鈦應用 | 航空發(fā)動機構(gòu)件研發(fā)，鈦合金必不可少

2022-12-08 11:29:59 來源：騾子科技

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簡介：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，當壓縮比達到15∶1時，壓氣機的出口溫度為590℃，而當壓縮比達到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。

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，當壓縮比達到15∶1時，壓氣機的出口溫度為590℃，而當壓縮比達到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，用做渦輪導風板和渦輪結(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)的渦輪風扇發(fā)動機。“V”字表示五個國家的意思，美國（普惠公司）負責高壓渦輪、燃燒器，英國（羅公司）負責高壓壓氣機；日本（航空發(fā)動機協(xié)會）負責風扇、低壓壓氣機；德國和意大利負責齒輪箱。V2500是雙軸渦輪風扇發(fā)動機，推力113kN（2.5萬磅力），發(fā)動機重2.2t（4942磅）。總體壓縮比為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渦輪風扇發(fā)動機的低壓壓氣機盤（最大直徑900mm）.和風扇外殼，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基合金及其復合材料占有重要地位。用TiAl基復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 復壓氣機無盤轉(zhuǎn)子、空心葉片1 704~982℃合材料TiAl基復合材承溫結(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：