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中国航空发动机为何不行?航空材料与美欧差距很大
精彩导读:历来谈到航空发动机,都会谈到材料,材料技术是航空发动机的最重要基石,那么,现在最新的航空发动机的各个部分都应用了哪些高新材料?而中
历来谈到航空发动机,都会谈到材料,材料技术是航空发动机的最重要基石,那么,现在最新的航空发动机的各个部分都应用了哪些高新材料?而中国目前在航空发动机材料领域,又处于怎样的技术水平和位置?

冷端、热端材料大不同

航空发动机是一个非常复杂的设备,上面有上万个零部件,不同的零部件有不同的作用和功能,有不同的工作环境和要求,因此采用的材料也是不同的。总的来说,航空发动机按照工作的环境,可以分作两部分,即冷端部件和热端部件。其中冷端部件,风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等,它们要么是接近发动机进气一方的,要么是在发动机的结构外围,承担结构支承和包裹作用的;而热端部件,比如涡轮、燃烧室、尾喷管等,工作温度很高,转速也很高,承受的压力也很高,经常称之为“三高”,在这三高环境下,需要采用一系列非常特殊的耐热耐压高性能材料。

      冷端外机匣:镁合金

航空发动机的冷端外机匣,要求又轻又足够结实。以前冷端外机匣等部件,主要用航空铝合金。最近这些年则开始用镁合金,它比铝合金更轻,密度更低,但物理性能却相当,承受冲击载荷能力也比铝合金强。此外,在发动机齿轮机匣、油泵和油管等地方,它也很常用。
 

风扇叶片、机匣:树脂基复合材料

树脂基复合材料是以树脂材料为基体、高性能连续纤维为增强材料研制而成的一类新材料。比起金属材料而言,其最大优势就是质量轻,据统计,风扇段质量约占发动机总质量的30%~35%,降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段。风扇叶片每减重1千克,风扇机匣和传动系统也相应减少1千克,同时发动机结构和飞机的机翼/机身结构也分别减重0.5千克。因此用树脂基复合材料制造风扇叶片、机匣可以大幅减重。此外,树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小,有利于提升风扇机匣包容性,也有利于提高发动机的防鸟撞性能。目前世界上最先进的大飞机发动机的风扇叶片,很多都采用了树脂基复合材料,这些风扇直径有的超过3米,制造难度也相当大。
 

热端部件:高温合金、碳化硅基材料、陶瓷基材料和热障涂层

发动机热端部件,比如涡轮、燃烧室、尾喷管等,工作环境更为恶劣,世界主流发动机,涡轮前燃温度达到或超过1300~1400℃,即便是最耐热的金属,都无法在这样严酷的温度下保持物理特性,需要各种高温耐热材料和冷却技术来保证性能。目前得到应用的新材料,主要有涡轮表面的热障涂层材料和用于热端先进涡轮盘部件的粉末冶金合金(高温合金)材料;而碳化硅基和陶瓷基复合材料等新材料,技术难度更大,目前正在研究之中,将来可能会大展身手。

热障涂层,是指为了让发动机热端部件保持长时间正常工作和高温耐受能力。而在其表面如涡轮盘等表面涂覆的一层起保护作用的涂层。高性能的热障涂层,是英美发动机使用寿命远超其他国家同类发动机的“不传之秘”。有了高性能热障涂层,以往寿命200到600小时的发动机,工作寿命可以延长2~3倍,工作温度也能提高好几百度。

而高温合金,则主要分为难熔金属和金属间化合物两类,而难熔金属指熔点高于1650℃并有一定储量的金属,包括钨、钼、铌、铬、锆、钛等。难熔金属广泛用于发动机热端部件。但难熔金属有个缺点,就是储量很少,而且大都伴生在稀土矿等稀有矿藏中,而航空发动机动辄要制造成千上万台,对难熔金属需求量很大,这就使得其应用受到限制。

目前最常用的高温合金,主要是镍基合金、钛基合金和钛基金属间化合物等,从上世纪70年代开始,经过三代发展,目前的世界主流先进第三代、第四代军用涡扇发动机,都普遍使用了以上三种合金材料。

碳化硅基材料、陶瓷基材料则是目前正在研发的下一代高性能热端材料中最热门的两种,他们两种都属于高分子复合纤维材料,这两种材料并非完全独立发展,也可以同时使用,经过不同的配方和组成结构混合起来,形成不同成分的新材料。目前,美国在最新型F414中等推力发动机上率先使用了陶瓷基材料涡轮转子叶片。
 

中国所处位置:第二梯队中后部

在镁合金、铝合金等常用发动机冷端和外机匣部件上,中国已经完全能实现自主生产。在高温合金研究领域,我国也实现镍基合金和钛基合金的自主研发和应用,其中第三代镍基合金已经成功应用在国产大推力涡扇发动机上。热障涂层曾是中国航发的拦路虎,现在也已被攻克,“太行”发动机上就应用了我们自己开发的热障涂层,工作性能和寿命因此大幅提升。而在树脂基材料领域,我国目前也已成功通过实验室研发阶段,研制出复合材料风扇叶片,目前正在向工程应用阶段发展。而在陶瓷基和碳化硅基新热端材料研发上,目前我国还主要处于早期预研和材料原理试验阶段,距离英美两国的从试验阶段向工程应用阶段过渡,还存在15~20年的技术差距。总体来看,中国航空发动机通过前些年的努力投入,已经进入了第二梯队,稍稍落后于俄罗斯、日本,处于第二梯队中后部位置,与第一梯队的美国和欧洲还存在很大差距,需要奋起直追,通过跨越式发展实现赶超。

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