機的工作環(huán)境所致。由于渦輪發(fā)動機主要應用在飛機上，所以要為飛機提供短時加速和保持穩(wěn)定的工作，就必須在材料和加工工藝上進行嚴格的控制。而使用合適的材料更是體現(xiàn)了低耗能、高效率的可持續(xù)發(fā)展。由于渦輪發(fā)動機葉片惡劣的工作環(huán)境致使它需要有良好的耐高溫性能，同時還要在蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕性能上有所要求。由于在航空領域，還要確保葉片的使用壽命和盡量降低鑄造成本，最后在保證這些性能之外，還要盡量使葉片的重量輕一些，這樣不僅能使推動效率提高、強度增大，還能降低能耗，使渦輪發(fā)動機的性能不斷提高。參考文獻：1航空發(fā)動機發(fā)展史2寧興龍.21世紀航空航天技術用材料的基本發(fā)展方向.稀有金屬快,Rare Metals Letters,2001（05）3陳榮章.北京航空材料研究院鑄造高溫合金及工藝發(fā)展40年.材料工程,