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* * * 无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度上取决于发动机的水平,而高温结构材料又发动机的核心材料。在航空涡轮发动机上,高温材料主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等四大零件。 F119发动机(F/A-22用) 15oC 200oC 550oC 880oC 1800oC 航空发动机 航空发动机 1) 燃烧室:燃料与高压空气混合燃烧的地方。所产生的燃气温度在1500~2000℃之间。 燃烧室主要由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套等组成。 燃烧室壁部材料承受温度可达800~900℃以上,局部可达1100℃。燃烧室壁除受高温外,还承受由于内外壁温度不同引起的热应力作用。特别是在起飞、加速和停车时,温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷却,热应力可达很大值,燃烧室常出现变形、翘曲、边缘热疲劳裂纹等。 用作燃烧室材料的合金除承受急热急冷的热应力和燃气的冲击外,不承受其他载荷。因此,燃烧室材料的工作特点是温度高、热应力大而机械应力小,常用易成形、可焊接的高温合金,如新型镍基合金板材制造,代表性的有GH1140、GH3030、GH3039等等。 发动机涡轮 组成 静子(导向器) 静子叶片 内、外环 转子(导向器) 工作叶片 盘 轴 排列方式 静子在前 转子在后 2) 导向叶片 又称导向器,是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件,是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100℃,但叶片承受的应力比较低,一般在70MPa以下。对材料要求是:高温强度好,热疲劳抗力佳,抗氧化、耐蚀性优异,并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性。 目前用作导向叶片的合金大多数采用熔模铸造生产,尤其是采用空心铸造叶片(K214、K232、K406),除此之外,还采用定向凝固工业生产出定向合金(DZ3、DZ5)和单晶合金(DD3、DD402),使合金的持久强度、热疲劳性能大大提高,使用温度提高,并且有较好的薄壁性能。导向叶片通常的失效方式为热应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的热疲劳裂纹以及局部的烧伤。 空心铸造叶片 3) 涡轮叶片 也叫动叶片,是涡轮发动机中工作条件最恶劣的部件,又是最重要的转动部件。涡轮叶片承受气动力和离心力的作用,叶身部分承受拉应力大约140MPa;叶根部分承受平均应力为280~560MPa,相应的叶身承受温度为650~980℃,叶根部分约为760℃。 燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能要求: 高的抗氧化能力(即高的热稳定性) 足够的热强性(即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力) 满意的塑性和韧性; 更高的热疲劳性(即对能引起热应力的热交换的敏感性要低) 足够高的低循环疲劳强度 良好的耐蚀能力(保持叶片的空气动力性能) 高的导热性和低的热膨胀系数 良好的工艺性能(即良好的焊接性能,锻造性能及铸造性能等) 3) 涡轮叶片 用作制造航空发动机涡轮叶片的材料有时效强度型镍基变形高温合金、精铸、定向和单晶合金,典型牌号有GH4033、GH4037、K403、K417、DZ3、DZ22、DD402、DD3、DD6等。 复杂结构的单晶涡轮叶片 4) 涡轮盘 涡轮盘是航空发动机上很重要的转动部件,在四大类部件中所占重量最大(大型涡轮盘单件质量达几百公斤)。 航空发动机粉末涡轮盘 4) 涡轮盘 航空发动机涡轮盘工作温度在760℃左右,轮缘部分可达此温度,而径向盘心温度逐渐降低,一般在300℃左右。轮盘正常运转时,盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。每当发动机起动和停车过程中,都构成一次大应力低周疲劳。 用作涡轮盘的合金绝大多数是屈服强度很高的、晶粒细小的铁基或镍基高温合金。典型合金有GH2132、GH2135等,其使用温度可达650~700℃。 涡轮喷气发动机的结构和沿轴线的压力与温度分布 高温结构材料的工作特点: 高温 高载荷(应力) 高氧化腐蚀 高性能重量比 高可靠性与长寿命 要求: 较高的热稳定性 高的热强度 高的热疲劳性能 足够的塑性和韧性 高的导热性和低的热膨 胀系数 良好的工艺性 可承受的最高温度 高温比强度与比寿命 抗高氧化能力 韧性 导热性 加工 高温结构材料的选择出发点: 涡轮发动机用材所需性能六坐标平衡图及替代材料与高温合金性能的比较 ● 随着航空发动机的发展,各种材料在发动机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化成冷端以钛为主、热端以镍为主的 镍、钛、钢“三国鼎立”的时代。未来的趋势是部分地被树
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