航空發(fā)動機構(gòu)件的主要特點:
一是使用溫度高,要求材料的耐熱性(高溫持久強度、抗蠕變性、抗氧化性和阻燃性)好;
二是轉(zhuǎn)動部件(盤件、葉片)要求斷裂韌性、疲勞性能好,損傷容限高。
發(fā)動機的一個重要性能指標是“推重比”,即發(fā)動機產(chǎn)生的推力與其自身重量之比。推重比越高,發(fā)動機的性能越好。工作溫度越高,發(fā)動機熱效率越高。提高推重比,必須提高渦輪前進氣的壓縮比(進氣量指標)與進氣溫度。提高推重也必須提高發(fā)動機材料高溫下的比強度和比剛度,減輕發(fā)動機自身的質(zhì)量。據(jù)計算,當(dāng)壓縮比達到15∶1時,壓氣機的出口溫度為590℃,而當(dāng)壓縮比達到25∶1時,壓氣機的出口溫度就達到620℃~705℃,需要耐熱性非常好的鈦合金。實驗證明,常規(guī)鈦合金(α,近a和α+β型鈦合金)能用于600~650℃以下,為制造推重比10以上的先進發(fā)動機,需要開發(fā)鈦基復(fù)合材料和以Ti3Al(a2型)、TAl(γ型)金屬間化合物為基的鈦合金。
不大量選用鈦合金作零部件,就不可能獲得高推重比的發(fā)動機。美國第三代戰(zhàn)斗機(F15、F16等)選用的動力裝置是推重比為8左右的F100-PW100燃氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,用鈦量為25%~30%。第四代戰(zhàn)機F-22選用推比10發(fā)動機。高推比發(fā)動機中,鈦合金的用量已占發(fā)動機質(zhì)量的25%~40%。國外用得最多的高溫鈦合金有IMI834(英)、Ti-1100(美)、BT35(俄)、Ti-6242S、Ti-6246、Ti-17、Ti-811和AlloyC(阻燃)鈦合金。在我國,研究出了一種稱為TD2(TIAl-Nb-Mo-V)的TiAl基合金,它可在600℃~700℃下長時工作,用做渦輪導(dǎo)風(fēng)板和渦輪結(jié)合環(huán)。
下面簡要介紹幾種先進發(fā)動機的用鈦情況:
1、V2500噴氣發(fā)動機V2500是英國、日本、美國、德國、意大利5國共同開發(fā)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。“V”字表示五個國家的意思,美國(普惠公司)負責(zé)高壓渦輪、燃燒器,英國(羅公司)負責(zé)高壓壓氣機;日本(航空發(fā)動機協(xié)會)負責(zé)風(fēng)扇、低壓壓氣機;德國和意大利負責(zé)齒輪箱。V2500是雙軸渦輪風(fēng)扇發(fā)動機,推力113kN(2.5萬磅力),發(fā)動機重2.2t(4942磅)??傮w壓縮比為36.5,它是先進材料技術(shù)、電子技術(shù)和加工技術(shù)的集成。具有低油耗、低噪音等特點,節(jié)油率達14%。
V2500發(fā)動機的用鈦量達31%。最大的鈦合金部件是風(fēng)扇機匣,直徑1700mm,長1150mm,前殼體與后殼體分開制做,最后用激光焊接成一個整體。風(fēng)扇盤、壓氣機盤、圓形護環(huán)、軸承支座、壓氣機葉片等都采用鈦合金。大都為Ti -6Al-4V合金。在高壓壓氣機的3~6級,因溫度較高,使用IMI550鈦合金(Ti-4Al-4Mo-2Sn-4.5Si)。該合金添加了Si元素,抗蠕變性能優(yōu)良。
V2500渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的低壓壓氣機盤(最大直徑900mm).和風(fēng)扇外殼,采用三次真空熔煉的Ti-6Al-4V。
空客 A320和 MD-90等民航機采用V2500發(fā)動機。估計這種發(fā)動機訂貨量在15年內(nèi)將達到5000臺。在生產(chǎn)過程中,發(fā)動機將不斷改進,其推力也會不斷提高,計劃由113 kN提高到149kN,以適應(yīng)180座大型遠程客機發(fā)展的需要。
2、GE90發(fā)動機 美國PCC公司制造的GE90發(fā)動機風(fēng)扇機匣,直徑達2m,是世界最大的精密鈦鑄件。典型的鈦精鑄件有Ti6242整體精鑄機匣,整體精鑄Ti-6Al-4V定子,風(fēng)扇框架和發(fā)動機支承件。
3、推比15~20渦扇發(fā)動機 美國綜合高技術(shù)性能發(fā)動機技術(shù)計劃(IHPTET)提出,要在2020年前后研制出推重比15~20渦扇發(fā)動機,裝備高性能的軍機。該機可在21000 m高空飛行,M數(shù)3~4,載彈量1t,作戰(zhàn)半徑1850km。
可以看出,在未來的先進發(fā)動機中,TiAl基合金及其復(fù)合材料占有重要地位。用TiAl基復(fù)合材料制造的無盤結(jié)構(gòu)壓氣機轉(zhuǎn)子(鼓筒式轉(zhuǎn)子)同現(xiàn)有壓氣機轉(zhuǎn)子相比,將減重20%。
航空發(fā)動機用的鈦材主要是鈦鍛件(餅材、環(huán)材)和棒材。鍛餅用做發(fā)動機壓氣機盤件,棒材用做壓氣機葉片,環(huán)材用做機匣。另外,機匣也常采用精密鑄造工藝生產(chǎn)。
美國IHPTET計劃中推重比15~20發(fā)動機用鈦材鈦材系統(tǒng)技術(shù)指標704~982℃壓氣機使用部位葉片、機匣、非承力件TiAl化合物纖維/TIAl 復(fù)壓氣機無盤轉(zhuǎn)子、空心葉片1 704~982℃合材料TiAl基復(fù)合材承溫結(jié)構(gòu)件噴管(無冷卻)>982℃考鈦基合金燃燒系統(tǒng)>650℃機匣從表
國外幾種軍用航空發(fā)動機的用鈦情況見表7.5-2,我國軍用航空發(fā)動機的用鈦量見下表: