Какие легированные материалы необходимы для авиакосмических двигателей?

Уровень развития аэрокосмических двигателей является концентрированным отражением всеобъемлющей национальной мощи страны, промышленной базы и научно-технического уровня. Ее исследования и разработки концентрируют самые передовые технологии и промышленные достижения современной промышленности. Эта статья раскроет вам материалы, используемые в аэрокосмических двигателях.

1. Алюминиевый сплав
Алюминиевый сплав обладает выдающимися преимуществами, такими как высокий удельный модуль и удельная прочность, хорошая коррозионная стойкость, хорошие эксплуатационные характеристики и низкая стоимость. Поэтому он считается самым важным в аэрокосмической промышленности.
Основные места применения: моторный отсек, каркас кабины, несущие стеновые панели, балки, рамы для установки приборов, топливные баки и т. д.

2. Титановый сплав
По сравнению с металлическими материалами, такими как алюминий, магний и сталь, титановый сплав обладает такими преимуществами, как высокая удельная прочность, хорошая коррозионная стойкость, хорошая усталостная прочность, малая теплопроводность и коэффициент линейного расширения и т. д. Его можно использовать в течение длительного времени при температурах ниже 350~450 ℃, а также при низких температурах до -196 ℃.
Основные места применения: лопатки компрессоров, корпуса, отсеки двигателей и теплоизоляционные панели авиационных двигателей и т. д.

3. Сверхвысокопрочная сталь
Сверхпрочная сталь обладает высокой прочностью на разрыв и достаточной вязкостью, а также хорошей свариваемостью и формуемостью.
Основные места применения: корпусы авиакосмических двигателей, сопла двигателей, подшипники и трансмиссионные передачи.
4. Магниевый сплав
Магниевый сплав — самый легкий металлический конструкционный материал, обладающий малой плотностью, высокой удельной прочностью, высокой сейсмостойкостью и способностью выдерживать большие ударные нагрузки.
Основные области применения: корпусы авиакосмических двигателей, коробки передач и т. д.
Композитные материалы
Быстрое развитие авиакосмических двигателей, особенно все более жесткие требования к температуре и весу, уже не могут удовлетворить постепенно совершенствующиеся традиционные материалы, и вместо этого призывают материаловедение открыть новую систему, то есть композитные материалы. В зависимости от характеристик каждого композитного материала, он может быть использован в различных деталях двигателя.

1. Металлокомпозитные материалы
Композитные материалы на основе металлов в основном относятся к композитным материалам с легкими металлами, такими как Al и Mg, в качестве матрицы. В авиации и космонавтике он в основном используется для замены легкого, но токсичного бериллия. Этот тип материала имеет превосходные боковые характеристики, низкий расход и отличную обрабатываемость. Он стал самым коммерчески привлекательным материалом во многих областях применения и был коммерциализирован за рубежом.
Основное место применения: подходит для использования в качестве компонентов среднетемпературной секции двигателя.
С быстрым развитием науки и техники некоторые передовые науки и технологии достигли быстрого прогресса, поэтому были выдвинуты более высокие требования к эксплуатационным характеристикам материалов. Традиционные отдельные материалы далеки от удовлетворения реальных производственных потребностей. Именно в такой большой среде появились композитные материалы.
Возьмем в качестве примера применение композитных материалов в авиадвигателях. Хотя традиционные материалы для авиадвигателей (никелевые сплавы и титановые сплавы) все еще могут быть усовершенствованы, пространство для их разработки невелико, и трудно соответствовать более строгим требованиям к температуре и весу будущих авиадвигателей. В настоящее время производительность авиадвигателей постоянно улучшается, а вес значительно снизился по сравнению с прошлым. При опоре на новые конструкции, такие как встроенные лопатки, встроенные лопаточные кольца, полые лопатки и турбины встречного вращения, больше внимания будет уделяться передовым материалам с высокой удельной прочностью, низкой плотностью, высокой жесткостью и высокой устойчивостью к высоким температурам. Теперь композиты на основе смол, композиты на основе металлов, композиты на основе керамики и композиты C/C стали потенциальными материалами для вентиляторов и компрессоров авиадвигателей из-за их превосходных низкотемпературных характеристик.

Современные композитные материалы, используемые в авиационных двигателях

Кожух водопропускной трубы
По сравнению с обычным кожухом воздуховода вентилятора из титанового сплава, кожух воздуховода, изготовленный из композитных материалов на основе смол, позволяет снизить вес двигателя и стоимость его разработки, гарантируя при этом выполнение всех функций и выдерживание статических и полетных нагрузок всего двигателя.
Двигатель GE F404 был впервые улучшен с корпуса водопропускной трубы из титанового сплава на корпус водопропускной трубы из композитного материала PMR15, что позволило снизить вес на 30% и снизить стоимость на 30%. Позднее GE применила эту технологию в таких двигателях, как двигатель F414 с усилением тяги и двигатель GenX.
Двигатели F191 и F135 компании Pratt & Whitney в США и двигатель M88 компании Snecma во Франции используют кожухи водопропускных труб из композитных материалов на основе смолы. Эффект снижения веса и снижения стоимости совершенно очевиден.

Лопатки статора
По сравнению с лопатками статора из титанового сплава, лопатки статора из композитного материала на основе смолы могут снизить вес на 50% и снизить затраты более чем на 50%. В то же время, путем оптимизации ориентации волокон, собственная частота лопаток статора из композитного материала может быть изменена для увеличения допустимого механического и аэродинамического проектного пространства.
Лопатки статора вентилятора двигателей Pratt & Whitney PW4084 и PW4168 используют композитные материалы на основе эпоксидной смолы PR500. Среди них двигатель PW4084 диаметром 3,04 метра имеет снижение веса на 39% и снижение стоимости на 38%. Немецкая компания MTU использует композитные материалы PMC во входных направляющих лопатках и регулируемых лопатках статора первой или второй ступени высокоскоростного компрессора низкого давления двигателя PW8000. Была проверена способность этих лопаток противостоять внешним повреждениям, вибростойкость, коррозионная стойкость и структурная целостность.

Лопасти ротора
Низкая плотность и высокие прочностные характеристики композитных материалов позволяют не только снизить вес, но и позволяют лопастям ротора иметь трехмерные аэродинамические формы дизайна, такие как стреловидные лопасти и носовые лопасти. Помимо снижения производственных затрат, композитные лопасти ротора также обладают неразрушающими характеристиками, показанными в авариях с отрывом, тем самым снижая требования к локализации.
Использование композитных материалов для лопастей вентилятора может не только значительно снизить вес самих лопастей, но и уменьшить вес их системы удержания, диска и всей роторной системы. Он обладает характеристиками низкой стоимости, хорошей виброустойчивости и высокой стойкости к повреждениям. В настоящее время двигатели GenX и GE90-115B компании GE используют высокопоточные изогнутые композитные лопасти вентилятора и корпусы вентиляторов на органической основе, и планирует дальнейшее изучение композитных полых лопастей вентиляторов с высоким коэффициентом давления.

Композитные материалы на основе металла
По сравнению с композитными материалами на основе смол, композитные материалы на основе металлов обладают хорошей прочностью, не впитывают влагу и выдерживают относительно высокие температуры. Армирующие волокна композитных материалов на основе металлов включают металлические волокна, такие как волокна нержавеющей стали, вольфрама, бензола, никеля, никель-алюминиевых интерметаллических соединений и т. д.; керамические волокна, такие как оксид алюминия, оксид кремния, углерод, бор, карбид кремния и борид титана.

Матричные материалы композитных материалов на основе металлов включают алюминий, алюминиевые сплавы, магний, титан и титановые сплавы, жаропрочные сплавы и кобальтовые сплавы. Среди них композитные материалы на основе алюминиево-углеродных сплавов, титановых и железных сплавов в настоящее время являются основным выбором. Например, композитные материалы на основе титановых сплавов, армированные волокнами карбида кремния, могут использоваться для изготовления лопаток компрессора. Композитные матрицы из магния или магниевого сплава, армированные углеродным волокном или волокном из оксида алюминия, могут использоваться для изготовления лопаток турбовентиляторных двигателей. Другим примером являются матричные композиты из сплава на основе никеля, армированного волокном никель-хром-алюминий-иридий, которые могут использоваться для изготовления уплотнительных элементов турбин и компрессоров.

GE изучила композитные валы низкого давления на основе титана для совместной программы проверки технологий двигателей. Вес на 30% легче, чем у сплавов Inco, жесткость на 40% выше, чем у титановых сплавов, а срок службы и долговечность улучшены. Если в двигателе F110 будет использоваться этот композитный вал, вес можно будет снизить на 68 кг. В ближайшем будущем металлические композиты заменят никелевые и титановые сплавы и станут основными материалами для будущих авиационных двигателей.

Новые высокопрочные и вязкие титановые сплавы/титан-алюминиевые сплавы/деформируемые жаропрочные сплавы и композиционные материалы
Титановые сплавы и титано-алюминиевые (TiAl) сплавы продолжают развиваться в связи со спросом на легкие двигатели. Текущая максимальная рабочая температура титановых сплавов составляет 600-650 ℃, а диапазон рабочих температур сплавов TiAl составляет 650-950 ℃, но его выдающаяся хрупкость при комнатной температуре и чувствительность к надрезам делают его лишь частичной заменой высокотемпературных сплавов или монокристаллических сплавов. Кроме того, по мере повышения рабочей температуры каждой секции двигателя необходимо разрабатывать новые деформируемые высокотемпературные сплавы, которые являются более жаропрочными и более жесткими.
Моя страна самостоятельно разрабатывает высокотемпературные титановые сплавы с 1980-х годов. В настоящее время она освоила ключевые технологии, такие как состав сплава, организация, контроль соответствия характеристик и оптимизация. Уровень исследований и применения в основном достиг синхронизации с международным передовым уровнем, но необходимо и дальше улучшать единообразие организационных показателей и раскрывать потенциал сплавов. Для сплавов TiAl были достигнуты ключевые прорывы в ключевых технологиях, таких как проектирование материалов, процесс подготовки, организационная оптимизация и контроль, а также улучшение пластической вязкости, и был разработан ряд репрезентативных сплавов, но по-прежнему необходимо углублять исследования в таких технологиях, как организационное соответствие высокой прочности и вязкости и проектирование применения материалов с низкой пластической вязкостью, чтобы расширить их применение. С развитием методов проектирования сплавов и разработкой оборудования и процессов литья-ковки были успешно применены различные новые деформируемые высокотемпературные сплавы, но с увеличением степени легирования значительно возросла сложность литья сплавов и процессов горячего присоединения. Необходимо преодолеть технические узкие места, такие как переплавка и очистка крупногабаритных слитков и равномерная деформация, добиться единообразных и стабильных организационных показателей, а также достичь всеобъемлющего баланса производительности, эффективности и стоимости, ускорить исследования, разработки и применение, а также заложить основу для независимых исследований и разработок более производительных деформируемых жаропрочных сплавов в будущем.
В настоящее время применение интегральной структуры лопаточного диска в роторе холодного конца достигло предела проектирования, в то время как интегральное лопаточное кольцо объединяет передовую структуру и материалы, имеет превосходные комплексные характеристики и может достигать легкости, и является знаковым выбором для легкого ротора двигателя следующего поколения. Тенденция применения композитных материалов на основе титана (Ti-MMC), армированного волокном SiC, на основе TiAl (TiAl-MMC) и на основе никеля (Ni-MMC) быстро растет. MTU и Rolls-Royce изготовили интегральные лопаточные кольца Ti-MMC (как показано на рисунке 1), валы турбин и другие испытательные образцы и провели оценки со значительными эффектами легкости. Прогнозируется, что Ti-MMC будет составлять около 30% материалов, используемых в будущих двигателях, а TiAl-MMC будет составлять около 15%.

С 1990-х годов моя страна начала исследования и разработки Ti-MMC и его компонентов. До сих пор она успешно совершала прорывы в ключевых технологиях, таких как массовое производство высокопроизводительных моноволоконных волокон SiC, высококачественная подготовка пионерской проволоки и формовка компонентов, а также открыла интегрированный технологический маршрут производства интегральных лопаточных колец Ti-MMC. Однако по-прежнему необходимо усилить исследования в таких технологиях, как улучшенный контроль формы сердечника кольца и регулирование остаточного напряжения, чтобы в полной мере использовать преимущества Ti-MMC.

Новые монокристаллические сплавы и порошковые сплавы
По мере повышения температуры перед турбиной материал лопатки турбины развивался от деформированных и литых жаропрочных сплавов до ориентированных и монокристаллических жаропрочных сплавов, а материал диска турбины развивался от легированной стали и деформированных жаропрочных сплавов до порошковых жаропрочных сплавов. За последние пятьдесят или шестьдесят лет температура перед турбиной увеличилась примерно на 600 К, а материалы и процесс литья внесли свой вклад в размере от 30% до 40%. С тех пор, как Pratt & Whitney изобрели первый в мире монокристаллический сплав PW1480, промышленность успешно разработала несколько поколений монокристаллических сплавов на основе никеля и никель-алюминиевых (Ni3Al) сплавов. Китай является одной из стран в мире, которая ранее изучала монокристаллические сплавы, и постепенно применялись многие марки. Однако с развитием двигателей современные монокристаллические сплавы ограничены термостойкостью и технологичностью литья, и их применение достигло предела. Необходимо срочно разработать новые монокристаллические сплавы с более высокой начальной температурой плавления, лучшей микроструктурой и эксплуатационными характеристиками, хорошей обрабатываемостью при литье и сварке, а также приемлемой стоимостью.
С тех пор как Соединенные Штаты заняли лидирующее положение в разработке порошковых высокотемпературных сплавов и успешно применили их на дисках турбин в начале 1960-х годов, диски турбин из порошковых сплавов накопили десятки миллионов часов безопасной работы на нескольких двигателях, и порошковые сплавы стали предпочтительным материалом для дисков турбин современных авиационных двигателей. Промышленность разработала порошковые сплавы высокого поколения с более высокими рабочими температурами и лучшей комплексной производительностью, а также разработала двухпроизводительные/двухсплавные и двухспицевые диски турбин в соответствии с акцентом на производительность различных частей диска турбины. Моя страна успешно разработала порошковые сплавы первого и второго поколения и в настоящее время разрабатывает порошковые сплавы третьего и четвертого поколения. Однако с развитием двигателей по-прежнему необходимы глубокие исследования в области высококачественных порошков, подготовки двухпроизводительных/двухсплавных/двухспицевых дисков турбин и низкозатратных процессов.

Легкие, высокопрочные, устойчивые к высоким температурам стратегические и революционные передовые материалы и процессы являются знаковым выбором для будущих передовых авиационных двигателей. Мы должны и дальше фокусироваться на основных узких местах, инженерных приложениях, инвестициях в ресурсы и целостности двойной цепи, усиливать тягу спроса, усиливать общее управление отраслью, усиливать компоновку системы, усиливать совместную интеграцию и усиливать централизованные инвестиции, чтобы встать на путь независимости, самостоятельности и самосовершенствования в материалах и процессах двигателей с китайской спецификой.