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钛应用 | 航空发动机构件研发,钛合金必不可少

2022-12-08 11:29:59 来源:骡子科技
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简介:发动机的一个重要性能指标是“推重比”,即发动机产生的推力与其自身重量之比。推重比越高,发动机的性能越好。工作温度越高,发动机热效率越高。提高推重比,必须提高涡轮前进气的压缩比(进气量指标)与进气温度。提高推重也必须提高发动机材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的质量。据计算,当压缩比达到15∶1时,压气机的出口温度为590℃,而当压缩比达到25∶1时,压气机的出口温度就达到620℃~705℃,需要耐热性非常好的钛合金。
航空发动机构件的主要特点:

一是使用温度高,要求材料的耐热性(高温持久强度、抗蠕变性、抗氧化性和阻燃性)好;

二是转动部件(盘件、叶片)要求断裂韧性、疲劳性能好,损伤容限高。

发动机的一个重要性能指标是“推重比”,即发动机产生的推力与其自身重量之比。推重比越高,发动机的性能越好。工作温度越高,发动机热效率越高。提高推重比,必须提高涡轮前进气的压缩比(进气量指标)与进气温度。提高推重也必须提高发动机材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的质量。据计算,当压缩比达到15∶1时,压气机的出口温度为590℃,而当压缩比达到25∶1时,压气机的出口温度就达到620℃~705℃,需要耐热性非常好的钛合金。实验证明,常规钛合金(α,近a和α+β型钛合金)能用于600~650℃以下,为制造推重比10以上的先进发动机,需要开发钛基复合材料和以Ti3Al(a2型)、TAl(γ型)金属间化合物为基的钛合金。


钛合金零部件
不大量选用钛合金作零部件,就不可能获得高推重比的发动机。美国第三代战斗机(F15、F16等)选用的动力装置是推重比为8左右的F100-PW100燃气涡轮风扇发动机,用钛量为25%~30%。第四代战机F-22选用推比10发动机。高推比发动机中,钛合金的用量已占发动机质量的25%~40%。国外用得最多的高温钛合金有IMI834(英)、Ti-1100(美)、BT35(俄)、Ti-6242S、Ti-6246、Ti-17、Ti-811和AlloyC(阻燃)钛合金。在我国,研究出了一种称为TD2(TIAl-Nb-Mo-V)的TiAl基合金,它可在600℃~700℃下长时工作,用做涡轮导风板和涡轮结合环。

下面简要介绍几种先进发动机的用钛情况:

1、V2500喷气发动机V2500是英国、日本、美国、德国、意大利5国共同开发的涡轮风扇发动机。“V”字表示五个国家的意思,美国(普惠公司)负责高压涡轮、燃烧器,英国(罗公司)负责高压压气机;日本(航空发动机协会)负责风扇、低压压气机;德国和意大利负责齿轮箱。V2500是双轴涡轮风扇发动机,推力113kN(2.5万磅力),发动机重2.2t(4942磅)。总体压缩比为36.5,它是先进材料技术、电子技术和加工技术的集成。具有低油耗、低噪音等特点,节油率达14%。

V2500发动机的用钛量达31%。最大的钛合金部件是风扇机匣,直径1700mm,长1150mm,前壳体与后壳体分开制做,最后用激光焊接成一个整体。风扇盘、压气机盘、圆形护环、轴承支座、压气机叶片等都采用钛合金。大都为Ti -6Al-4V合金。在高压压气机的3~6级,因温度较高,使用IMI550钛合金(Ti-4Al-4Mo-2Sn-4.5Si)。该合金添加了Si元素,抗蠕变性能优良。

V2500涡轮风扇发动机的低压压气机盘(最大直径900mm).和风扇外壳,采用三次真空熔炼的Ti-6Al-4V。

空客 A320和 MD-90等民航机采用V2500发动机。估计这种发动机订货量在15年内将达到5000台。在生产过程中,发动机将不断改进,其推力也会不断提高,计划由113 kN提高到149kN,以适应180座大型远程客机发展的需要。

2、GE90发动机 美国PCC公司制造的GE90发动机风扇机匣,直径达2m,是世界最大的精密钛铸件。典型的钛精铸件有Ti6242整体精铸机匣,整体精铸Ti-6Al-4V定子,风扇框架和发动机支承件。

3、推比15~20涡扇发动机 美国综合高技术性能发动机技术计划(IHPTET)提出,要在2020年前后研制出推重比15~20涡扇发动机,装备高性能的军机。该机可在21000 m高空飞行,M数3~4,载弹量1t,作战半径1850km。


钛合金

可以看出,在未来的先进发动机中,TiAl基合金及其复合材料占有重要地位。用TiAl基复合材料制造的无盘结构压气机转子(鼓筒式转子)同现有压气机转子相比,将减重20%。

航空发动机用的钛材主要是钛锻件(饼材、环材)和棒材。锻饼用做发动机压气机盘件,棒材用做压气机叶片,环材用做机匣。另外,机匣也常采用精密铸造工艺生产。

美国IHPTET计划中推重比15~20发动机用钛材钛材系统技术指标704~982℃压气机使用部位叶片、机匣、非承力件TiAl化合物纤维/TIAl 复压气机无盘转子、空心叶片1 704~982℃合材料TiAl基复合材承温结构件喷管(无冷却)>982℃考钛基合金燃烧系统>650℃机匣从表

国外几种军用航空发动机的用钛情况见表7.5-2,我国军用航空发动机的用钛量见下表:

我国军用航空发动机的用钛量
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