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小型涡喷发动机制造材料总结

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发表于 2013-12-23 13:00:40 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 wyz669 于 2013-12-25 00:21 编辑

我是王开心,欢迎大家加入CHNJET中国喷气爱好者原地!介于大家对小型涡喷发动机的热爱以及对制造一个属于自己小型涡喷发动机的追求,在此我写下这点总结以备大家在制造和生产小型涡喷发动机的过程中对于制造材料产生疑惑时做以参考,同时在这里也纠正一些刚刚了解到涡喷发动机和金属材料的朋友们的一个直观错误:选择耐高温材料并不单单只看这个金属材料的熔点,而是应多方面考虑到这个金属材料的蠕变强度,热疲劳性,高温抗氧化性以及高温下金属会产生晶粒长大效应等等因素。


相关名词的解释说明——晶粒长大效应:晶粒长大是金属的一种缺陷,晶粒越大,晶界越少,晶界少了金属各部分抵御外界的能力就变小了,因此晶粒长大效应是判断金属在高温下性能好坏的重要指标。


大家在制造小型涡喷发动机的过程中最能接触到的金属材料我总结为以下几种:304不锈钢,316L不锈钢,310S不锈钢,NAS800NAS600K418耐高温合金。下面对上述几种材料在加工和生产中容易遇到的问题和使用中容易遇到的问题做以介绍。


首先304不锈钢,316L不锈钢,310S不锈钢,NAS800NAS600都属于“奥氏体不锈钢”奥氏体不锈钢具有很高的耐蚀性,良好的冷加工性和良好的韧性、塑性、焊接性和无磁性,下面我们就来分析一下这几种金属在制造微型涡喷发动机时所要了解到的一些特性。


SUS304
304不锈钢介绍:304不锈钢由于含碳量较低,因而有良好的加工成型性和抗氧化性,同时该钢具有良好的焊接性能,适用于各种方法的焊接(备注:该钢焊接后不需进行热处理工艺)。


304不锈钢的抗氧化特性:1,该钢在700-800℃氧化时具有优异的抗氧化性能,属于完全抗氧化级。2,该钢在900℃时表面形成的氧化膜开始脱落,属于抗氧化级。3,该钢在1000℃时属于次抗氧化级。304不锈钢管最高使用温度在750-860度但是,实际上达不到860度这么高。450度时有个临界点,情况如下:304不锈钢不易保持在450860度,因为在450度以上的时候,会稀释碳周围的铬,形成碳化铭,造成贫铬区,从而改变不锈钢性能材质;而且,450的温度外加屈服力会使得奥氏体向马氏体转化。 说简单通俗一点,经常在450度以上环境下使用,304不锈钢的性能和结构都发生变化。


总结得出:304不锈钢在900℃以下的热空气中具有稳定的抗氧化性,同时在900℃时304不锈钢具有较小的晶粒尺寸,在800-1000℃时产生了奥氏体晶粒长大效应,加温为1000℃时,晶粒的平均截距开始增大。所以在制造小型涡喷发动机时如果设计温度在600-900℃时不建议长期使用304不锈钢。但是,在模友制造过程中如果受到经费的限制可以考虑用304不锈钢制造一个低推力的小型涡喷发动机的主轴,燃烧室及尾喷口。


SUS316L
316L不锈钢的抗氧化特性:1,该钢在700-900℃属于完全抗氧化级。2,该钢在1000℃时属于不抗氧化级。

总结得出:316L不锈钢在800-1000℃时产生了奥氏体晶粒长大效应,在1000℃时晶粒平均截距开始增大,所以在此温度316L不锈钢的金属性能开始下降产生脆化不再适合持续工作。同时316L不锈钢使用过程中受温度影响较大,因此,在制造小型涡喷发动机时不推荐使用316L不锈钢。



SUS310S
310S不锈钢介绍:310S不锈钢是奥氏体不锈钢,具有很好的抗氧化性和蠕变强度,在高温下能持续作业具有良好的耐高温性(备注:该合金钢中含有较高百分比的铬和镍)


310S不锈钢特性:1,该钢有着优秀的抗氧化性。2,该钢使用温度在1000℃以下。3,该钢在高温使用时强度高。4,该钢有着奥氏体不锈钢所具有的无磁性和良好的焊接性。同时,310S不锈钢适用于各种炉用构件,最高工作温度位1200℃,连续使用温度为1150℃。


总结得出:310S不锈钢能适应严重氧化环境和高温环境,鉴于已经拥有相对推力较小的小型涡喷发动机的朋友的ECU数据中得出,小推力涡喷发动机的燃烧室可持续最高温为800度左右。所以在制造小型涡喷发动机时310S不锈钢能够良好的胜任涡喷发动机的主轴,燃烧室,尾喷口及涡轮级的静子和转子部件,是大家在制造小型涡喷发动机的过程中的首选材料。同时该钢的价位相对于更高级的镍基合金材料也更为优惠。


NAS800UNS NO8800
NAS800介绍:NAS800是高镍耐热钢,在高温下具有优良的强度、耐腐蚀性和耐氧化性,在高温环境下具有相当高的组织稳定性。800H是一种通过高温热处理控制晶粒生长以及对CTiAl含有量的控制,从而达到极高蠕变强度的合金。熔点为:1357-1385℃


NAS800高温特性:由于NAS800其NiCr含量高,因此在高温环境下,对氧化以及渗碳的耐受性高,耐氧化性优于SUS 310S,甚至接近NAS 600。具有良好的高温强度,几乎与NAS 600相当,且在使用过程中不会析出σ相而导致脆化,广泛用作耐热材料。一般在600℃以下的温度环境下采用NAS 800,而在更高的温度环境下,且对蠕变性能特性有要求时,则采用NAS 800H/NAS 800T


NAS800用途:广泛应用于各种化工成套设备、热处理炉、以及在高温环境下使用的材料。


总结得出:NAS800镍基合金适用于制造小型涡喷发动机的燃烧室和主轴等部件。但由于价格相对昂贵不推荐刚刚接触和了解小型涡喷发动机的模友直接使用。




NAS 600 (UNS N06600)
NAS600介绍:NAS600是含14-17%Cr的镍基合金,在高温下具有极佳耐氧化性,属于高级耐热合金。并且,对各种酸和碱环境具有极佳的耐腐蚀性,作为一种耐腐蚀合金得到广泛应用。熔点为:1371-1427℃


NAS600高温特性:高温下耐氧化性极佳,除了长期连续的空气氧化环境之外,也可用在各种不同环境。对氮、氢以及渗碳也具有极佳耐受性,可用于各种热处理炉。但容易受到潮湿的氯气,溴气的浸浊,必须加以注意。各种环境下的使用温度标准如下。长期连续的空气氧化环境 1100℃


NAS600用途:核电成套设备、热交换器、各种化工用蒸发罐、酸及碱工业用机器、热处理炉部件、补燃器部件、以及在高温环境下使用的其他部件。


总结得出:NAS600镍基合金适用于制造小型涡喷发动机的燃烧室和主轴等部件。但由于价格相对昂贵不推荐刚刚接触和了解小型涡喷发动机的模友直接使用。


K418高温合金
K418主要特征:在900℃以下具有良好的抗蠕变强度,热疲劳性能和抗氧化性能。在高温800℃下,其抗拉强度几乎不变。


K418用途举例:适合于在900℃以下工作的燃气轮机的涡轮转子叶片,导向器叶片和整铸涡轮级及其他高温零件。


建议:由网络资料得知增压涡轮结构复杂,叶片截面变化大,叶梢最薄处甚至仅为0.3mm因此采用K418合金浇注增压器涡轮时,叶片极易出现热裂。作为高温合金铸件,热裂是常见的铸造缺陷之一,导致铸造涡轮叶片毛培报废率极高,这一问题的存在制约着铸件产品的质量的提高。(来自网络论文)

加工K418应考虑的事项:1 刀具必须选用耐磨损尤其是要有足够的高温硬度的刀具。2 在保证刀具强度的条件下,应尽量选择较锋利的刀刃既前角较小后角较大刀尖半径尽量小。3 切削速度应选用较低,进给量选用中等偏小。4 充足的冷却(建议:有条件的爱好者可以选择液氮冷却数控加工床)5 切削设备应选用高刚性,大功率设备。


总结得出: K418高温合金完全可以应对小型大推力涡喷发动机的燃烧室,主轴,以及涡轮的铸造,但由于其价位相对较高,对于刚刚接触和了解到小型涡喷发动机的模友们不推荐直接使用。


以上内容为本人原创,其中数据多来源于网络和相关书籍,本人只做以总结方便以后大家查阅。由于本人知识程度有限,内容有可能不全面或有错误,如发现当中错误或者有新的建议请及时提出。谢谢!

补充1:2楼朋友提出一种新的材料40CrNiMo4合金钢
40CrNiMo4合金钢介绍:有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性,但白点敏感性高,有回火脆性。焊接性较差,焊前需经高温预热,焊后需消除应力,经调质后使用。一般制作强度高、塑性好的重要零部件,氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件,如轴类、齿轮、紧固件等。

名词解释 白点敏感性所谓白点敏感性,就是衡量钢材加工中产生缺陷口的容易程度,是衡量氢含量的指标,越高则越敏感。白点对钢的性能的影响:使钢的机械性能大大下降,造成工件开裂、破坏或使用中严重失效,故在任何情况下,凡有白点缺陷的钢材或工件都被禁止使用。

总结:该材虽有良好的力学性能,并且非常适用于制作高强度涡喷主轴部件,但由于材料处理时注意事项颇多,加工时比较困难,在没有专业设备的情况和条件下不推荐使用该材料进行加工制造。


补充2,由liumy先生提出的材料40CrMn合金结构钢
40CrMn合金结构钢介绍:40Cr合金结构钢调质处理后,具有良好的综合机械性能,良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性且钢的淬透性良好.广泛用于制造杆轴、曲轴、连杆、连杆盖、螺栓.齿轮等机械制造业的零件.在航空工业、汽车工业、国防工业以及国民经济等领域中也有广泛应用.


40CrMn合金结构钢化学成份:
C 0.370.44 Si0.170.37 Mn0.500.80
S :允许残余含量≤0.035 P :允许残余含量≤0.035 Cr0.801.10
Ni:允许残余含量≤0.030 Cu:允许残余含量≤0.030

40CrMn合金结构钢力学性能:
抗拉强度 σb (MPa):≥980(100) 屈服强度 σs (MPa):≥785(80) 伸长率 δ5 ():≥9
断面收缩率 ψ ():≥45 冲击功 Akv (J):≥47
冲击韧性值 αkv (J/cm2):≥59(6) 硬度 :≤207HB
试样尺寸:试样毛坯尺寸为25mm

总结:40CrMn合金结构钢用于较重要的调质零件,如交变负荷下工作的零件、中等转速和中等负荷的零件。表面淬火后可作负荷和及耐磨性较高、而无很大冲击的零件,如齿轮、套筒、轴、曲轴、销子等部件有着非常优异的性能,如果拥有专业的加工设备和条件的小型涡喷发动机爱好者可以优先选择使用40CrMn合金结构钢来制造发动机的主轴零件。


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发表于 2013-12-23 13:24:01 | 显示全部楼层
40CrNiMo4:GR180作者--杰罗德-鲁顿极力推荐的涡喷轴材料

材料名称:合金结构钢
牌号:40CrNiMo4
标准:GB/T 3077-1988
40CrNiMo4●特性及适用范围:
有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性,但白点敏感性高,有回火脆性。焊接性较差,焊前需经高温预热,焊后需消除应力,经调质后使用。一般制作强度高、塑性好的重要零部件,氮化处理后制作特殊性能要求的重要零件,如轴类、齿轮、紧固件等。
40CrNiMo4●化学成份:
40CrNiMo4合金结构钢
40CrNiMo4合金结构钢
碳 C :0.37~0.44
硅 Si:0.17~0.37
锰 Mn:0.50~0.80
硫 S :≤0.025
磷 P :≤0.025
铬 Cr:0.60~0.90
镍 Ni:1.25~1.65
铜 Cu:≤0.25
钼 Mo:0.15~0.25
240CrNiMo4力学性能:

抗拉强度 σb (MPa):933~1011
条件屈服强度 σ0.2 (MPa):832~899
伸长率 δ5 (%):19~20
断面收缩率 ψ (%):53~64
冲击功 Akv (J):117
冲击韧性值 αku (J/cm2):144~172
硬度 :274~303HB
试样尺寸:光滑试样
40CrNiMo4●热处理规范及金相组织:
热处理规范:900℃正火,850℃油淬,620℃回火,油冷。
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 楼主| 发表于 2013-12-23 13:40:22 | 显示全部楼层
cai鸟先飞 发表于 2013-12-23 13:24
40CrNiMo4:GR180作者--杰罗德-鲁顿极力推荐的涡喷轴材料

材料名称:合金结构钢

好的,帖子我会不定期的更新。谢谢您宝贵的建议!
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发表于 2013-12-23 17:22:34 | 显示全部楼层
{:soso_e142:}
知识性好贴啊
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 楼主| 发表于 2013-12-23 23:32:45 | 显示全部楼层

谢谢 谢谢。。。
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发表于 2013-12-24 08:57:18 来自手机 | 显示全部楼层
涡喷基础帖
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发表于 2013-12-24 20:59:45 | 显示全部楼层
  一般小涡轮的主轴用40铭锰等高强度结构钢做,热处理后强度很好,二楼的帖子是对的。這种材料在渦轮增压器上是久经考验的。如果主轴的轴颈表面要提高奌硬度,高频加熱后很允易做到,但不锈钢做的主轴就不一样了。

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 楼主| 发表于 2013-12-25 00:17:04 | 显示全部楼层
liumy 发表于 2013-12-24 20:59
一般小涡轮的主轴用40铭锰等高强度结构钢做,热处理后强度很好,二楼的帖子是对的。這种材料在渦轮增压 ...

非常感谢liumy先生的回复,从您的帖子中我们一直能学习到许多知识,您提出的这个材料我以进行资料查阅并重新整理编辑在原帖当中。再次感谢您的回帖 如有新的知识或新的材料 务必请您再发贴告知!非常感谢您!
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 楼主| 发表于 2013-12-25 00:24:08 | 显示全部楼层
liumy 发表于 2013-12-24 20:59
一般小涡轮的主轴用40铭锰等高强度结构钢做,热处理后强度很好,二楼的帖子是对的。這种材料在渦轮增压 ...

liumy先生 我还有一个疑问 当初我曾想过用45号钢进行热处理后来制作涡喷发动机的主轴部件 您看这个方法可行吗?
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发表于 2013-12-25 20:05:54 | 显示全部楼层
  先生,小渦喷主轴热处理后一般要求硬度在40~45左右,太硬易断,硬度不够易弯。用45号钢再进行热处理我没做过,(一般沒人做)這材料性能很差一般不用热处理工艺,就是调貭后也达不到要求。
  市场上做小渦喷主轴材料很便宜的,用不着再换其他。
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