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航發科普:航空發動機上典型復合材料的應用

2019-01-24 09:49:30 admin 56

復合化是新材料的重要發展方向,也是新材料的重要組成部分和最具生命力的分支之一。航空發動機使用最廣泛的先進復合材料有:樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料,它們替代了傳統材料,擁有顯著的減重效果。

今天,發仔就為大家介紹一下航空發動機上復合材料的典型應用案例。

樹脂基復合材料

樹脂基復合材料具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、便于大面積整體成型以及具有特殊電磁性能等特點。國外的樹脂基復合材料減重效率在25%以上。樹脂基復合材料主要應用在航空發動機的外涵機匣、進氣機匣、風扇靜子葉片、壓氣機靜子葉片、風扇轉子葉片、包容機匣和升力風扇驅動軸上。

GE90系列發動機采用樹脂基復合材料制成的風扇轉子葉片。

GE90系列發動機采用樹脂基復合材料制成的風扇轉子葉片。

 陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、沒有災難性損毀,是軍用和民用發動機不可或缺的高溫材料。其中應用最廣泛的是氮化硅基復合材料。

與高溫合金和單相陶瓷相比,陶瓷基復合材料的優勢有:密度低,僅為高溫合金的1/4~1/3;具有很好的耐高溫能力,只需較少氣體冷卻或根本不需要冷卻;具有較高的氧化穩定性,使用該材料的高溫部件可以不使用昂貴且沉重的隔熱涂層或氧化保護涂層。陶瓷基復合材料主要應用于發動機的燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和噴管等部件上。

斯奈克瑪公司將自愈合陶瓷基復合材料應用于研制燃燒室火焰筒和火焰穩定器。

斯奈克瑪公司將自愈合陶瓷基復合材料應用于研制燃燒室火焰筒和火焰穩定器。

從2015年起,GE公司開始在GEnx驗證機上開展包含燃燒室火焰筒內外環、第一級高壓渦輪罩環、第二級渦輪導向器、渦輪轉子葉片的陶瓷基復合材料部件試驗,來驗證整套熱端部件的功能性和耐久性。GE9X發動機的陶瓷基復合材料渦輪轉子葉片能夠實現葉片減重2/3,耐溫提高20%,對耗油率改善的貢獻率達30%;而使用陶瓷基復合材料的燃燒室火焰筒能以更少的冷卻空氣量應對更高的溫度,改善發動機熱效率。

GE公司采用陶瓷基復合材料葉片的渦輪轉子

GE公司采用陶瓷基復合材料葉片的渦輪轉子

金屬基復合材料

金屬基復合材料是唯一正在研制并具有固有延展率的強基體復合材料。在航空領域尤其是航空發動機上應用最多的主要是鈦基復合材料(Ti-MMC)和鋁基復合材料(Al-MMC)。

1、鈦基復合材料

Ti-MMC主要應用于航空發動機的壓氣機整體葉環、空心風扇葉片、低壓軸和作動桿等零部件上。

2、鋁基合金復合材料

Al-MMC是工作溫度不超過150℃的航空發動機低壓壓氣機和外涵等部件最具應用潛力的材料,可以替換鋁合金,在質量沒有改變的同時提高了性能。

普惠公司為F119發動機開發并驗證了鈦基復合材料擴散噴管作動筒活塞部件,這也是F-22戰斗機上的第一個使用鈦基復合材料的零件。

普惠公司為F119發動機開發并驗證了鈦基復合材料擴散噴管作動筒活塞部件,這也是F-22戰斗機上的第一個使用鈦基復合材料的零件。

普惠公司在PW4000發動機中,使用鋁基合金復合材料作為風扇出口導流葉片的制造材料。

普惠公司在PW4000發動機中,使用鋁基合金復合材料作為風扇出口導流葉片的制造材料。

作為風扇出口導流葉片或壓氣機靜子葉片,鋁基合金復合材料的耐沖擊(冰雹、鳥撞等外物打傷)能力比樹脂基復合材料(石墨纖維/環氧)好,且易于發現損傷。此外,鋁基合金復合材料還具有七倍于樹脂基復合材料的抗沖蝕(沙子、雨水等)能力,而使用成本只有樹脂基復合材料的三分之二。

過去,航空發動機性能的提高有三分之一歸功于新材料的采用,今后這個比例還將升高。如今,環境與能源問題逐漸成為人們關注的焦點,復合材料作為末來材料發展的主流,必將發揮更重要的作用。(中國航發研究院 黃睿)


北京航展

北京航展作為自1978年中國改革開放以來在國內舉辦的首個國際化專業航展,歷時35年,經過幾代航空人的辛勤耕耘,為中國航空事業的發展默默的奉獻著青春與智慧。自2008年至2018年的這十年中,北京航展在各主辦單位的大力支持與積極推動下,始終以市場需求和企業訴求為導向,充分整合并匹配行業資源,建立了更高的行業口碑和社會影響,成為我國航空航天會展產業市場化與商業化運作的成功典范。

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