先進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)片材料

1、先進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料專(zhuān)題學(xué)習(xí)報(bào)告一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料基礎(chǔ)馮強(qiáng)教授就先進(jìn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料與服役損傷給我們做了報(bào)告。講座中,馮老師結(jié)合自己的學(xué)習(xí)、研究經(jīng)歷，向我們展示了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)防和民用中不可替代的地位，指出我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域和發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距 ,而這些差距 主要是在高莊渦輪葉片材料方面。燃?xì)鉁u輪是航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，為使航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在尺寸小、重M輕的悄況下獲得高性能，主要的措施是采用更高的燃?xì)鉁囟?。渦輪進(jìn)口溫度每提高100 C,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比能夠提高 10%左右，國(guó)外現(xiàn)役 最先進(jìn)第四代推 重比10一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口平均溫度已經(jīng)到了1600 C左右，

2、預(yù)計(jì)未來(lái)新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度有望達(dá)到1800 C左右。表1各代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料代另笫二代第三代第代第五代主要性推 16 比:4-6;推巫比：7-8;渦輪前溫度:推巫比：9-10;禍輪前溫推蟲(chóng)比：12-15:能拆標(biāo)渦輪前溫度：1680-175OK度A 185()-19?) K渦輪前溫度：300? 15<)()K21(XK22(X)K典烈斯貝MK2O2F1OO, FIIOF1I9. EJ2OO預(yù)計(jì)2018年發(fā)動(dòng)機(jī)服役：20世紀(jì)60年代JR役：2()世紀(jì)7()年代月艮役：20世名已末渦結(jié)實(shí)心葉片氣膜冷卻空心禍輪葉復(fù)合冷卻空心葉片發(fā)層吐超冷/鑄冷渦輪輪構(gòu)片葉片葉材定向合*金和命溫合

3、*僉第一代的品和定向合笫一代單品合僉金屬間化合物第三代W?品片料金合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片(包括渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中承受 溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境最?lèi)毫拥牟考?，在高溫下要承受很大、很?fù)雜的應(yīng)力，因而對(duì)其材料的要求極為苛刻。二、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用材料最初普遍采用變形高溫合金。隨著材料研制技術(shù) 和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。美國(guó)從 20世紀(jì)50年代 后期開(kāi)始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯(lián)在 60年代中期應(yīng)用了鑄 造渦輪葉片，英國(guó)于70年代初采用了鑄造渦輪葉片。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比，使得變形高溫合金和

4、鑄造高溫合金難以滿(mǎn)足其越來(lái)越高的溫度及性能要求 ,因而國(guó)外自70年代以來(lái)紛紛開(kāi)始研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單品高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料；單品高溫合金已經(jīng)發(fā)展到了第 3代。80年代，又開(kāi)始 研制了陶瓷葉片材料，在葉片上開(kāi)始采用防腐、隔熱涂層等技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)渦輪葉片用材料的使用溫度提出了越來(lái)越高的要求：中國(guó)渦輪葉片用材料也從變形高溫合金發(fā)展到了單品高溫合金和金屬間化合物基高溫合金，其使用溫度從700°C提高到了 1100- 113 (TCo 三、該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)及代表性文獻(xiàn)分析口前，國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)主要集中在以下兒個(gè)方面：(1) 定向凝固和單品精鑄

5、定向凝固和單品精鑄技術(shù)已經(jīng)成為推重比10以上高性能發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵制造技術(shù)之一。單品葉片是基于定向凝固技術(shù)發(fā)展出的一種沿葉身方向完全消除品界織構(gòu)的葉片。作為高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，必須具有優(yōu)良的高溫抗蠕變、抗熱機(jī)械疲勞、抗氧化腐蝕性能和較高的承溫能力， 它也是衡M一種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī) 先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。國(guó)外已批M生產(chǎn)葉身無(wú)余M的各種尺寸的葉片精鍛件和定向及單品合金空心葉片精鑄件，現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)已普遍采用的精鑄單品空心葉片和超塑性鍛造粉末高溫合金渦輪盤(pán)；美國(guó)Howmet公司已生產(chǎn)100多種100多萬(wàn)件精鑄單品葉片。止匕外,國(guó)外還在 研究尺寸達(dá)2000毫米的精鑄件和已研究成功復(fù)雜內(nèi)腔的單品葉片與雙 性能渦

6、輪盤(pán)。(2) 精密鍛造高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛件占結(jié)構(gòu)重M 5概以上。精密鍛造技術(shù)已經(jīng)成為高性能 發(fā)動(dòng) 機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)。LI前，國(guó)外已批M生產(chǎn)投影面積 1.2? 3. 5平方米的各種 材料的 大型模鍛件，并已研究成功投影面積 5. 16平方米的鈦合金模鍛件。另外,正在研發(fā)的 有：用等溫鍛造技術(shù)制造帶葉片的壓氣機(jī)整體葉盤(pán)轉(zhuǎn)子；用粉末冶金超塑熱等靜壓和等溫鍛造精化技術(shù)制造具有無(wú)偏析超細(xì)品粒及難以成形的鍛件毛坯，材料利用率可提高4倍。精密鍛造精度和質(zhì)M主要依黑訃算機(jī)對(duì)鍛造過(guò)程進(jìn)行控制，以獲取最佳的鍛件精度和質(zhì)(3) 熱障涂層技術(shù)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中將大M采用以熱障涂層技術(shù)為代表的先進(jìn)涂層技術(shù)。熱端部件采

7、用熱障涂層以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其中有陶瓷涂層和多層隔熱層。陶瓷熱障涂層需先在零件表面噴涂MCrALY底層以提高結(jié)合強(qiáng)度。多層復(fù)合隔熱涂層是在 基體金屬表面釬焊一層柔性金屬纖維結(jié)構(gòu)，可減少冷卻氣流80%o渦輪工作葉片和 導(dǎo)向器的隔熱涂層采用低壓等離子噴涂涂敷，也可以采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)涂敷。發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件均采用封嚴(yán)涂層、耐磨和防腐蝕涂層。涂敷方法多采用等離子噴涂、火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂和真空等離子噴涂。北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心的胡聘聘、陳品陽(yáng)、馮強(qiáng)等人分別就 Mo和Ru對(duì)銀基單品合金組織及持久性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明 Mo的添

8、加提高了 Y相的體積分?jǐn)?shù)和錯(cuò)配度，并促進(jìn)筏排組織的形成，有利于合金持久性能的提高，但由于Mo促進(jìn)TCP相的大M析出，從 而使合金的持久專(zhuān)命降低。另一項(xiàng)試驗(yàn)中，1100C、140 MPa條件下持久性能測(cè) 試表明，Ru顯著提高合金的持久專(zhuān)命，這與Ru增加合金中的丫 相體積分?jǐn)?shù)和Y /Y '點(diǎn)陣錯(cuò)配度， 促進(jìn)筏排組織的形成，并減小時(shí)效組織中的 Y通道寬度有關(guān)。沈陽(yáng)中科三耐新材料股份有限公司和中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的劉鳴、姜衛(wèi)國(guó) 等人報(bào)道了復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心高壓渦輪導(dǎo)向葉片精密鑄造工藝，他們對(duì)雙聯(lián)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空心高壓渦輪葉片的精密鑄造工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用硅基陶瓷型芯為主芯并組合石英管，使制備空心

9、葉片鑄造用陶瓷型芯工藝過(guò)程明顯簡(jiǎn)單化，提高了陶瓷型芯的成品率。采用該型芯成功制備了合格的雙聯(lián)空心高壓渦輪葉片。中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所的張志強(qiáng)、宋文興、陸海鷹等人在熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用研究一文中詳細(xì)研究了陶瓷熱障涂層的材料與制備方法，介紹了熱障涂層的基本原理和主要工藝特點(diǎn)，他們解決了熱障涂層在噴涂過(guò)程中所產(chǎn)生的堵塞氣膜孔、減小排氣面積、降低疲勞性能、遮擋等方面的難點(diǎn)問(wèn)題，給出了熱障涂層葉片在試驗(yàn)和試車(chē)中的考核結(jié)果。圖I熱障涂層工作原理四、我校在該領(lǐng)域的特色和優(yōu)勢(shì)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料的研制領(lǐng)域，北京科技大學(xué)新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心具有得天獨(dú)厚的

10、優(yōu)勢(shì)，在新金屬結(jié)構(gòu)材料、新金屬功能材料、材料制備新技術(shù)新工藝方面具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在高溫耐熱合金方面，曾開(kāi)發(fā)出具有我國(guó)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)材料一高溫高性能高錠鈦鋁合金材料，并且即將步入產(chǎn)業(yè)化階段，這一技術(shù)將使我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料居世界領(lǐng)先水平。 參考文獻(xiàn)1吳立強(qiáng)，尹澤勇，蔡顯新等？航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化J?航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005, 20(5) : 795-801.2李偉，史海秋.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片疲勞-蠕變專(zhuān)命試驗(yàn)技術(shù)研究J.航空動(dòng) 力學(xué) 報(bào)，2001, 16(4): 323-326.3倪萌，朱惠人，裘云等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)綜述J.燃?xì)廨啓C(jī)技 術(shù)， 200

11、5,18(4) : 25-33, 38.4隋育松，徐可君，江龍平等.陶瓷涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面處理中的應(yīng)用J.材料保護(hù)，2001, 34 (3) : 38-40.5董志國(guó)，土鳴，李曉欣等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料的應(yīng)用與發(fā)展C. 第十 二屆 中國(guó)高溫合金年會(huì)論文集.2011:455-457.6何玉懷，蘇彬.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用材料力學(xué)性能狀況分析J.航空發(fā) 動(dòng)機(jī),2005,31(2): 51-54, 58.7霍武軍，孫護(hù)國(guó).先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片涂層技術(shù)J.航空科學(xué)技術(shù)，2001, (3): 34-36.8張志強(qiáng)，宋文興，陸海鷹等.熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用研究J.航空發(fā)動(dòng)

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