航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展水平是一國(guó)綜合國(guó)力、工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平的集中體現(xiàn)，它的研制集中了現(xiàn)代工業(yè)最尖端的技術(shù)、最先進(jìn)的工業(yè)成果。今天躍谷小編就為您揭秘，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上所用的材料。
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的先進(jìn)金屬材料
鋁合金
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鋁合金具有比模量與比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是航空航天工業(yè)中用量最起著至關(guān)重要的作用。主要應(yīng)用位置：發(fā)動(dòng)機(jī)艙、艙體結(jié)構(gòu)、承載壁板、梁、儀器安裝框架、燃料儲(chǔ)箱等。
鈦合金
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與鋁、鎂、鋼等金屬材料相比，鈦合金具有比強(qiáng)度很高、抗腐蝕性能良好、抗疲勞性能良好、熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，可以在350~450℃以下長(zhǎng)期使用，低溫可使用到-196℃。主要應(yīng)用位置：航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片、機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和隔熱板等。
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超高強(qiáng)度鋼
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超高強(qiáng)度鋼具有很高的抗拉強(qiáng)度和足夠的韌性，并且有良好的焊接性和成形性。主要應(yīng)用位置：航天發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、軸承和傳動(dòng)齒輪。
如今，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷的提高，重量相比過去有了很大的減少，在依靠整體葉盤、整體葉環(huán)、空心葉片和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪等新穎結(jié)構(gòu)的同時(shí)，將會(huì)更看重高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的先進(jìn)材料。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料（鎳合金和鈦合金）雖然仍然可以進(jìn)一步發(fā)展，但它的發(fā)展空間已經(jīng)不大了，很難滿足未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)更加苛刻的溫度和重量要求。
現(xiàn)在，樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和C/C復(fù)合材料因?yàn)榫哂袃?yōu)良的低溫性能，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)等部件的候選材料。
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復(fù)合材料。在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性，已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料，并且在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)商品化。
金屬基復(fù)合材料
其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復(fù)合材料是目前主要選擇對(duì)象。如以碳化硅纖維增強(qiáng)欽合金基體復(fù)合材料可用來制造壓氣機(jī)葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂或鎂合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪風(fēng)扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強(qiáng)鎳基合金基體復(fù)合材料可用來制造渦輪及壓氣機(jī)用的密封元件。
金屬基材料
GE公司為聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃研究了鈦基復(fù)合材料的低壓軸，重量比inco合金減輕30%，剛性比鈦合金提高40%，且壽命和耐用性均有所改善。若F110發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種復(fù)合材料軸，重量可減輕68kg。在不久的將來，金屬?gòu)?fù)合材料將會(huì)取代鎳、鈦合金，成為未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料。
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陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由于其本身耐溫高、密度低的優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用呈現(xiàn)出從低溫向高溫、從冷端向熱端部件、從靜子向轉(zhuǎn)子的發(fā)展趨勢(shì)。
CMC材料具有耐溫高、密度低、類似金屬的斷裂行為、對(duì)裂紋不敏感、不發(fā)生災(zāi)難性損毀等優(yōu)異性能，有望取代高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環(huán)境下的使用，不僅有利于大幅減重，而且還可以節(jié)約甚至無須冷氣，從而提高總壓比，實(shí)現(xiàn)在高溫合金耐溫基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升工作溫度400～500℃，結(jié)構(gòu)減重50%～70%，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)換代的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)用材。
陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)
陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用在以下兩方面。
燃燒室部件：
早在90年代，GE公司和P&W公司就已經(jīng)使用陶瓷基復(fù)合材料制備燃燒室襯套，該襯套在1200℃環(huán)境下工作可以超過1000h。美國(guó)綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃用碳化硅基復(fù)合材料制備火箭筒，現(xiàn)已在第一階段得到驗(yàn)證。
Sic制備的燃燒室襯套
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CMC制備火焰筒
渦輪部件：
作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要的零件之一，渦輪葉片工作在燃燒室出口，是發(fā)動(dòng)機(jī)中承受熱沖擊最嚴(yán)重的零件，其耐溫能力直接決定著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升。陶瓷基復(fù)合材料密度低、耐高溫，對(duì)減輕渦輪葉片重量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大。目前，國(guó)外已成功運(yùn)用陶瓷基復(fù)合材料制備出耐高溫的渦輪葉片。
CMC渦輪葉片葉身
樹脂基復(fù)合材料
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強(qiáng)體、高性能樹脂為基體的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比，它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強(qiáng)度與比模量遠(yuǎn)高于后二者。
主要應(yīng)用位置：航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件（風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等）和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。
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外涵機(jī)匣：
與常規(guī)的鈦合金風(fēng)扇外涵機(jī)匣相比，在保證能夠執(zhí)行所有功能和承受整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)與飛行載荷的前提下，樹脂基復(fù)合材料制造的外涵機(jī)匣能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成本。
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復(fù)合材料與鈦合金機(jī)匣
GE公司的F404發(fā)動(dòng)機(jī)最早由鈦合金的外涵機(jī)匣改進(jìn)為PMR15復(fù)合材料的外涵機(jī)匣，達(dá)到了重量減輕30%和成本減少30%的效果。之后，GE公司又進(jìn)一步將這一技術(shù)應(yīng)用到F414增推型發(fā)動(dòng)機(jī)、GenX發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)上。
美國(guó)的普惠公司的F191和F135發(fā)動(dòng)機(jī)以及法國(guó)的斯奈克瑪公司的M88發(fā)動(dòng)機(jī)都采用樹脂基復(fù)合材料制造的外涵機(jī)匣。其減輕重量和降低成本的效果都很明顯。
?F404發(fā)動(dòng)機(jī)
F135發(fā)動(dòng)機(jī)
GenX的復(fù)合材料機(jī)匣
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靜子葉片：
與鈦合金的靜子葉片相比，樹脂基復(fù)合材料靜子葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上。同時(shí)，通過優(yōu)化纖維取向，復(fù)合材料靜子葉片的固有頻率可以被修正，以加大其許用機(jī)械和氣動(dòng)設(shè)計(jì)空間。
樹脂復(fù)合基葉片
普惠的PW4084和PW4168發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇靜子葉片采用PR500環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，其中，PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)直徑為3.04米的靜子重量減輕39%、成本減少38%。德國(guó)MTU公司在PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的高速低壓壓氣機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)流葉片和第一級(jí)或第二級(jí)可調(diào)靜子葉片采用PMC復(fù)合材料。這些葉片的抗外損傷能力、抗振動(dòng)特性、抗腐蝕性和結(jié)構(gòu)完整性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。
PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)
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轉(zhuǎn)子葉片：
復(fù)合材料的低密度和高強(qiáng)度特性不僅能減輕重量，而且能使轉(zhuǎn)子葉片具有3維氣動(dòng)設(shè)計(jì)形狀，像掠形葉片、弓形葉片。除了能降低制造成本外，復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片還具有脫落事故中表現(xiàn)出來的非破壞特性，進(jìn)而降低了包容要求。
碳纖維樹脂基轉(zhuǎn)子葉片
風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料不但可以明顯的減輕葉片本身的重量，還能減輕其包容系統(tǒng)、盤以及整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量，具有低成本、抗振性能好、抗損傷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高流量彎掠復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和有機(jī)物基材料風(fēng)扇機(jī)匣，還計(jì)劃將進(jìn)一步研究復(fù)合空心葉型高壓比風(fēng)扇。
GE90發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片
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C/C復(fù)合材料
碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3,僅為鎳基高溫合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200℃)其強(qiáng)度不僅不降低,甚至比室溫還高,這是其它材料所無法比擬的獨(dú)特的性能。
碳纖維復(fù)合材料
早在80年代初，美國(guó)就開始研制碳/碳渦輪盤和渦輪葉片，以后又先后進(jìn)行了F100飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管試驗(yàn)，JTD試驗(yàn)機(jī)低壓整體渦輪盤及葉片試驗(yàn)，還進(jìn)行可1760地面超速試驗(yàn)。德國(guó)、俄羅斯和日本已相繼成功研制渦輪外環(huán)和整體渦輪。
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碳纖發(fā)動(dòng)機(jī)葉片
目前盡管都認(rèn)為碳/碳材料是新型高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的可選材料,但國(guó)內(nèi)外都還沒有把碳/碳材料真正用于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,究其原因,關(guān)鍵是以下問題還未得到很好解決：
1、抗氧化問題,由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、溫度高,而碳材料在400℃以上就會(huì)開始氧化,這是一個(gè)尖銳矛盾。
2、碳/碳材料與傳統(tǒng)金屬材料在性能、結(jié)構(gòu)等方面均不相同,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)將不適用于碳/碳材料,必須根據(jù)該材料的特點(diǎn)進(jìn)行特殊、全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這方面的研究需要進(jìn)一步深入。
3、性能的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性是實(shí)用的前提,對(duì)于復(fù)合材料而言這是一個(gè)難點(diǎn),要求有相應(yīng)穩(wěn)定的工藝、增強(qiáng)體質(zhì)量、基體質(zhì)量、均勻性等一系列問題,尚需深入研究。
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碳纖維葉片
隨著對(duì)復(fù)合材料研究工作的不斷深入和科學(xué)家們的不斷探索，加之輔以持續(xù)改進(jìn)的生產(chǎn)和加工工藝，使復(fù)合材料應(yīng)用的普遍性、實(shí)用性、高效性得到了巨大的提高，應(yīng)用前景非常廣闊。但是不可忽視，現(xiàn)在復(fù)合材料在生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域還存在許多問題，而這些問題也在一定程度上限制了復(fù)合材料的發(fā)展。因此，對(duì)復(fù)合材料的研究仍將繼續(xù)下去。