航空发动机新材料（共8篇）
航空发动机新材料 篇1
一代新材料，一代新型发动机航空发动机的发展趋势及其对
材料的需求
?【材料 说】：在对世界航空动力技术加速发展态势进行简要综述的基础上，对航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势进行分析研究，并按照一代新材料、一代新型发动机的思路，提出先进航空发动机主要部件和系统对材料技术的发展需求，并从质量稳定性和工艺成熟度、工程化研究和验证、材料体系和数据、复合材料、适航取证等方面，对提高我国材料技术的发展和应用水平提出了建议。点击《福利第五波 | 耐火材料行业报告》，获取报告领取方式哦，赶快行动吧！
1、世界航空发动机技术呈加速发展态势从二战结束到21世纪初，军用喷气战斗机及其动力的发展大致经历四次更新换代。推重比8—级涡扇发动机是目前世界主要大国现役第三代主力战斗机的动力。第四代推重比10发动机从20世纪80年代中期开始发展，其典型机种有美国的F119、西欧四国的EJ200、法国的M88-III、俄罗斯的AL-41F。2005～2007年开始，配装推重比10—级先进涡扇发动机的第四代战斗机（如美国的F/A-22和F-35)，已经陆续取代现役的第三代战斗机，成为美国和部分西方国家，甚至我国部分周边国家和地区21世纪上半叶的主战机种。
民用运输机和旅客机的动力也大致经历了四个阶段:早期为活塞式发动机，1949年出现了第一种用涡轮喷气发动机“埃汶”为动力的民航客机——“彗星号”，标志着民用飞机喷气发动机时代的到来。第三阶段为20世纪60年代初的低涵道比（1.5～2.5)涡轮风扇发动机，耗油率为0.07～0.08kg/(N＊h)，广泛用于波音-727、-737，DC-9，“三叉戟”等飞机，逐步代替了耗油率高、经济性差的涡喷发动机。1970年1月22日，装有4台涵道比为5.2、推力为193.lkN(19700kgf)的JT9D-3型大涵道比涡轮风扇发动机的大型远程旅客机波音747-100投人航线使用，标志着民用航空动力进人了全新的大涵道比涡扇发动机时代。自20世纪70年代初第一代大涵道比涡扇发动机JT9D、CF6和RB211投人使用以来，目前已经发展了五代，其耗油率比第一代民用涡扇发动机降低约20%。
2001年美国GE公司为波音-777研制成功GE90-115B高涵道比涡扇发动机，推力达到547kN(55826kgf)，耗油率下降到0.05kg/(N＊h)左右，是当今世界上推力最大的发动机，被收入吉尼斯世界纪录中。目前，世界上窄体干线客机的动力100%选择了涡扇发动机；用涡扇发动机为动力的支线客机订货量已超过70%;大涵道比涡扇发动机使双发大型远程宽体客机实现了不着陆的越洋飞行。航空使世界变成了“地球村”，现在人们可以在24h内到达世界上的任何地方。工业水平的提高、科学技术的进步和经济实力的增强，是航空动力快速发展的源动力。世界航空强国在重视教育、科技和工业技术发展的同时，对航空动力技术的预先研究和试验验证给予极大的重视，开展了一系列大型研究计划，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础。
特别值得指出的是，美国于20世纪60年代初至80年代中在连续实施十多项发动机研究计划的基础上，在研制第四代发动机（F119)的同时，从1988年起至2003年又投人50亿美元巨资，由军方、政府及工业界联合实施不针对特定发动机型号的“综合高性能发动机技术计划”（即IHPTET计划）；其目标是利用最新的科技成果，使推进系统的技术能力在1988年的基础上翻一番，到2005年左右突破推重比12～15—级发动机的关键技术，并通过大量试验验证，不断将新的成果用于型号，为其研制提供强有力的技术支持。这意味着他们用15年左右的时间，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技术进步，相当于过去30～40年所取得的成就。在IHPTET计划取得巨大成功的基础上，美国政府和军方又制定了其后继计划——多用途、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE)计划，准备再用12年时间（2006～2017)、大约再投人37亿美元，通过多用途核心机、耐久性和智能发动机三个重点领域的研究，在2017年左右使发动机经济可承受性(定义为能力与寿命期成本之比，其中能力为推重比与中间状态耗油率的函数)提高10倍。为了同美国竞争，以英国为主，意大利和德国参与共同实施了与IHPTET类似的先进核心军用发动机计划的第二阶段(ACME-n)，英国和法国又联合实施了先进军用发动机技术（AMET)计划，德国宇航研究院联合企业界独立实施了针对民机的3E(环境、效率和经济性）发动机研究计划。日本早已通过专利生产第三代发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制，目前又正在与美、英合作研制飞行速度5倍于声速的HYPR-90组合循环发动机，力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。印度的军用发动机在部分依靠与国外合作的条件下采取自主研制的途径，自行研制的推重比8—级GTX-35VS双转子涡扇发动机已经首飞，在推重比10以上涡扇发动机和高超声速组合动力关键技术研究方面也取得了不少进展。
上述情况充分表明，世界航空推进技术正呈现出一种加速发展的态势。
2、航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，在各类武器装备中，航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出，航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和制造技术的要求逼到了极限。材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代，如：第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料，第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术，第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术，充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点。
在航空发动机研制过程中，设计是主导，材料是基础，制造是保障，试验是关键。从总体上看，航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展，发动机性能的改进一半靠材料。据预测，新材料、新工艺和新结构对推重比12～15—级发动机的贡献率将达到50%以上，从未来发展来看，甚至可占约2/3。因此，先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现，使发动机质量不断减轻，发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高，可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。
正是由于不断提高的航空发动机性能对发动机材料与制造技术提出了更高的要求，各航空发达国家都投人了大量人力、物力和财力，对航空发动机用的材料与制造技术进行全面、深人的研究，取得了丰硕的成果，满足了先进发动机的技术要求。
从国外航空发动机材料与制造技术的发展情况来看，加强材料与制造技术工程化研究是缩短发动机研制周期、减少应用风险、增加研制投人产出比最有效的途径之一。因此从20世纪70年代至今，航空发达国家安排了一系列的发动机材料和制造技术工程化研究计划，规划了整个材料和制造技术领域的发展方向，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础。如美国综合高性能发动机技术（IHPTET)计划、下一代制造技术计划（NG-MTI)，美国空军复合材料经济可承受性计划（CAI)等(见表1)。通过这些国家层面的大型研究计划，大大推动了一批新材料和新工艺在发动机上的应用，使得材料耐温、强度水平不断提高，满足了部件的承温承载要求；高可靠性轻量化结构和精密、高效、低成本制造技术迅速发展和应用，满足了发动机新型整体结构的设计要求，使得发动机部件重量越来越轻;先进涂层技术和特种制造技术得到了广泛应用，大大缩短了发动机研制周期、使得新型航空发动机的性能不断提升。
3、先进航空发动机对材料技术的需求先进航空发动机主要指第四代和新一代更高推重比/功重比的军用涡扇/涡轴发动机，以及新一代干线客机用大涵道比涡扇发动机，这类先进发动机除具有更高的性能指标外，还要全面满足可靠性、安全性、经济性、适航性、环保性等要求，对材料和工艺提出了新的发展需求，主要包括：
(1)风扇和压气机钛合金/高温合金双性能（精锻 高速铣 线性摩擦焊）整体叶盘，整体叶环（碳纤维树脂固化环冠箍或SiC纤维增强钛基复合材料），宽弦或小展弦空心掠形叶片（钛合金超塑成形/扩散连接（SPF/DB)线性摩擦焊），风扇/压气机轴和轴颈采用SiC纤维钛基复合材料，整流叶片及机匣采用阻燃钛或Ti2AlNb合金，风扇和压气机机匣采用增强纤维三维编织（0PC)技术，Alloy C阻燃钛合金压气机机匣，有机复合材料机匣等。
(2)燃烧室耐温1450～1650°C的陶瓷基复合材料（CMCs)或MA956合金瓦片浮壁燃烧室，Lamilloy多孔层板火焰筒，抗氧化C/C复合材料或MA956合金Lamilloy多孔层板加力衬筒，精铸r-TiAl HIP多通道扩压器，Ti2AlNb合金或其复合材料燃烧室机匣等。
(3)涡轮Rene88DT/N18涡轮盘，CMSX-4G/PWA1484 热障涂层(TBCs)涡轮叶片，涡轮动叶和导叶采用热障涂层，涡轮动叶采用单晶对开叶片或双层壁发汗冷却铸冷叶片，导叶采用陶瓷基复合材料（CMCs)或NiAl，MA956多孔层板高效冷却双叶片，双腹板盘、双结构盘或辐条式盘双性能粉末涡轮盘或含Nb的TiAl合金或SiC纤维增强金属基复合材料（MMC)，涡轮机匣采用超纯高温合金或Ti2AlNb合金或其复合材料，低压涡轮轴采用SiC长纤维钛基复合材料（比IN718轴减重30%、比钛轴刚性增加40%)等。
(4)加力/喷管/机械系统蜂窝或多孔层板结构钛合金加力筒体，MA956合金多孔层板隔热屏，陶瓷基复合材料或C/C复合材料喷管调节片/密封片，Ti2AlNb合金（SPF/DB)调节片支撑结构，高强高韧不镑钢 表面强化齿轮和轴承，润滑系统为-50～220/250°C低挥发、高润滑油（氟硅油），指尖 刷封 蜂窝低、中、高温封严装置，密封件为-50～350°C氟醚橡胶或金属橡胶等。
(5)其他特种涂层技术：热障涂层（TBCs)，抗氧化高温涂层，低、中、高温硬质、轻质封严涂层，低、中、高温硬质、轻质耐磨涂层，钛合金防应力腐蚀、抗冲刷涂层和隐身涂层等。各类表面强化和光饰技术:激光冲击强化，全方位离子注人，双辉表面改性，磨粒流和超声或振动光饰技术等。
高能焊接技术：电子朿、离子朿、激光、辉光和摩擦焊等。
4、几点思考和建议新中国建立以来，随着我国航空发动机研制过程的开展，对于配套的材料研制和制造技术也进行了大量的型号攻关工作，先后完成了铝合金、钛合金、高强度钢、镍基高温合金、树脂基复合材料、各种涂层材料、非金属材料等数百种材料仿制、研制，制定了一千余份材料和工艺标准，形成了航空发动机材料和制造技术生产能力。但由于种种原因，材料和制造技术仍是制约我国航空发动机发展的重要因素之一，应找准问题、统筹规划、协调发展、重点突破。
对此，我有以下几点看法和建议：
(1)进一步提高现役发动机关键材料的质量稳定性和工艺成熟度国产现役航空发动机都是多年前仿制国外或自行研制和改进改型的发动机，经过较长时间的使用，迫切需要进一步延长使用寿命，保证我国空军的战斗力。这些发动机采用的主要材料和制造技术，由于其研制时的认识和经费的限制，对材料和制造技术工程化的深人研究不够，在发动机服役过程中，材料和制造技术的技术质量问题时有发生，如材料质量不稳定引起性能波动、工艺成熟度不高造成零件合格率较低、设计用材料性能数据缺失等，给定寿、延寿及排故工作带来一些障碍，甚至严重影响了部队的作战训练。(2)进一步加强新研和在研材料的工程化应用研究和验证国外研究的经验和国内研制的实践表明：工程化应用研究是新材料与制造技术提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不经过工程化应用研究，材料与制造技术存在的各种问题就难以得到充分暴露，从而为后面的型号研制带来很大的风险，甚至严重拖延型号的研制进度，大幅增加研制成本。特别是部分已有预研成果的项目，由于缺乏工程化应用研究验证，难以被发动机设计所选用，导致部分成熟发动机发展后劲不足、在研发动机研制缺乏有力的技术支持、新研发动机技术储备不够，部分型号无法按照节点完成研制任务。这些都需要通过新材料的工程化应用研究，尽快突破新材料、新结构的制造技术，稳定制造工艺流程和质量，提高技术成熟度。
(3)梳理材料体系，优选品种，完善数据，建立完善我国自主研制的发动机材料谱系和试验数据库由于历史原因，我国航空发动机材料重复仿制现象较严重，造成材料牌号多、生产批量少、材料标准兼容性差、材料性能数据不全且分散度较大等问题，如：提供给设计使用的数据有缺项；工业生产条件下毛坯的性能数据不足，数据的可信度不高；与制造技术相关联的材料性能数据更显不足等。有必要下大决心，进一步梳理材料体系，优选品种，完善数据，建立完善我国自主研制发动机必不可少的材料谱系和试验数据库。(4)大力加强发动机用高性能复合材料的研究和验证复合材料构件具有材料/结构/制造一体化特征，是先进发动机突破轻量化和整体化的关键途径之一。其中纤维增强树脂基复合材料、纤维增强钛基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料分别是支撑未来先进发动机低温部件、中温部件和高温部件的三大关键新型材料。
我国复合材料研究起步较晚，目前存在的主要问题有：缺乏复合材料构件一体化设计方法；对复合材料的损伤失效模式认识不清，尚未完全建立复合材料构件的设计准则；缺乏复合材料构件的验证考核方法等。
(5)重视民用航空发动机材料的适航取证研究工作在民用航空发动机用材料方面，我国现有发动机产品系列不全，适航取证经验缺乏，大涵道比涡扇发动机和长寿命航改燃机刚刚起步，长寿命、高可靠性发动机材料和制造技术工程化应用研究还是空白，与型号的迫切需求还存在明显的差距。需要在民用航空发动机材料的适航取证方面进行补课，尽快开展相关研究工作。在民用航空发动机用材料方面，我国现有发动机产品系列不全，适航取证经验缺乏，大涵道比涡扇发动机和长寿命航改燃机刚刚起步，长寿命、高可靠性发动机材料和制造技术工程化应用研究还是空白，与型号的迫切需求还存在明显的差距。需要在民用航空发动机材料的适航取证方面进行补课，尽快开展相关研究工作。（作者：刘大响院士，中国航空发动机集团有限公司）
航空发动机新材料 篇2
与第三代发动机相比, 第四代发动机的推重比增加20%, 零件数目减少40%~60%, 零件的寿命增加150%, 寿命循环成本至少降低25%, 耐久性增加两倍[1]。预测在未来航空发动机性能的提高中, 新材料的贡献率将为50%~70%, 而材料和制造技术对发动机减重的贡献将为70%~80%。
1 新材料的种类及特点
1.1 有机、无机复合材料
复合材料是指结合两种或两种以上有机、无机相的物质以物理方式结合而成, 撷取各组成成分的优点, 以构成特定的结构组成。往往以一种材料为基体, 另一种材料为增强体组合而成的材料, 各种材料在综合性能上取长补短, 产生协同效应, 使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大, 其特点是比重小、比强度和比模量大。其中高聚物复合材料PMCS的发展已有半个多世纪的历史, 在工业、民用、航天航空、生态、智能等领域取得了广泛的应用[1]。补充列举在航空发动机上运用过的有机、无机复合材料。
1.2 金属及金属间化合物基复合材料
以金属或金属间化合物为基体, 并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。其特点是在力学方面为横向及剪切强度较高, 韧性及疲劳等综力学性能较好, 同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点[2]。钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘等一些主要承力部件的制造, 而铝基材料主要应用于压气片叶轮、叶片等部件。国内研究的重点是铝、钛基复合材料, 从前景上看铝基复合材料可以替换铝合金, 在质量没有改变的同时提高了性能, 钛基复合材料可以替代传统钛合金制造压气机整级叶片, 可以使质量减轻40%[3]。
1.3 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料 (CMC) 是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅, 碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进的陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能, 但它的致命弱点在于脆性, 因而大大限制了其广泛应用。Chouwb等[4]利用Ni Al金属间化合物增韧Al2O3陶瓷获得了较好的效果。F119发动机矢量喷管使用了具有隔热和防热的CMC壁板;M88-3发动机使用了C/Si C尾喷管调节片;F414发动机使用了CMC加力燃烧室喷管;V2500发动机使用了CMC燃烧室浮壁[5]。
1.4 应用
这三种新型复合材料不仅仅应用于发动机, 在飞机的其它部位同样有广泛的应用。表2列举了几种不同机型的复合材料应用量及部位。
2 发动机主要部件新材料的应用及原因
2.1 轴承
航空发动机轴承经常要在相对较高的温度下工作。轴承工作时, 轴承外圈上有很大的周向拉应力, 这种接触表面过大的拉伸力不仅易于导致表面疲劳。而且由于这种原因造成的疲劳剥落还引起拉伸应力升高, 从而使整体淬透钢轴承套圈出现疲劳断裂。由于航空发动机轴承转速的增加, 原有的轴承钢如M50, 18-4-1和14Cr-4Mo已经不能满足需求。SKF的MRC轴承公司在美国空军支持下, 最终选择了高温渗碳钢 (M50Ni L) , 它不仅具有M50轴承钢的所有性能, 并且断裂韧性更好。同时与其它高温淬透轴承材料相比, 显微组织和疲劳强度也都很好。其原因之一是M50Ni L中没有大颗粒碳化物, 这种钢对碳化物引起的疲劳裂纹不敏感, 实质是消除了套圈疲劳裂纹的潜在出现;另外其本身的残余压应力也能延长轴承的滚动接触疲劳寿命。因此M50Ni L钢在飞机上的使用, 能满足更高水平转速下发动机轴承的工作需要。
轴承保持架虽然不直接承受轴承载荷, 但它伴随着高速滑动而旋转, 在高速轴承中常常由于保持架的磨损、疲劳等原因造成轴承的损坏。过去国外所使用的发动机轴承保持架材料多采用硅铁青铜 (AMS4616) 镀银再镀铅。这种材料最高回火温度可达315℃, 当温度超过315℃时, 则机械强度显著降低, 不能使用。经过广泛的实验验证, 发现镀银的AMS6415制造的保持架在温度高于315℃时仍然可以继续保持它的机械强度, 这种高温强度与低摩擦保护架材料和镀层的配合大大地延长了发动机在贫铀和断油时的运转时间。
研究表明[6], 550℃以上的工作温度使用高温合金材料, 硬度和尺寸稳定性均会丧失, 几乎很难研制出耐高温的合金材料。由于陶瓷材料的工作温度明显高于550℃, 这给研制耐高温的轴承带来了希望。在经过科研工作者们多年不断地探索, 氮化硅是理想的耐高温轴承材料。它具有飞机发动机轴承的高级钢材所具有的许多特性, 而且还具有优于钢材的附加特性———良好的高温强度和硬度以及优异的强度重量比。实验证明, 用固体润滑剂润滑并用热等静压法制成的氮化硅轴承, 能在500℃以上长时间运转。然而, 氮化硅也有缺点, 如抗拉强度低, 止裂韧性差和热膨胀系数极低等。因此, 陶瓷轴承要想真正实现在航空领域的应用还需要做很多研究。
2.2 风扇和压气机
军用航空发动机推重比的不断提高, 质量的不断减轻, 越来越多地依赖于高强度、低密度、高刚度和耐温能力强的先进材料。经过多年的研究和发展, 树脂基复合材料、金属基复合材料和金属化合物已经成为航空涡扇发动机风扇和压气机部件的理想候选材料[7]。
因具有质量轻、费用低、阻燃能力优良等特点, 树脂基复合材料外涵机匣已经广泛地应用在涡扇发动机上。如F119发动机的碳纤维增强的聚酰亚胺基复合材料外涵机匣采用DowUT公司研发的先进树脂转移造型技术制造。该技术可以制造形状复杂的进气机匣, 不仅其所有外部气流通道的表面粗糙度、最终尺寸精度可与经机械加工的钛合金进气机匣相媲美, 而且可使进气机匣减少零件总数和取消许多劳动密集的装配工序, 因而可以大幅度减轻结构质量和降低成本。PW公司还采用AFR700B超高温树脂基复合材料研制F119发动机外涵机匣等静止部件, 研究F119发动机和综合高性能涡轮发动机验证机采用的Avimid K热塑性复合材料中介机匣, 希望使后者完全能承受347℃的高温和400 k Pa的大气压, 并具有极好的热稳定性。
树脂基复合材料风扇叶片是实现高性能宽弦风扇叶片推广应用的有一种途径, 它以GE90发动机复合材料风扇叶片为代表。20世纪90年代, GE公司吸取GE36 UDF发动机的研制经验, 成功地开发了GE90发动机树脂基复合材料风扇转子叶片。该叶片的叶身和叶根由IM7中长碳纤维与增强的8551-7环氧树脂组成的称为“大力神”的8551-7/IM7复合材料制成一体。叶片的压力面涂覆聚氨酯防腐层, 叶身的吸力面涂覆一般的聚氨酯涂层;为了提高叶片的抗大鸟撞击能力, 在叶片前缘胶粘钛合金薄片;为了避免工作中复合材料叶片脱层, 在叶尖与后缘处采用Kevlar细线缝合。采用该材料和工艺, 不但明显减轻了风扇叶片本身的质量, 还减轻了其包容系统、盘以及整个转子系统的质量, 收到了成本低、抗振、抗颤振性能好、抗损伤能力强等效果。
目前普遍作为压气机盘和叶片材料的钛合金耐高温能力最高是600℃。随着压气机压比及出口温度的增加, 在压气机的后几级也逐步采用了耐热钢和镍基合金。今后, 随着压气机总压比的进一步提高, 压气机的出口温度将继续提高, 预计, 推重比15~20的发动机压气机出口温度可达760℃, 而目前的钛合金和镍合金已经难以满足这一温度要求。最近, 国外粉末冶金镍合金全盘工艺取得了一定进展, 通过增加难溶金属和更好地控制晶粒尺寸, 已经发展了一种可使压气机排气温度升高40~70℃的新型盘合金。
今后, 压气机将采用由密度更低的钛金属基复合材料和γ-钛铝金属间化合物制成的整体叶环, 这种技术可使压气机的重量在钛合金整体叶盘的基础上进一步减轻40%, 同时, 还可提高疲劳强度。如果耐高温树脂研制成功, 可使高压压气机的重量大大减轻。国外正在发展用于压气机叶片的聚合物复合材料, 这种材料可使压气机叶片比钛合金轻30%~50%。并且还研制一种阻燃钛合金, 它将使压气机后面级的钛叶片取代铜叶片或镍叶片, 可进一步减轻压气机的重量。
2.3 燃烧室和涡轮
燃烧室是发动机中温度较高的部件, 其材料要求抗氧化, 抗腐蚀、抗冷热疲劳性能好、强度高。现在的发动机燃烧室和加力燃烧室的工作温度最高可达2 000℃, 冷却后可以降低到1 000℃左右, 目前常采用钴基和镍基合金材料。而现在为了提高发动机的推重比需要通过高温燃烧, 提高燃烧室的工作温度也可同时降低氮氧化合物的排放量, 从而降低先进战斗机发动机的目标特征, 改善民用发动机的环境特征, 因此, 需要采用高温性能更好的材料。陶瓷基复合材料可在1 200~1 400℃的极高温度下工作。可显著提高燃烧室的工作温度, 同时可减少冷却空气的需求, 甚至可取消冷却。将氮氧化合物的排放量降至最低程度, 是未来发动机燃烧室部件很有希望的材料[8]。
提高涡轮进口温度也可提高发动机性能, 推重比10一级的发动机涡轮进口温度已达到1 850~1 950 K, 推重比为12~15一级发动机的涡轮进口温度可达到2 000~2 100 K。目前使用的镍基和钴基超级合金的抗高温能力对于进一步提高涡轮温度是有限的。涡轮温度的进一步提高将更依赖于新材料的性能, 比如具有更低导热率和更低成本的热障涂层, 先进的掺杂重金属如镍和钌的单晶材料, 这两项技术都可使涡轮温度提高50℃。
发动机高压涡轮盘的工作温度可达816℃, 其轮缘部位要求有良好的抗蠕变性能, 而中心孔周围要有最佳的抗疲劳性能。为此, 涡轮盘将采用双合金材料, 即轮缘和中心腹板部位采用不同的合金, 两部位用冶金方法连接在一起, 使轮盘的轮缘和中心腹板两个部位都有最佳的物理性能。新的金属间化合物单晶材料如Ni Al用作涡轮转子叶片材料后可使叶片的重量减轻40%, 这种材料的热传导率比超级合金高200%, 可使涡轮转子叶片叶身温度降低38℃, 有望近期在涡轮部件上获得应用。
长远看, 陶瓷材料也可能用于涡轮部件, 这种材料可使温度能力提高, 并减少冷却需求, 预计陶瓷材料将首先用于高压涡轮导向叶片。
3 航空发动机材料发展的看法
应充分重视航空传统材料的研究与提高。由于高温合金及钛合金良好的综合性能及在研制与服役中较长期的经验积累, 在未来相当一段时间内它们仍然将在发动机材料中占有一席之地。因此对传统金属材料的研究开发, 我们仍应予足够的重视, 最大限度地挖掘传统材料的潜力[1]。
加强新材料体系的研制开发。随着发动机的快速发展, 传统材料已经不能满足发动机的需求, 要求我们加强对新材料的研制开发。目前, 作为在更高温度下服务的结构材料, 被人们注意的有金属间化合物或以金属间化合物为基的复合材料, 金属基复合材料及陶瓷及复合材料。
要科学的表征材料性能, 提高材料使用的针对性与可靠性。我国航空材料, 特别是高温材料与发动机通用规范和结构完整性大纲要求差距较大, 材料的力学性能数据表征内容和测试方法与发动机结构分析和可靠性设计很不适应。在规划航空发动机材料发展的战略时, 必须将结构与材料、材料设计与成形工艺、组织结构与缺陷行为、高性能指标与可靠性统一于材料的研究与开发之中, 建立在科学的理论与实践结合的基础上[9]。
4 结语
本文对航空发动机主要部件的材料变化进行了分析比较, 重点论述了新材料的特点和优势。分析得出:随着发动机的性能不断提高, 传统材料的部分性能已经不能满足发动机的需要, 为了更好地提升发动机的性能, 应加强新材料的开发与研究, 完善新材料体系, 这对提高航空发动机的性能有着重大的意义, 必须引起我们足够的重视, 才能立于不败之地。
摘要：提高发动机的性能, 进一步降低燃油率, 改善经济效益, 都须依靠材料技术的进步。航空发动机的服役环境特殊, 所以开发耐高温, 抗氧化性、导热性与加工性能好的新型材料意义重大。本文重点分析了几种新型材料的性能特点, 及新型材料在发动机主要部件的使用情况, 展望了未来新材料的发展动态, 对提高航空发动机的性能有很大的意义。
关键词：航空发动机,高温合金,金属间化合物
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航空材料研究的开山者 篇3
流动中的求学道路
颜鸣皋的籍贯为浙江宁波慈城镇，却出生于河北省定兴北河店，要知道其中的缘故，还得从他的身世说起。颜鸣皋的爷爷因病壮年早逝，家中只有几亩薄田，奶奶为了生存，带着年幼的儿子（即颜鸣皋的父亲颜余庆）到大户人家帮佣当“梳头娘”，由于聪明能干，很得主人赏识，这家主人的太太将颜余庆认作养子。十五岁时，主人家在京汉铁路工作的大儿子回家探亲，临走将颜余庆带出学手艺，从此他走上了一条闯荡世界的道路。颜余庆先进了一家铁路上兴办的法文学校，除了学习法文，主要教授铁路方面的有关知识。他在家乡只断断续续念过两年私塾，文化底子薄，听课如同听天书，磕磕绊绊两年后总算毕了业，被分配到长辛店做报务员。实际工作中的颜余庆脑子灵、来得快，再加上老实肯干，职务不断升迁，列车长、火车站副站长、站长、车务段副段长、调度室主任……有了稳定的工作，便成了家。媳妇也是宁波人，只是工作岗位是流动的，一般两三年就换个地方，这样随着孩子的出生，他们的出生地是沿着铁路线流动，定兴、石家庄、许昌、驻马店、武汉……颜鸣皋就是1920年6月1 2日在父亲当定兴北河店站站长时出生的。
颜余庆对家务和生活操心不多，对孩子们的学习却格外上心。从小没上过学的滋味使他铭心刻骨，他养了六男六女，在家给孩子们确定的目标是，男孩子要读完高中，女孩子要读到初中，积攒的钱首先用于孩子念书。
颜鸣皋从小随父亲在铁路上过着流动的生活，生性好动，秉性执着倔强，对未知的事物充满探求的欲望。流动的生活在颜鸣皋6岁那年发生了改变，他被父母送回老家慈城，在治孝中镇小学念书。这是设在孔庙偏房的一所半私塾性质的学堂，宁波人对教育的尊崇，使颜鸣皋启蒙阶段就在心中扎下了根。1928年，父亲调到武汉列车段，为了能使孩子们受到更好的教育，他托人将颜鸣皋兄弟三人和妹妹们接到武汉念书。1931年，还没念完五年级的颜鸣皋，凭着聪明和苦读考取了武汉博文中学实验班，跨级升入中学，和大哥二哥成了校友。这是一所英国基督教创办的教会学校，管理很严，初一就上英语课，任课老师是英国牧师。初中快毕业时，父亲对颜鸣皋的期待是：考国立高中，而且是名校。
为了实现父愿，颜鸣皋大胆选择到北平去上高中。北平当时是全国的文化中心，有清华、北大那样的名校，教育的发达超过其他都市。家里经济虽说拮据，但望子成龙的迫切愿望战胜了犹豫，父母最终支持了孩子的选择。1934年春，颜鸣皋独自远行，到北平考取了汇文中学。然而，他在汇文中学只读了一个学年，就因为学费和生活花销太高，担心父母承受不了而转学到通州的潞河中学上学。这时的北平正处在抗战前夕，日寇的铁蹄在华北平原步步紧逼，国民政府步步退让，政府当局和日本人签署了卖国求和的《塘沽协定》和《何梅协定》，中国军队撤出，平静的课堂时时传来战争的枪炮和屠夫磨刀的霍霍声，震惊历史的“一二·九”运动，更使颜鸣皋难以独善其身，他为汹涌的学生游行队伍所鼓舞，又为最终学生运动的被镇压感到悲愤。经过痛苦的思考，最终决定返回武汉，重新进入母校博文中学，插班读高二。不久，“卢沟桥事变”爆发，“武汉会战”日益临近。
在这个特殊时期，学校提前放了假，颜鸣皋在家中为高考认真准备功课。他报名的第一志愿是中央大学机械系，同时报考了成都华西大学。考试结束不久，他便接到了华西大学农业化学系的录取通知。战争即将袭来，武汉已是凶多吉少，父母迫切希望孩子到大后方去读书。就这样，颜鸣皋踏上入川的旅途。
就在宜昌等候搭乘轮船的当儿，发生了戏剧性的一幕。在码头围满人群的一张中央大学发榜海报上，颜鸣皋看到了自己被中央大学工学院机械系录取的名字。中央大学此时因南京危机已举校西迁重庆，喜极而泣，于是颜鸣皋在长江的炮火硝烟中从水路到达重庆。
苦涩大学和深造转机
颜鸣皋到中央大学报到不久，武汉就沦陷了。他得不到家乡的音讯，又无法和家人取得联系，只能将来时父母给的钱算计着花，可几个月后，就花的净光。他完全断绝了经济来源，可以说是贫穷学生中的赤贫生。幸好中大的生活全部是公费，吃住不花钱，还发被褥和服装。但是宿舍是搭建的竹棚，四面透风，几十个人住在一起，透过顶棚的缝隙可以遥望星空：饭菜里没油水，总感觉吃不饱；有钱的学生可以花钱补充营养，而他们这些穷学生，只能靠每月学校发给的6元钱，扣除4元伙食费后仅剩的2元钱勉强维持。最难熬的是冬天，住在阴冷山涧中透风的宿舍，单薄的被褥常常冻得使人难以入睡。一天深夜，他正沉浸在书海中，被子被灯泡烤糊了，浓烟弥漫了宿舍。事情平息后，他只能用旧衬衫塞堵在被子的破洞上，披着坐到天明。学习生活中，躲避日寇飞机的轰炸是头等大事。有时一天要往防空洞中跑三四次。连学校的试验设备都在防空洞中，机械材料和金相学课也由老师带着到坑道里做。
1942年7月，颜鸣皋终于以优异的成绩在中大取得了工学学士学位。毕业后，他接受分配在重庆到中央工业实验所任助理工程师。1944年春，在武汉的未婚妻倪莹和他的三妹逃离敌占区到达湘西。得此消息后，他马上请假赶往湘西辰溪与倪莹汇合，并在这个小县城成了家。婚后在辰溪水泥厂谋职做材料技师。
不久，他得到同学来信，说国民政府根据美国向反法西斯国家提供援助的租借法案，已和美国达成支援中国航空工业的协议，准备公开招考公费留美实习生。尽管甜蜜的小家庭难以割舍，颜鸣皋却不愿过庸碌沉寂的日子，经过商量，他携妻子回到重庆中央工业试验所复习迎考。1945年3月，在这项百里选一的考试中他脱颖而出，终于取得了留洋深造的名额。这年4月，他告别新婚不久的妻子，沿着“驼峰航线”飞跃喜马拉雅山脉到达印度，在加尔各达港乘船穿越印度洋、地中海、大西洋，于当年6月到达美国。
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颜鸣皋到美国进修的是精密机械制造专业，他被分配到哈特福城的普惠航空发动机公司工具样板厂做实习工程师，从此与航空结上了缘。为了多学点知识和技术，他把全部精力倾注于实习劳动中，周末，还赶到耶鲁大学冶金系去听课。1946年春，听说实习生可以申请入校，他便报了该校物理冶金专业。转眼半年过去了，颜鸣皋在美实习一年期就要到了，而他的冶金专业课刚刚入门。没有公费支持学业就得半途而废，他心中不免有些焦虑。课业的系主任看他如此好学，提出为他写一封向驻美使馆申请留下来学习的信，得到了国民政府驻美使馆的认可，从此颜鸣皋在失去公助学费的情况下继续自己的深造道路，而一切费用通过向好友借钱解决。
1947年颜鸣皋通过在切斯铜合金加工厂打工，结合课堂理论课程所学，写出了第一篇论文《金属加工织构的研究》，发表后很快受到各国业界的重视和称赞。仅用一年，他就获得了物理；台金科学硕士学位。切斯铜合金加工厂研究部为此给颜鸣皋下达了正式聘书。由于条件有了改善，加快了研究步伐，颜鸣皋的科研有了新突破。他在铜织构研究中，创造性地把x射线掠射法用于织构测定，对微量杂质磷在固溶和化合物状态对再结晶织构的影响，提出了独到的见解，并运用于实践。他根据这些成果写出3篇论文，被誉为3篇具有博士水平的论文。1949年春，颜鸣皋作为在校生被破格选为美国“希格玛—塞”科学学会荣誉会员。当年7月，他以“铝单晶体的横断弯曲研究”为题，完成了自己的博士论文，获得耶鲁大学物理冶金学博士学位。
毕业后，颜鸣皋应邀到纽约大学工学院化工系与主任尼尔森一道做研究工作，并共同建立钛合金研究室。钛合金是一种世界刚刚起步的新型结构材料，发展前景广阔。在研究室组建过程中，他边教授金相学边和同事制造成一台可熔炼纽扣锭的小型真空非自耗电弧炉。他们还接到美国陆军部的委托，开展钛一碳、钛一氮平衡相图的研究，对钛合金的性能及工业化生产进行攻关。未用多长时间，颜鸣皋承担的钛合金平衡相图和加工织构的研究这两个课题就取得了革命性突破，填补了世界空白。他首次提出钛合金拉伸、压缩与轧制织构的晶格位向及其与性能关系的报告，完成了一系列论文和专著，为他在今后回到国内创建钛合金研究带来长远的影响。1950年初，继“希格玛—塞”荣誉会员后，他又被“兰普达—依普西隆”化工学会推选为荣誉会员。
颜鸣皋对事业的痴迷丝毫没有影响他对祖国的关注。随着我军三大战役的胜利，他对国内革命战争的发展趋势已经有了清晰地认识。他参加了与中共南方局有密切联系的“留美中国科学工作者协会”的活动，并且是匹兹堡第一次代表大会的组织者和活跃分子，参加编辑向留学生宣传国内形势的《留美通讯》。新中国成立，特别是抗美援朝战争爆发后，经慎重考虑，颜鸣皋决定返回祖国。回国前，他遭到美国联邦调查局的阻挠，以“非法留居”被关押，经校方和友人协助聘请律师起诉，于1951年2月胜诉后乘船回国。
国家为了在仿制飞机的基础上适时转向自行研制，首先考虑建立自己的航空研究机构。而搞航空研究最基础的是填补材料研究的空白。颜鸣皋回国后，其才学在一穷二白的工业基础上得到了逐渐施展，开始在华北大学工学院冶金系任教，1952年华北大学工学院更名为北京工业学院。1956年，党中央号召“向科学进军”，颜鸣皋奉召和我国科技精英一道参予编制国家12年科学技术发展规划，规划将他倡议的钛合金研究列为重中之重的72个项目之一。从此之后，颜鸣皋由教育单位被调到了刚刚创建的航空材料研究所，开始了与航空材料结伴一生的历程。
颜鸣皋走马上任，负责带领筹备组人员筹建钛合金专业和钛合金实验室。他只有36岁，而他手下的筹备组人员大多是刚刚走出校门20岁左右的大学生。在最初的筹建者中，有的甚至连钛合金这个名词都没听说过。颜鸣皋便从基础知识的“恶补”开始，分六个部分给大家做《钛及钛合金》的系列讲座。就在这群启蒙者中，有许多后来成为航空材料的栋梁之材。毕业于上海交通大学的曹春晓最后成长为中国科学院院士、航空材料专家。
由于北京航空材料研究所被列为苏联援建的156个项目之一，航空材料所的建设先后得到22位苏联专家的帮助指导。颜鸣皋在组织大家掌握基础知识的基础上，通过对外学习和培训培养钛合金材料研制和铸造研发的骨干和尖子。1957年10月，颜鸣皋光荣入党，成为一名中共预备党员。在他整天和同事们日夜攻关下，7.5千克真空自耗电极电弧炉试车成功并投入使用。
在苏联撕毁合同撤走专家后，我国航空科研战线开展“摸透米格—21”会战。自行设计研制新型歼击机，首先要攻克的是这种飞机上使用的钛合金材料。在与协作单位通力合作下，通过对轧制工艺、热处理制度、冲压成型工艺和焊接性能的深入研究，试制出宽800毫米、长3米的大规格TCl钛合金板材，用这种板材；中压成我国首批新型歼击机所使用的机罩前段、水平安定面和整流包等机件。
1961年，颜鸣皋被任命为金属物理及化学分析研究室主任。他设计制造出我国第一台钛合金铸造专用炉——铸造凝壳炉，不仅为开展铸造钛合金及其成形工艺创造了条件，还为以后设计制造50千克小批生产用钛合金铸造炉打下基础。1963年，他被提升为研究所总工程师，在国防部六院航空材料研究所被定衔为技术上校。在此期间，他与自己的搭档、副主任陈学印合著发表了《镍基合金的强化》的论文，在当时苏美发达国家镍基高温合金研究进入快速发展的同时，也开创了我国高温合金研究与应用的理论新成果。
正当颜鸣皋的科研成果不断获得丰收的时候，文化大革命开始了，他被打成“美国特务”、“苏修特务”。颜鸣皋的性格决定了他把磨难当成党的考验，总在自身找问题，从来没有怀疑过党和领袖发动这场运动的正确性。在严重的批斗逼供下，他在精神上承受了巨大的压力，患了处于精神分裂症边缘的“幻听症”，病情的反复发作，使他受到造反派的很多皮肉之苦，由于胃出血，饭量很小，骨瘦如材。在一次重体力劳动中，口吐鲜血栽倒在地……
航空材料疲劳与断裂理论研究获得成果
上世纪70年代初，正在服役的国产歼6飞机不断频发起落架裂纹，裂纹概率呈正态分布，峰值在飞行70～120个起降之间，对保障飞行训练、安全和战斗起飞构成了严重威胁。在不得已的情况下，武汉军区空军采用补焊方法来缓解备件不足问题。但这样做是否可靠，需要科学求证，他们为此找到北京航空材料研究所。材料所的上属部门三机部对这一课题非常重视，进行了科研立项，组织北航、西工大共同投入研究。在研究所的邀约下，处在病休中的颜鸣皋不计前嫌答应参与指导研究。这时的颜鸣皋已被宣布“解放”，虽说还列为“没有改造好的资产阶级知识分子”，但能边参加劳动边进行心爱的研究工作，这对他已是很满足了。颜鸣皋在政治和生活的某些方面是迟钝的，但科学眼光异常敏锐，视野非常开阔，就在台上批斗低头弯腰时，他已开始注意到断裂力学和新型检测技术在世界航空界的迅猛发展趋势了。
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这是他科研道路上的一个新的航标灯。当时，疲劳和断裂力学理论、参数测定的研究在我国处于初期，虽然讨论火热，可实际应用相对落后。在颜鸣皋指导下，对断口形貌进行了系统研究。他们利用扫描电镜，对α—N曲线从起始裂纹至临界裂纹，对裂纹起始、扩展、失稳扩展，至最终断裂的各个阶段特征，直接在断口上从低倍到高倍进行系统研究。利用高压透射电镜，进行断裂与钢的组织结构的研究。与中科院金属研究所共同商讨了通过金属内耗作用研究裂纹形成扩展的机理。通过反复试验，他们研究出了一套基层部队能够简便而快速准确的裂纹检测方法：为了对付内孔裂纹，他们研究出了内孔喷丸强化板带。通过试飞和损伤容限评估，补焊加强化的起落架寿命可达1200个起降，4次检查周期裂纹漏检概率为万分之几，安全概率极大增强，检查周期由50个起降改为200个起降。武汉空军还把报废在仓库中的200多副起落架重新做了修复使用，解决了飞行训练的燃眉之急。
1978年，颜鸣皋在“文革”结束后的新一届所领导班子中被任命为技术副所长、总工程师。甩掉包袱的他首先希望的是，在疲劳和断裂研究上有深入的开拓。他对不同晶系合金初期裂纹扩展出现的小平面位相，根据滑移方向和层错能的高低进行预测，获得重要研究成果。完成了疲劳裂纹萌生与初期扩展的力学行为与微观机制的研究，为我国新机种选材、服役机种故障分析和延寿做出重要贡献。应用断裂力学分析与错位模型，首次推导出预测疲劳裂纹扩展门槛值的理论计算方程，在世界疲劳界引起广泛关注。他还研究出不同超载形式和程序对飞机结构材料疲劳寿命的影响，根据断口变化特征采取变参数法对常用的威林伯格和马尔斯迟滞模型进行了修正，提高了对程序和随机加载寿命估算的精确度。他把自己的研究成果撰写出《金属疲劳断裂微观机制》一文，成为我国首次发表的有独立见解、系统阐明疲劳与断裂微观机制的经典代表作。他还为配合飞机设计部门进行损伤容限设计，对大量国产材料进行断裂数据与成活率测定，出版了多种手册与数据汇编：为飞机安全设计、合理选材提供了大量数据和理论依据，并建立了完整的试验装备，培养了一大批技术骨干，使北京航空材料研究所在材料疲劳与断裂应用研究方面处于国内领先，国际享有盛誉的地位。
架设桥梁与甘为人梯
随着改革开放力度加大，颜鸣皋参加国内外学术交流活动日益增多。早在1987年，就由他主持召开了第五届国际材料力学行为会议，并当选为理事会主席，后连续参加主持5届。1999年又被该会议推选为名誉主席，被当年的国际疲劳大会授予“终身荣誉会员”。
1991年11月，颜鸣皋当选为中国科学院学部委员（后改为院士）。然而在荣誉面前他十分淡定，把育人却视作自己后半生的神圣使命。他认为航空材料科技队伍的建设和稳定，要特别注意培养和造就一批新世纪技术骨干与创新性学术带头人。国家恢复学位制后，他就被国务院聘为第一、第二届学位委员会；台金评议组成员。北京航空材料所首批获得国务院学位委员会授权的航空科研系统第一个也是当时唯一一个博士学位授予权和多专业硕士学位授予权单位。他关心所里的研究生招生与培养、导师队伍建设，倾毕生所学亲自培养了15名硕士、23名博士、10余名博士后，目前这些学生有的已在科研和管理工作上崭露头角，并且出手不凡，成为本专业的技术骨干、学科带头人，其中半数以上担任了院领导、研究室主任、总工程师、教授、大学系主任等以上领导职务，一批优秀的跨世纪高层次人才正在崛起。颜鸣皋不仅创造了科研的辉煌，也为航空材料科研的发展打下了扎实的人才基础。
颜鸣皋的人生已跨过了90岁高峰，严重的骨质疏松病有时迫使他不得不住院治疗。然而这个当年我国航空材料研究的开山者浑身依然洋溢着骨气、豪气与朝气，他的病床旁堆放着资料与书籍，科研工作还是他挥之不去的依恋。他对来访者说：“‘航空报国，强军富民’是我们肩负的光荣历史使命。党和国家领导人多次给予我们极大的关怀和鼓励，也寄予我们极大的期望。我们航空材料基础研究，是国家航空事业腾飞的基础，我要为此尽点微薄之力。
中国航空材料现状 篇4
作者
胡政
作者单位
南昌航空大学飞行器制造工程学院090321班 摘要
关键字
航空材料
一：中国航空材料现状
自1951年建立以来，我国航空工业历经了修理，仿制、改进、改型到自行研制的漫长过程，批量生产了歼击机、轰炸机、强击机、运输机、直升机，教练机和无人机等多种类型飞机，生产了活塞式、涡轮喷气式、涡轮风扇式、涡轴式、涡轮螺旋桨式发动机，以及海防、空一空战术导弹，机载设备等系列配套产品。20世纪五六十年代，我国在引进原苏联航空产品的同时，也原封不动地引进和仿制了一大批相应的材料，这批材料目前仍是我国生产第二代
航空产品的主要材料；70年代中期以后，我国又先后引进了英、法、美等西方国家的航空产品，也相应地引进和仿制了这些国家的材料，在此期间，除对国外材料进行仿制，改进、改型外，我国还结合国情，重点研制了一批与国际水平相当的新型材料。到目前为止，我国已能生产航空用金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料达2000余个牌号，并先后制订了1000余份各类航空材料，热工艺及理化检测标准。从总体上看，我国已基本形成了比较完整的航空材料研制技术和批量生产能力，较好地满足了第三代飞机／发动机的需求，形成了主站航空装备关键材料的国内自主保障能力，但材料成 熟程度和质量稳定性还有待进一步提高。第四代飞机／发动机材料尚处于型号研制阶段，关键材料工程化研究不足，技术成熟度低，一些关键基础原材料尚不能实现国内自主供货，民机材料受到适航性的限制，暂时还依赖。
二．中国航空材料存在的主要问题
一直以来，我国航空材料普遍仿制材料多、创新材料少，单一用途材料多、一材多用材料少，研制新材料多、改进改型已定型材料少，研制材料成果多、工程应用少。这种状况不但限制了每种牌号材料的批量生产，还增加
了生产成本，降低了市场竞争力，严重制约了我国航空工业的发展，主要表现在以下几个方面： 第一，材料牌号多、不同国家的同
性能水平材料重复仿制。以高温合金为例，目前我国研制和生产的高温合金牌号有近百个，几乎是世界航空用高温合金牌号的总和，其中，仅涡轮盘用高温合金一项，我国就先后仿制和研制了不下十几个牌号，但获得广泛应用的只有一个牌号。
第二，同类材料多国标准并存，互不兼容，因此，我国没有形成相互联系与协调配套并适合国内需求的材料、工艺及理化检测标准，不利于设计选材。
第三，有潜力的定型材料改进、改型少，设计选材的继承性差、风险大。长期以来，改进、改型已定型的材料得不到重视，立项难，即使批准立项，其经费也很少，造成了定型材料潜力得不到挖掘、缺点得不到克服，难于在原有定型材料的基础上一代一代地发展下去，形成有自主知识产权的中国航空材料系列。自行研制选材和材料研制继承性差的结果直接导致了目前国内各国材料牌号并存的现状，这无形中提高了选材的风险性，增大了材料的成本。
第四，新材料储备少，型号研制周期长。我国新材料研制及其应用研究相对滞后于飞机和发动机型号的研制，型号研制中的产品设计和新材料研制或仿制、新材料应用研究同步进
行的现象普遍存在。这种“边设计型号、边研制材料、边应用材料”的状况，既延长了型号研制周期、增加了研制经费投入，又加大了型号研制的技术风险。
第五，材料性能数据积累不全，不能满足自行研制航空产品的选材要求。为仿制国外航空产品而仿制的材料一般只做少数几项基本性能检测。5大力学性能(o b、o o．
2、6、妒、0【k)数据；某些用于制造关键件、重要件的材料，缺少按损伤容限设计的性能数据和按可靠性概率设计所需的统计性能数据，如A基值、B基值及-3 o值等；零部 件在使用环境温度，介质及应力综合作用下的使用性能数据更是缺乏。
第六，材料生产批量小、使用寿命短，缺乏市场竞争力。航空产品本身就具有多样性和小批量的特点，不同型号航空产品仿制的同等性能水平的材料，由于材料牌号不同，所形成每种牌号材料的生产批量都很小，生产批次更少，加之受国内材料生产工艺技术水平和设备能力的限制，不同炉批的材料，其成分与性能虽然符合技术标准规定，但波动范围大，这样一来，最终材料材质的一致性、均匀性和稳定 性较差，市场竞争力很弱。
第七，民机材料尚未按照国际惯例实行适航性管理。我国航空工业以 生产军用飞机为主，民机材料基本上也是按照军机材料进行管理。民用飞机材料如果不按照国际适航性管理条例进行管理，那么我国的民机及其材料就难以进入国际市场。显然，原封不动地仿制国外航空材 料导致了国内航空材料发展存在一系列问题，因此，加快发展中国航空工业，航材系统必须下央心改变这—状况。
三．发展中国航空材料的建议
针对目前我国航空材料存在的问题，结合实际，提出以下建议。1．理顺并建立航空用各类材料的牌号系列
理顺并建立航空用各类材料的牌号系列是建立航空材料体系的主体，通过淘汰落后牌号、限用综合性能差与使用面窄的牌号、合并性能水平相近的牌号、优先选用综合性能好的牌号、开发研制暂缺的先进材料牌号、建立起具有不同性能水平档次的各类材料牌号系列，从而达到压缩减少材料牌号的目的，具体方法如下：(1)对现有材料牌号进行分类
在收集汇总我国目前在产与在研飞机、直升机、发动机及机载设备所用材料的基础上，将各类材料的牌
号分为“优选”、“可选”和“限选”3类，作为理顺与建立各类材料牌号系列的依据。
（2)采取不同措施解决多围材料牌号共存与重复问题 对以往在引进国外航空产品(含飞机、直升机、发动机及机载设备，以下同)过程中所仿制的各类国外材料牌号，进行全面清理和综合对比分析，其中，对目前国内不能自主生产但具有应用前景的材料牌号，予以立项研究，研究成果经相关标准规定鉴定合格者，纳入国家军用标准(G JB，简称。国军标”)，航空专业标准(HB，简称“航标”)、冶标等行业标准，同时归到该类材料的牌号系列中，对其余的国外材料牌号，严格加以“限用”，即限制在除引进航空产品以外的产品上使用。随着我国对外经济技术合作的发展，引进国外航空产品和技术将不断增加，妥善处理其中的材料问题，将是构建中国航空材料体系所面临的重大课题。为此，要在熟悉与掌握有关国家各类材料牌号成分，性能及标准的基础上，进行深入地对比分析研究。具体建议如下：
用国内现有相近材料牌号代用国外材料牌号，即如果国内现有某材料牌号的化学成分、力学及工艺性能与引进航空产品所用材料牌号相近，可按相关的程序与要求，用该材料牌号代替相应国外材料牌号-对国内现有材料牌号不能代替的国外材料牌号，且又没有仿制价值的，可根据具体使用对象与要求，采取“以优代劣”的办法加以处理，即用国内性能优于国外的同类材料牌号代用；对国内现有材料牌号难以代用的少量国外材料牌号，可对其中具有先进性和应用前景的材料牌号，进行立项研制。
(2)加强对定型成熟材料牌号的改进．升级研究。
优选”牌号中某些有广泛应用前景的牌号，可立项深入研究，挖潜改进，使其成为“一材多用”的牌号。对国外大量使用且国内成功应用的关键材如GH4169，TCll等，要跟踪研究，扩大其使用范围，实现一材多用，以取得更好的使用价值和技术经济效益。
（4)开发研制新的先进材料牌号在分析研究目前我国航空产品所用各类材料牌号系列、我国航空产业发展对材料的需求以及国外各类 航空材料发展动态的基础上，提出近5～10年内需要立项研制的材料牌号，然后分批组织实施。
2．补充测试性能数据，建芷性能数据库 《1)补充测试有关材料牌号暂缺的性能数据
对“优选”的材料牌号，根据使用的部位，要求，以及已有性能数据情况，提出尚需补测的性能数据清单，然后组织实施，对用作关键件、重要件的材料牌号，根据实际情况，提出缺失的有关结构设计、可靠性评估及寿命预测等性能数据，并进行补测。(2)建立航空材料性能款据库
将各材料研制单位、生产厂家、各航空厂(所)对各类材料、各个牌号所测试的性能数据收集起来，进行汇总与归类，建立统一的航空材料性能数据库。对数据的层次、界面，曲线、图表以公式的表达形式等进行标准化与网络化处理，并与结构设计分析程序相连，使材 料性能数据能直接进入航空产品的结构分析程序，做到数据资源共享，服务全行业。鉴于我国航空材料性能数据分散在全国各厂(所、院校)并为各自占有，在加强材料性能和材料使用性能研究测试的同时，可将数据库建立工作授权归口到航空材料专业研究机构，实现 统一管理、信息共享。3．完善航窄材料标准系列
在建立航空用各类材料牌号系列的同时，完善与建立包括各类材料牌号标准、理化性能检测标准及热工艺标准在内的航空材料标准系列。鉴于目前我国各类航空产品所用材料标准存在国家标准、国军标、航标、型号标准及企业标准等诸多标准类别，在建立我国航空材料体系时，可采取如下办法，以完善航空材料标准系列。(1)以国军标和航标作为航空材料体系的主体标准
航空产品中的关键件与重要件所用材料绝大多数是以国军标或航标订货生产，较好地体现了当前我国航空材料的生产技术水平，比较全面准确地反映了航空产品的生产与使用要求。
(2)及时解决“优连”．呵选”和。限遗”材料牌号的标准问题 对目前仍按型号标准或企业标准订货生产的“优选”与“可选”材料牌号，应创造条件，尽快纳入国军标或航标；对确定为“限选”的材料牌号，已纳入国军标或航标者，应在相应标准修订时，将其从标准中去除或作出限用说明，尚未纳入国军标或航标者，今后不得纳入。(3)统一理化检测标准
为满足相应材料标准所需数据测试结果的准确性和一致性，保证材料质量，避免供需双方出现检测结果不一致的矛盾，应对相关材料标准中所涉及到的理化检测标准加以统一。(4M订与制件成形相关的材料工艺标准金属材料的零件成形工艺(如铸造、锻压、热处理、焊接及表面处理等)、复合材料与非金属材料的制件成形工艺，不仅涉及到具体材料的特性，而且直接关系到制件的使用性能，因此，均需针对具体材料和具体制件，制订出相应的工艺标准与工艺说明书。4．制订相关政策与法规，完善运行机制．规范行业行为要建立我国自己的航空材料体系，改变多国材料云集的局面，首要的是制订相关政策与法规、完善运行机制、规范行业行为，使材料选用、材料研 制、材料生产及材料使用等各项工作走上科学化、规范化与程序化的轨道。
5．设屯材料研发贡献奖励制度
重奖结合国家资源研发的、低成本高效能的创新材料；鼓励并重奖改进，改型、定型材料的成果；鼓励并重奖在仿制国外航空产品时选用国产替代材料并取得同等效益的成果。参考文献
航空耐高温材料综述- 篇5
摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。
关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机 一．耐热材料发展的简述：
早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。
地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。
二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。二．现代航空耐高温材料
现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。这就使材料面临着高温高应力的问题，增大压缩比就需要材料在更高的温度下保持现有的抗蠕变性能。自飞机问世至2O世纪60年代初。航空发动机材料主要采用钢材和铝材，钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘、燃烧室外壳等一些主要承力部件的制造；而铝基材料则主要用于压气机叶轮、叶片、油泵壳体等部件。由于各部件所处工作环境不同(温度、受力等)，因此，其材料的组分也不同。但这两类材料自身的刚度、强度等固素，限制了人们对发动机性能的更高要求，特别是严重影响了发动机推重比的提高。
此外铝基材最的的提点就是易腐蚀，严重影响了发动机的使用寿命，为解决这些问题开始研制采用镍、钛合金来制造发动机主要部件，镍基主要制造火焰筒、涡轮叶片等部件，钛基材料主要用来制造压气机盘和叶片等部件。此外在60年代国外研制的涡轮发动机，在追求高性能研制思想的指导下，变出要求高推重比、高增压比和高涡轮前温度。由于材料方面研究相对落后。造成发动机的结构故障显著增加。70年代初期，C／C复合材料开始出现．这是一种新型的特种工程材料。除了具有石墨的各种优点外。强度和冲击韧性比石墨高5—1O倍．刚度和耐磨性高，化学厦足寸稳定性好，适于高温技术领域。准备用于制造加力燃烧室筒、叶片盘整体结构、涡轮厦尾啧管等部件。但其研制、应用进展缓慢。
三．镍基合金
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。在目前的先进发动机上，不仅涡轮叶片和燃烧室，甚至于压气机后几级叶片和盘也开始使用镍基高温合金.高温合金的发展动力直接来自于燃气涡轮发动机的发展。为满足航空汽轮发动机推力和效率的日益增长、工作温度不断提高的需要，一些新型高温合金和先进生产制造技术及工艺相继产生。涡轮叶片最高使用温度的提高一半得益于叶片设计，半得益于合金研发及工艺的进展，包括成分和结构的优化。从40年代到50年代中期，合金主要是通过成分调整来提高合金性能。50年代后期以后，合金性能主要以工艺的改进来不断提高，如真空冶炼、精密铸造，不但合金化程度可以进步提高，而且合金质量容易得到保证。进入6O年代，相继出现定向凝固、单晶合金、粉末冶金高温合金、定向共晶及机械合金化等新工艺，使合金性能不断提高
镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由于其优异的高温力学性能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-9096的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展。
镍基高温合金在高温合金的发展中占有重要地位，目前主要的研究对象是耐高温能力较好的单晶合金，主要是添加铂族元素的镍基单晶高温合金。金属间化合物，共晶，陶瓷等材料由于自身性能限制未能应用于航空发动机制造行业。
航空发动机盘用镍基超合金
该类合金的发展目标是通过增加添加元素，使其具有更高使用温度。新近发展的一种蠕变及疲劳性能更优良的镍基合金，其成分为 Ni-20Cr-1.5Ai-3-Ti-4.5Mo-13.5Co。最初采用真空感应熔炼(VIM)和真空电弧重熔(VAR)制备此合金。由于合金出现成分偏析白斑和碳化物聚集导致盘件寿命降低，美国特种金属公司(SMC)改用VIM 和电渣精炼才消除了这些缺陷，未来更新的发动机要求使用材料的温度和强度更高。最初用于叶片的Udimet720合金Ni-16Cr-2.5AI-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W)需采用粉末冶金方法才能制备成大型盘锻件，而现在SMC通过对熔炼和精炼工艺，以及锻造工艺的研究改进，已成功地制备了250mm直径的锻坯，并且用在了民用和军用机的发动机上。Inconel 7l8SPF可超塑成型的镍基合金
该合金成分与标准的(AMS5596)Inconei7l8合金相同，含50％Ni，17％Cr，0。6％Al，1％Ti，30％Mo，5％Nb，余量为Fe。但合金也有自己的标准AMS 5950，其主要差别是要求用最佳的热变形得到细的晶粒度，与普通Inconei718合金相比，细晶可超塑成型的Inconei718SPF合金疲劳寿命提高100倍，而且充分利用超塑成型技术更容易制成形状复杂，高温下比强度高，制造成本低的元件。因为最初的超塑成型技术主要用于铝和钛合金。Inconei718SPF超塑成形合金代表着材料超塑成形技术领域的最新进展。
Allvac718+是一种新型的析出硬化型镍基高温合金，可以在704摄氏度时仍保持极好的强度和持久性能。这种合金具有Waspaloy合金所具有的耐高温性能和热稳定性，同时保留了标准718合金的加工特性。此外，由于具有较低的内在原料成本，7l8合金比Waspaloy合金在成本上有优势，而且还有改良的热加工性和焊接性能，使成品零件具有较好的成材率。718+合金的强化相
718+合金中的主要强化相为γ，其体积分数随δ相的量不同，范围为19.7％～23.2％。γ相强化合金如Waspaloy和Rene41在高温下均比γ相强化合金如718具有更好的稳定性。这是由于γ相在650℃--750℃的温度范围内生长迅速，而且部分分解以平衡δ相。研究718+合金中的γ相表明其中铌和铝含量很高，与在Waspaloy和Rene41中的非常不同。这可以说明其独特的析出行为和强化效应。718+合金中含有δ相，在热力学处理过程中对合金的持久性能、缺口塑性以及调节显微结构都很有利。然而，δ相的体积分数与718合金相比非常少，并且在高温时以非常缓慢的速率趋于稳定。718+合金中也存在一些γ相，但数量较低，小于7％。
四．钛合金
钛合金在现代飞机上的应用越来越广泛,尤其是在高性能战斗机的风扇叶片、压气机叶片、盘、轴、机匣、骨架、蒙皮、机身隔框和起落架大都需要钛合金。在航天工业中,使用钛及其合金制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等。所以,现代航空航天工业中钛被称为不可缺少的太空金属 钛是同素异构体，熔点为1668℃，温度低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；高于882℃时呈体心立方晶格结构，称为β钛。通过添加合金元素，使其相变温度及相分含量改变，可得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金可分为三类：α钛合金(TA)、(α+β)钛合金(TC)和β钛合金(TB)。其中，钛合金的切削加工性最好，(α+β)钛合金次之，β钛合金最难加工 钛及其合金的主要特点是：
(1)比重较小，仅约为铁的一半稍高；
(2)强度较高，可与钢铁相匹比，而比强度则是目前金属材料中最高的；
(3)耐腐蚀性强，无论在大气、海水中以及在含硝酸和氯气的氯化介质中，其抗蚀能力都相当高，抗应力腐蚀的能力也很强；(4)加工成型以及焊接等工艺性能也相当好。航空用钛合金
钛及钛合金因密度小、比强度高、耐海水及海洋大气腐蚀、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等优异综合性能，是一种理想的航空及非航空用金属材料，世界主要发达国家如俄、美、日等对钛合金的研究应用均十分重视，使钛合金取得了明显的应用。
从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。如美国的客机波音777含钛合金的量为7％，最先进的波音787客机为15％，欧洲的空客A380客机为10％，运输机C-17为10.3％，战斗机F-4为8％，F-15为25.8％,F-22为39％,F-22四代战斗机用钛量为41％,F-119发动机用钛量为40％。
由此可见，超级大国的空中优势和海上霸权都是以强大的钛工业为基础的。他们在大力发展常规钛合金应用的同时，也注重研究新型钛合金，如美国的Alloy C阻燃钛合金、Timet LCB和Timet62S低成本钛合金；俄罗斯的BT22、BT36等，并形成了490 MPa、585 MPa、686 MPa和785MPa不同强度级别的专用船用钛合金系列。
我国钛合金研究已有40多年的历史，起源于航空，仿制了许多钛合金，而真正独立研制的钛合金是从20世纪70年开始，如沈阳金属所的550℃高温钛合金Ti55、600℃高温钛合金Ti60等；北京有色金属研究院的高强高模钛合金HE130等；北京科技大学的高Nb-TiA1合金等。西北有色金属研究院是我国钛合金研究的专业化研究院所，建院近40多年来，不仅仿制了众多的钛合金，并使
合金批量化规模化生产、应用，也创新研制了30多种新型钛合金，如具有我国自主知识产权的Ti75、Ti-B19、Ti31、Ti91、TC21、CT20、Ti12LC、TP650等等，其中部分新合金也得到批量化生产和应用，取得了良好的成绩。已形成了高温钛合金、阻燃钛合金、超高强钛合金、钛基复合材料、强韧性损伤容限钛合金、低温钛合金、超塑钛合金、船用钛合金、医用钛合金等。
航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、高温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。α 型和近α 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，因此适合于在高温环境下使用。近β型和β型钛合金尽管在室温至300℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和持久性能急剧下降。α+β型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中温环境下还有良好的综合性能。按照发动机零件的使用环境和对材料的性能要求，α型、近α型和α+β型钛合金更能满足发动机的工作要求。经过半个世纪世界各国钛合金研究工作者的努力，目前固溶强化型航空发动机用高温钛合金的最高工作温度已由350℃提高到了600℃
我国于20 世纪70 年代开始研制航空发动机用高温钛合金目前在我国航空发动机上获得应用的主要是α+β型钛合金，工作温度均在500 ℃以下。更高温度使用的近α型钛合金(如600℃高温钛合金)尚处于研发阶段，未获得应用。我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4，TC17，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1，2 级叶片，TC6 的用量较少，主要用于发动机紧固件。500℃左右工作的高温钛合金有TC11，TA15 和TA7 合金，其中TC11 是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金当工作温度达到500 ℃以上时，钛合金的蠕变性能和热稳定性的重要性愈加突出，而这2种性能之间往往存在矛盾，需要通过优化合金成分和控制显微组织使这2 个性能得以更好地匹配。目前，各国研制和使用的500 ℃ 以上高温钛合金均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用温度已达到600 ℃，我国的600 ℃高温钛合金Ti60还处于研制阶段，尚未获得正式应用。
30年来，钛合金的操作温度已由300℃左右提高到600℃。具体地说，l948年时IMI318合金用在325℃，l958年时IM1550合金用在400℃，1965年时IMI 684合金用在600℃，l968年时IMI685合金用在520℃，l977年时IMI829合金用在550℃，1983年时IM1834合金用在600℃。
α+β型钛合金
早期的钛合金都是α+β型的，它们含有亚稳定的α和β两种添加剂，其特点是由两相等轴组织构成。这类合金的典型代表是IMI318(Ti-6AI-4V)，虽然它是美国最初开发的台金之一，但它至今仍是最广泛应用在不超过325℃ 温度下的钛台金，绝大多数燃气涡轮发动机的壳体部件、风扇盘和叶片、低级和中级压气机盘和叶片都是用该台金生产的，RB211和CFM56是其最好的例子。
另一种重要的α+β合金是IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si),它的强度要比IMI318高一些，并且在400℃时显示出良好的抗蠕变能力
参考文献：
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航空维修单位先进个人申报材料 篇6
航空维修单位先进个人申报材料 同志事迹材料
同志作为机务一名特种车驾驶员，在认真贯彻执行党的路线、方针、政策，严格按照上级领导指示精神完成各项任务，保证了飞机过站、航前、航后特种车辆使用正常，未发生任何地面安全事故，为确保公司全年飞行和地面安全做出了自己的贡献，事迹如下：
一、地面保障工作及时到位，保证特种车辆正常使用
1、基地因车辆设备陈旧，老旧设备占了总设备的90%以上，故障率较高，这给设备正常使用造成一定影响，尤其是基地牵引车只有两台且都是进口车辆，使用均已之久，故障率极高。虽然同志
从未参加过维修相关培训，但他一直坚持自学，一步步摸索直至对所有特种车辆性能都比较熟悉。
对牵引车在工作中出现的故障，同志总能在最短的时间内判断出牵引车故障所在，并合理的处理故障。积极参加故障排除工作，如一次抱轮牵引车发生故障他家又有事，但他给家里打了个电话，就主动加入到牵引车的抢修中。该同志共参加疑难故障排除工作多起。通过多年来对特种车辆的摸索，同志已经掌握了一套特种车辆维护、保养技能，为确保车辆地面安全积累了丰富的经验。
2、作为一名特种车驾驶员，同志不仅能熟练掌握牵引车操作，并且能够根据每台车辆不同的性能、不同的保养计划对电源车、气源车、除冰车、充氧车等各类特种车辆进行检查，以确保特种车辆随时处于良好可用状态，从未发生任何行车事故或车辆碰挂。工作中同志严格要求自己，认真负责，遵守场内场外行车规定，工作一丝不苟，保障了车辆
使用安全，为基地维修生产做出了突出成绩。
二、维护作风扎实，工作不辞辛苦 同志认真遵守公司和基地的各项规章制度，对待工作一贯认真负责，尤其对待安全工作谨慎细致，严格坚持“三到位”，服从领导分配的工作，确保航班正点。
同志对责任区内维护车辆保养工作完成得十分出色，春秋两次换季工作一直严格按照规定在执行，发现问题能及时汇报，保障了特种车辆的正常使用。
三、爱岗敬业、无私奉献,与同事和睦相处
国外汽车发动机连杆材料最新应用 篇7
国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料主要是中碳钢与中碳合金钢, 而增压中冷强化的柴油机一般采用中碳合金钢如铬钢、锰铬钢、镍合金钢等。但上述钢在毛坯制造的过程中为了取得良好的机械性能及良好的韧性等指标都无一例外地采用正火、调质等热处理工艺来保证连杆本身达到设计要求的性能指标。而正火、调质等热处理过程中要耗费大量的能源, 特别是调质处理还需要消耗水、专用的淬火油等, 废弃的淬火液需要处理后方能达到排放标准, 这样既不利于环境保护也耗费了大量的能源, 从这一点来看并不符合节能环保的要求。于是国外新型的非调质钢的连杆材料应运而生, 而粉末冶金材料也因材料利用率高、加工余量少的特点而得到广泛的应用。
1 涨断连杆用非调质钢
20世纪末, 国内的企业根据各自不同的需求, 先后开发了不同牌号的钒系、锰钒系及在此基础上衍生的锰钒氮系连杆用非调质钢, 典型的有38Mn VS、40Mn V、48Mn V等, 但由于其强度级别小于900MPa, 故在一定程度上已经满足不了发动机的高强化和高爆发压力的要求。在这种情况下, 国外 (主要是德国) 率先研制了以C70S6BY为代表的高碳非调质钢, 其强度好、材料纯度高, 更重要的是可适应连杆孔分离面涨断工艺的需要;而法国也相应研制了SPLITASCO系列高碳钢, 其成分与C70S6相比只是为了提高可加工性能, 对P、S等微量元素的含量做了进一步调整。
为了进一步提高材料的疲劳强度, 欧洲公司在C70S6基础上进一步增加C元素的含量、添加了V的含量及添加了相应含量的Mo, 开发了70Mn SV4与80Mn S5等牌号的微合金钢, 经测试其疲劳强度比C70S6提高了10%~15%, 但是由于合金元素的加入使连杆的加工性能受到一定的影响, 目前上述两种材料只是在欧洲的几家产量较大的公司应用。
在过去的4年中, 为了满足发动机高爆压的需要, 德国研制成功了适合涨断工艺的高强度非调质钢36Mn VS4。为了提高材料的加工性能, 该材料与C70S6相比降低了材料中C的含量, 同时为了提高材料的疲劳强度增加了V、Mo的含量, 使材料的晶粒非常细化。一汽技术中心结合ET3发动机开发项目也研发了此种材料, 实践证明此种材料不仅涨断性能良好, 从疲劳试验结果来看, 其疲劳强度也达到了优质的42Cr Mo A材料调质后的水平。上述各种涨断连杆用非调质钢材料成分见表1。
C70S6、36Mn SV4金相组织分别见图1、图2。从图1、图2中可以看出C70S6的金相组织与36Mn VS4的金相组织有很大的不同, C70S6的金相组织为铁素体与粗大的珠光体组织, 而36Mn VS4的金相组织为极细小的珠光体与铁素体的混合体, 正是这样的区别使其疲劳强度相比C70S6而言提高了30%以上。
在评价36Mn SV4连杆材料机械性能时, 在拉压比为2.5的条件下, 其疲劳强度为470 MPa, 是C70S6的1.4倍, 这意味着该材料目前在适应涨断工艺的材料中强度最好, 性能有了大幅度的提高, 同时这也为连杆的轻量化设计提供了一个坚实的基础。该材料及C70S6等系列材料的疲劳性能见图3。
与此同时, 由于合金成分的变化和调整, 该材料的加工性能也比传统的C70S6系列连杆材料有较大的提高, 因为细小的铁素体-珠光体晶粒有助机械加工中的断屑过程, 这使其切削性能提高了30%, 而钻孔刀具的寿命提高了50%, 机械加工性能的提高抵消了因增加疲劳强度而增加的微量元素的部分成本。C70S6与36Mn SV4的刀具寿命比较见图4。
2 粉末冶金材料
用粉末烧结锻造工艺生产汽车发动机连杆, 最早是美国通用汽车公司进行这方面的试验并取得成功, 但当时没有达到批量生产。随后, 日本丰田汽车公司采用成分为Fe2Cu0.55C0.1S的合金粉末生产汽车发动机连杆, 并与锻钢连杆进行了拉压疲劳性能对比试验。结果表明, 粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆具有同等的疲劳性能。目前, 丰田、通用、MAZDA、福特等汽车公司粉末冶金锻造连杆均已经商品化, 全球的产量已逾千万, 粉末冶金锻造连杆在高速汽油机连杆的生产中已经占有相当的份额。一汽集团公司与丰田汽车公司的合资企业一汽丰越发动机厂生产的V6系列发动机连杆系采用粉末冶金锻造连杆。
粉末冶金锻造连杆的强度、韧性能达到锻钢连杆的水平, 是通过以下两个方面得到保证的, 一是通过锻造提高粉坯的密度, 二是通过添加合金元素使粉末锻造连杆具有足够的淬透性, 保证热处理后零件的质量。从理论上讲, 烧结锻造零件的密度, 如能达到钢材的理论密度的话, 将具有与钢制零件同等的力学性能。日本生产的Fe0.5C2.0Cu0.09S、Fe0.55C2.0Cu0.2S粉末烧结锻造连杆的密度达到7.82 g/cm3 (理论密度的99.8%) , 通过试验证明, 这样密度的烧结零件, 能够达到锻钢连杆的疲劳性能。图5中的2种高强度锻压粉末冶金连杆材料 (拉压比2.5) 的疲劳试验结果便证明了这一点, 材料成分见表2。目前, 国外正在研究高强度的粉末冶金连杆材料, 综合疲劳性能已经超过了C70S6。
粉末烧结锻造连杆锻后的金相组织为珠光体-铁素体组织, 锻后的热处理与锻钢连杆的热处理相同。即可进行调质处理, 也可锻造后空冷再直接进行切削加工, 这点与非调质钢的性质一样, 要在金属粉末中添加可弥散强化基体的合金元素, 保证锻后空冷零件的金相组织具有足够的强韧性。
粉末烧结锻造连杆的特点是经济效益显著, 粉末烧结锻造连杆与锻钢连杆相比, 其材料可节约40%, 生产成本可降低10%, 能源消耗可节约50%。主要表现在以下几个方面。
(1) 材料利用率很高几乎是85%以上, 没有传统锻造中不可避免的锻造飞边, 使材料的利用率达到了最大化。图6是锻造连杆与粉末冶金连杆材料应用率的对比情况。从图6的相关统计可以看出, 传统的锻造工艺材料利用率在70%左右, 而粉末冶金在83%以上。
(2) 连杆的模具寿命很高, 其使用周期很长, 无需频繁更换模具。而传统的锻造连杆模具需定期修整和更换。
(3) 连杆的加工余量非常小, 甚至连杆螺栓的安装面都无需加工。
(4) 刀具寿命长, 加工性能好。图7是两种材料的连杆在钻孔中加工断屑的对比, 从图7可以看出, 粉末冶金的加工断屑性明显好于C70S6, 从而将大大提高刀具的寿命。
(5) 形状精度高, 连杆无需质量分组, 大大简化了生产管理。
(6) 与上面介绍的非调质钢一样, 适合涨断工艺, 从而进一步简化了加工工艺, 降低了工艺成本。而且与C70S6相比, 涨断后连杆大头孔的变形低, 见图8。
国内烧结锻造技术还很落后, 专用的粉末冶金锻压机械及烧结炉的应用还不普遍。金属粉末的品种少, 质量差且不稳定。另外, 烧结保护气体还需进一步地研究改进, 这些都影响着我国超高密度粉末冶金锻造的应用, 在提倡节能减排的大环境下, 研究和发展我国自己的锻造粉末冶金连杆事业, 有着重大的现实意义。
3 钛合金材料
由于金属钛的密度为4.5 g/cm3, 仅为钢铁材料的58%, 因此用钛合金制造汽车发动机连杆, 可大幅度地减轻连杆的质量。
日本采用化学成分为Ti.3AI.2V的钛合金生产连杆, 其抗拉强度可达800 MPa、屈服强度可达600MPa, 相当于45调质钢的强度水平。Ti.3AI.2V易切削钛合金连杆的疲劳极限在430 MPa左右, 与45调质钢和800 MPa级的非调质钢的疲劳极限相当。钛合金连杆比钢制连杆的质量可减轻30%, 由此可使连杆的往复惯性力大幅度地降低。通过对发动机在各种不同转速下曲轴连杆间最小油膜厚度进行测量发现, 钛合金连杆和锻钢连杆在保持油膜厚度相同的条件下, 应用钛合金连杆的发动机转速比用钢制连杆的发动机转速可提高700 r/min, 由此可使发动机的输出功率大幅度提高。钛合金连杆还可显著地降低发动机的噪声, 有利于环保。
由于钛合金的成本比较高, 目前应用的范围有限, 通常是用在一些高性能赛车上。
4 铝基复合材料
由于铝具有密度小、强度高的特性, 故采用铝基材料制造车用发动机连杆能得到显著的轻量化效果。日本丰田汽车公司采用体积率为40%的氧化铝长纤维增强铝基复合材料生产发动机连杆, 其质量比锻钢连杆减轻了35%。日本本田公司采用不锈钢纤维增强铝基复合材料生产其轿车发动机连杆, 据报道至少已有5万件这种连杆被采用。但这种连杆由于采用了长纤维增强铝基复合材料, 使得其生产成本不为当今的汽车工业所接受。
颗粒增强铝基复合材料因采用价格低廉的陶瓷颗粒作增强相, 是金属基复合材料中价格唯一被汽车行业所接受的类别。目前, 采用压力浸渗工艺生产的50%Si Cp增强铝基复合材料已达到弹性模量为2×105N/mm2、弯曲强度为800 N/mm2、弯曲疲劳强度为200 N/mm2的性能指标, 极具应用前景。
5 结束语
现代发动机由于节能减排的要求, 爆发压力越来越高。最新设计开发的柴油机的爆发压力已经达到了220×105 Pa, 而欧洲最新研制的直喷增压式汽油机爆发压力也达到110×105 Pa。这就要求发动机连杆质量轻、强度高、刚度好、惯性力小, 采用相应的强化工艺, 总之要求连杆材料与要求发动机节能环保是一致的。开发利用新型的材料与工艺, 节省毛坯制造环节中的能耗, 提高材料利用率以及简化机械加工中的制造工序是连杆在设计制造中需要解决的问题和努力的主要目标。
航空发动机新材料 篇8
关键词： 航空材料 民航机务 教学内容 教学方法
航空材料与航空技术的关系极为密切，随着航空材料的发展，航空业不断向前发展。机务维修人员必须对航空材料有所了解，所以民航机务工程的教学计划中有一门针对材料的重要专业课程，就是《航空材料学》。
1.教学内容
航空材料指的是用来制造航空飞行器的材料。民用飞机包括飞机机体、发动机、机载设备和机舱四大部分材料，机体和发动机使用的材料为结构材料，机载设备使用的则是功能材料。对于民航机务工程专业的同学们来说，以后从事的工作主要是飞机机体和发动机部分的维修，所以在对本专业同学讲述《航空材料学》这门课程的时候，主要讲述的是结构材料。
在教材选取方面，与航空材料相关的书籍不少，如哈尔滨工业大学出版社的《航空材料学》，此教材内容较简要，而民航机务专业学生没有任何材料方面的先修课程作为基础，所以对于他们而言并不太适合。除此以外，如北京航空航天大学出版社的《航空工程材料》，国防工业出版社出版的《航空工程材料及应用》等，这些教材是专门为高职类航空院校编写的，本作者所在院校为独立学院。而且这些教材和机械类工程材料的教材相似度较高，偏重于传统钢铁材料，对飞机上使用的铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等的描述较少，缺乏材料在飞机上的应用实例，而机务维修注重的恰恰是应用。当然也有论述航空材料非常详细、非常全面的书籍，如航空工业出版社出版的《航空材料技术》，但内容太多且比较深奥外加价格较贵，并不适合作为教材。在教学过程中，以高职教材作为基础，对传统钢进行压缩，基本舍弃铸铁部分，对铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料、复合材料进行内容上的增加和补充，详细介绍航空材料在飞机上的具体应用。同时考虑到机务工程专业除材料力学以外没有学习过材料类知识，对大量概念、术语难以理解，所以首先应对材料的基础知识进行介绍，包括材料的性能、结构和工艺，随后再具体介绍各类航空材料及应用。
1.1航空材料基础知识。
基础知识部分主要包括三方面内容——材料的性能、结构和工艺。材料的结构和工艺决定了材料的性能，而材料的结构和工艺又是相互影响的。性能部分包括材料的使用性能和工艺性能，重点讲述使用性能中的力学性能；结构部分包括纯金属的结构与结晶，合金的相结构与结晶的过程（合金相图）。主要通过“铁碳合金相图”说明材料的化学成分、组织结构与性能之间的相互关系；工艺部分包括金属的塑性变形与再结晶、钢的热处理。主要说明如何通过改变加工工艺从而改变材料组织，最终达到改变性能的目的。
1.2航空材料。
航空材料部分具体讲述的包括铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料和复合材料。
1.2.1铝合金
铝合金作为航空器结构材料的最突出特点是密度小、延展性好、耐腐蚀、易加工、价格低等。在当前在役的民用飞机中，铝合金在总结构用量上占70%～80%的比例。尽管先进复合材料和钛合金在新型号飞机上应用比例日益提高，但铝合金由于成本和工艺上的优势，在可预见的将来仍是民用飞机的主要结构材料之一。随着航空技术的发展，铝合金也在不断发展，如A380上使用的GLARE（玻璃纤维铝合金层合板）是铝合金与玻璃纤维的复合材料，提高了材料的压缩性能、抗冲击性能、成型性能和切削性能，降低了材料的成本。铝合金在飞机上的应用非常广泛，包括蒙皮、桁条、隔框、翼肋、翼梁、壁板、螺旋桨、油箱、起落架支柱等。
1.2.2钛合金
钛合金相对于铝合金等其他结构材料的突出优点包括比强度高、热强度高、抗蚀性高等。钛合金的强度和调质结构钢相近，而钛合金的密度比钢低得多，具有高的比强度。而且钛的熔点高，再结晶温度也高，所以钛合金具有较高的热强度。再加上钛表面能形成一层致密、稳定的，由氧化物和氮化物组成的保护膜，具有很好的抗蚀性能。在潮湿的大气、海水、氧化性酸（硝酸、铬酸等）和大多数有机酸中，抗蚀性与不锈钢相当，甚至超过了不锈钢。在民航飞机上钛合金可以部分替代钢，大大减轻结构重量；钛合金也被用来制造航空发动机的压气机部件等；航天器中被用来制造各种压力容器、燃料贮箱、仪器绑带、壳体等。
1.2.3超高强度钢
超高强度钢的特点就是强度高，主要用来制造飞机上的承力构件，最典型的就是起落架。今后，超高强度钢仍然还是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的材料。
1.2.4高温材料
随着航空涡轮发动机推重比的增加，发动机部件的工作环境日益苛刻。航空发动机部件的工作环境要求制造它们的材料必须能够承受高温、高应力、氧化和腐蚀等化学作用，所以需选择具有较高的热稳定性、高的热强度、良好的工艺性能的高温材料。如航空发动机涡轮盘和涡轮叶片的典型材料——镍基高温合金，通过定向凝固技术、单晶铸造、定向共晶自生技术等可以生产出高性能的涡轮叶片；通过粉末冶金技术可以得到高性能的涡轮盘。除此以外，陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、金属间化合物等都是日后航空发动机热端部件的候选材料。
1.2.5复合材料
与传统钢、铝合金、钛合金等金属相比，复合材料具有高的比强度、比模量、耐疲劳等优点，而且复合材料还具备各种功能性、各向异性、可设计性等特点，所以不管是军用飞机还是民用飞机，复合材料的使用量都在不断增加。如B787，按照重量计算，复合材料占了61%；A380上的复合材料占了25%，其中3%是铝合金玻璃纤维复合材料（GLARE）。
2.教学方法
《航空材料学》这门课程涉及大量抽象概念和名词，很多微观组织如果只是靠教师口述讲授就比较枯燥，同学们掌握起来也非常困难。教师需要以各种不同形式呈现不同内容。
2.1现场小实验。
正所谓“眼见为实，耳听为虚”，如果同学们自己也能参与到课堂当中，那么对该部分内容留下的印象必定是深刻的。如讲述“单晶体和多晶体”的时候，可以展示单晶冰糖和多晶冰糖进行类比，通过多晶冰糖说明多晶体是由晶粒和晶界组成的。
讲述“断裂韧性”的时候会涉及裂纹的三种扩展形式——张开型、滑开型和撕开型，而其中张开型最容易扩展。为了说明这样一个问题，可以准备几个苹果，让同学们分别采用掰、滑和扭的方式把苹果分成两瓣，最终发现掰的方式最容易把苹果分开，证实了张开型最容易扩展的结论。
再如讲述“热加工”的时候可以准备一根铅丝和一根钢丝，让同学们反复折弯，钢丝在反复折弯的过程中越来越硬，最后断裂，而铅丝却一直处于很软的状态。通过这样一个实验现象说明两者的再结晶温度不同，铅丝在室温下变形其实是热加工的过程，而钢丝则是冷加工的过程。
在讲述“退火、正火、淬火和回火”的时候，可以准备一盏酒精灯、两根钢丝、一把钳子和一杯冷水。用钳子夹住钢丝在酒精灯上加热，加热到钢丝发红以后，把其中一根放在空气中慢慢冷却，另一根放在冷水中快速冷却。等到两根钢丝完全冷却以后，让同学们分别对它们折弯，用水冷却的比较硬而自然冷却的比较软，由此说明淬火和正火的区别。
在讲述“纤维组织”的时候，为了便于同学们理解纤维组织的各向异性可以给同学们分发“牛肉干”，让他们分别横向咬及纵向咬。横着咬牛肉干比较难以咬断，竖着咬则很容易把牛肉撕下来。
……
这样一些小实验可以让同学们对所学内容兴趣大增，同时可以帮助他们理解和掌握相关知识。
2.2充分运用多媒体。
与文字相比，图片、动画、视频更能让人留下深刻的印象，更能帮助人理解抽象的事物。如讲述“材料的力学性能”的时候并不是所有实验都可以动手操作，播放视频可以帮助同学们理解和掌握；讲述“疲劳现象”的时候，以2007年美军的F-15由于服役年限太长最终因为疲劳发生空中解体的视频作为引子，让同学们留下深刻的印象；把“晶胞”“晶粒生长的过程”……做成动画的形式，有助于同学们把抽象的事物具体化，降低理解的难度；讲述“复合材料”的时候，可以利用视频更好地帮助同学们理解复合材料的性能、优点，等等。如国家地理频道拍摄的有关A380的技术问题的纪录片中就很好地讲述了复合材料的结构和性能，从成吉思汗打仗时候用的弓讲起说明复合材料性能的优越性。再使用“鸡大炮”分别轰击铝合金板和加了玻璃纤维的铝合金板（GLARE），对比出后者的优越性能。这样的视频从视觉上就对同学们产生了很大的冲击，使同学们印象深刻，加深记忆和理解。
2.3结合专业背景，多运用案例。
本门课程的授课对象是机务维修专业的学生，所以讲述内容的时候不能脱离民航这个大背景，这样同学们才会觉得和自己息息相关。如在绪论部分讲述材料的发展史的时候以材料在航空中的应用为实例。100多年前（1903-1919），人们用来制作飞机的材料是木材和布，如莱特兄弟研发的“飞行者一号”，顺带讲讲莱特兄弟的有趣事情；20世纪30年代，铝合金和钢开始发展，钢管开始代替木材作为飞机的骨架，飞机的蒙皮开始使用铝合金，出现了金属结构的飞机。飞机的强度提高了，气动外形变好了，飞机的性能提高了。如德国在二战中使用的主力战机“Me-109型战斗机”；50年代，钛合金的应用使得飞机能够实现几倍音速飞行，如美国的“SR-71黑鸟侦察机”就可以达到三倍音速；70年代，复合材料的应用大大减轻飞机的重量，复合材料被用在一些不需要承受载荷的地方，如舱门、口盖，后来逐渐开始用来制作一些次承力结构，如减速板、尾翼。如美国的“F-14战斗机”，复合材料的使用量达到了20%。目前，不管是民航飞机还是军用飞机都广泛使用复合材料，如“F-35”，“B787”，“A380”，等等。通过这样一系列案例的描述，同学们理清了航空材料的发展史，也提高了学习兴趣。
除了上面所述的几点以外，老师还需要根据同学们上课的反应实时调整教学形式，甚至可以选取某些简单的章节让同学们准备内容上讲台讲述，老师可以适当补充。通过多样化教学方式提高同学们的学习兴趣。
3.结语
针对民航机务工程专业的学生，在教授《航空材料学》这门课程的时候应多注重实例讲述。首先介绍材料的基础知识，然后分别介绍各种材料。对钢的部分进行压缩，基本舍弃铸铁的部分，重点讲述铝合金、钛合金、超高强度钢、高温材料和复合材料部分内容。在教学过程中通过各种小实验、图片、动画、视频、和航空有关的各种案例和故事……提高同学们对该门课程的学习兴趣，使同学们轻松掌握航空材料的相关知识，为以后工作打下坚实的基础。
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