涡轴发动机先进材料

机工

来源：国际航空

　　涡轴发动机热力循环原理和大型涡轮发动机基本相同，其设计要求主要有高功重比、低耗油率、长寿命、高可靠性和低全生命周期成本。与大型航空发动机相比，涡轴发动机具有“尺寸效应”突出、结构紧凑、转速高、使用条件恶劣等特点。

图：罗·罗公司涡轴发动机涡轮叶片材料的发展

　　涡轴发动机已发展至第四代，同时也在积极研发第五代涡轴发动机。据相关权威机构预测，在未来提高航空发动机性能的因素中，材料与制造技术的贡献率将达到50%~70%。

　　压气机材料

　　钛合金由于具有比强度和比刚度高、耐腐蚀性能优异的特点，已被广泛用于涡轴发动机压气机盘、叶片、叶盘及机匣等零件的制造，其中TC4(Ti-6Al-4V)的应用最为成熟，而Ti-6242S具有强度、蠕变、韧性和热稳定性的最好结合，为第三代、第四代涡轴发动机离心叶轮优先选用。涡轴发动机用钛合金正在向中温高强度和高温(约600℃)方向发展，Ti-6246、IMI834的应用前景良好。

　　钛合金高温氧化性能不好，在一定的压力、温度和流量条件下存在钛火的隐患，因此强度高、密度低、阻燃性能好、使用温度达600~800℃的钛铝合金及其复合材料受到了重视，可以代替不锈钢、高温合金或钛合金。针对未来涡轴发动机的需要，在相关的研究计划中正在开展钛铝合金及其复合材料的应用研究。

　　目前，铝合金也是涡轴发动机的主要材料之一，ZL105A(C355)、ZL114A(A357)被用于精密铸造且工作温度不超过200℃的粒子分离器、进气机匣和附件机匣等复杂薄壁结构件。而密度更低、承温能力更高的树脂基复合材料则是高功重比涡轴发动机中替代铝合金的理想材料。

　　燃烧室材料

　　涡轴发动机一般采用环形回流燃烧室，其火焰筒需冷却的壁面积较大，由于冷却空气受限，故高温火焰筒的壁温相对较高(约900℃)。火焰筒在高温、燃气腐蚀、冷热交变和振动等恶劣条件下工作，要求材料具有优良的抗氧化性和耐疲劳性能、好的蠕变强度和工艺性。目前涡轴发动机火焰筒均选用固溶强化的镍基或钴基高温合金。GH3536(Hastelloy-X)在航空发动机上应用较广、成本较低，可优先用于最高壁温不超过950℃的火焰筒。GH3230(Haynes230)具有优良的综合性能，是最高壁温在1000~1050℃的火焰筒的理想材料。

　　对于高功重比(超过12)涡轴发动机，考虑到壁温的升高超过了金属材料的承受能力，同时也为了减重，业界在20世纪90年代开始发展陶瓷基复合材料火焰筒，美国已在JTAGG第三阶段核心机上进行了验证试验，日本也开展了无冷却陶瓷基复合材料回流火焰筒的试验研究。研究结果表明，陶瓷基复合材料火焰筒在未来高功重比涡轴发动机上有极大的应用潜力。

　　涡轮叶片材料

　　涡轴发动机工作时，涡轮叶片的工况最为苛刻，直接暴露于上千摄氏度的高压、高速燃气流中，同时承受高温、复杂应力、热疲劳、燃气腐蚀等因素的综合作用。而且涡轴发动机涡轮叶片的尺寸小、结构复杂(有些含冷却气路)、形式多样(多联、整体)。因此，承温能力(熔点)、密度、中高温蠕变性能、热疲劳性能、抗氧化耐腐蚀性能、长时组织稳定性及工艺性能等是评价涡轮叶片材料的主要依据。

　　经过半个多世纪的技术发展及应用，当前铸造高温合金已占据了涡轴发动机涡轮叶片材料的主导地位。随着涡轴发动机性能的不断提高，涡轮叶片材料也相应地从等轴晶合金发展到定向柱晶合金和单晶合金。

　　完全消除晶界的单晶合金具有很高的承温能力(1100~1200℃)，多应用于燃气涡轮的导向叶片和工作叶片。只存在纵向晶界(基本消除了垂直于主应力方向晶界)的定向柱晶合金的综合性能较好，二代定向柱晶合金的高温蠕变强度与一代单晶相当，且带复杂冷却结构的空心涡轮工作叶片的铸造合格率更高。虽然等轴晶合金的高温性能存在不足，但其铸造工艺性好、成本低，故在航空发动机的整体涡轮导向器、动力涡轮工作叶片上仍得到广泛应用。T700系列涡轴发动机的燃气涡轮叶片材料由采用等轴晶合金、定向合金，发展到采用单晶合金。

　　目前，涡轴发动机涡轮叶片材料的发展重点是低密度高性能单晶合金，主要是8.0g/cm3左右的一代单晶，8.3g/cm3左右、含铼3%的二代单晶以及密度小于8.8g/cm3的四代单晶(含铼6%、钌3%)。第三代单晶合金含铼6%，密度较大(9.0g/cm3)。对于定向柱晶合金和等轴晶合金，则注重性能的改进、提高及降低成本。为了满足未来先进涡轴发动机的需求，需要重点研究铌基合金、单体陶瓷、陶瓷基复合材料等超高温材料。

　　涡轮盘材料

　　涡轮盘属于涡轴发动机的限寿件，工作在高温、高转速的复杂高负荷条件下，为了满足强度、寿命及可靠性需要，涡轮盘材料既要追求高的拉伸屈服强度，又要具有良好的蠕变抗力，同时还要充分考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率，而要在这几方面达到平衡难度比较大。涡轮盘制备有铸锻工艺和粉末冶金(P/M)工艺两种技术途径。变形工艺技术成熟、成本低，P/M工艺则用于高合金化、铸锭偏析严重、压力加工成型困难的高温、高强材料。

　　涡轮盘用合金的强度越来越高，P/M工艺应用越来越广泛。实际上，涡轮盘用合金的承温能力从650℃(第一代粉末高温合金)提高到了750℃(第二代粉末高温合金)，正向815℃(第三代粉末高温合金)方向发展。涡轮盘材料的发展方向是高温、高强及损伤容限，三代粉末高温合金在高功重比涡轴发动机上的应用前景是制造带单晶叶片的整体涡轮叶盘。

　　俄罗斯一般采用变形工艺制造的Эп742、ЭК79、ЭК152涡轮盘;目前，欧美涡轴发动机涡轮盘选用的主要材料牌号是In718(GH4169)、Rene95(FGH95)、U720Li。In718(GH4169)的最高工作温度为650℃，一般采用高强度变形工艺制备，在动力涡轮盘上应用较多;Rene95(FGH95)为粉末高温合金，是650℃下强度最高的高温合金，用在T700系列发动上;U720Li的钛铝合金含量高达7.5%，强度水平与Rene95相当，最高工作温度可达750℃，且具有较好的损伤容限性能。对于小尺寸盘件可采用变形工艺，P/M工艺则可获得更好的性能，是先进涡轴发动机涡轮盘的理想材料。

　　涂层

　　涂层可以显著影响涡轴发动机的性能、使用寿命及可靠性，钛合金叶片抗冲蚀涂层、气冷单晶叶片热障涂层(TBC)、高性能可磨耗封严涂层是必须重点关注的方向。

　　使用经验表明，抗冲蚀涂层能够有效地提高耐磨性差的钛合金叶片抵抗沙尘及外物损伤的能力，扩展直升机的使用地域范围。TBC是第四代涡轴发动机的必备技术，已应用于T800、MTR390发动机中。减少叶尖与机匣或外环间隙的气路封严技术已成为提高涡轴发动机性能的重要手段，可磨耗封严涂层因为封严效果好而得到广泛应用，如用于压气机的铝硅-氮化硼(AlSi-BN)封严涂层、用于燃气涡轮外环的多层隔热封严涂层。涡轴发动机涂层主要采用热喷涂工艺和气相沉积等工艺制备。此外，先进的易磨减震材料、高温密封材料等非金属材料也是涡轴发动机不可或缺的。

YANG20099

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