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航空发动机高温材料的发展趋势

航空发动机高温材料

航空发动机高温材料的发展趋势

回顾航空发动机的发展历程,从二战时使用的活塞式发动机,但其功率,效率都较低。直到涡轮喷气发动机的运用,由于它具有活塞式发动机无法比拟的优点,很快淘汰了活塞式发动机,飞机性能大大提高。从航空发动机技术发展现状和趋势看, 世界航空发动机技术正呈现出一种加速发展的态势, 推重比15 ─20 级更先进的发动机研究计划也正在进行。预计这种更为先进的发动机将于2020 年左右研制成功, 并将与第五代战斗机配套使用。随着飞机的航程和飞机速度的提高, 对飞机的推力、推重比的要求也越来越大, 从而导致了发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速也都大大提高。目前, 就航空发动机的材料而言, 金属材料的使用温度已接近其极限, 不可能满足下世纪航空发动机的设计要求。因此, 发动机的设计师已开始转变传统的选材观念, 不再以金属材料作为设计的基础, 而是转向或接近新材料。从目前国外应用现状及发展前景来看,未来航空发动机的材料将以非金属材料为主体。

在当前进行的新型高温材料研究中, 陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料最为引人注目, 被认为是今后航空发动机热端部件的侯选材料。此外, 高温合金材料、难熔金属硅化物基复合材料等以其自身的优势也颇受关注。

(1) 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料比高温合金的密度小( 仅为后者的1 / 3 ─1 / 4 ) ,热膨胀系数小, 抗腐蚀性好, 理论最高温度可达1650 ℃, 因而被认为是今后先进航空发动机热端部件的侯选材料。由于陶瓷基部件不需要气体冷却, 省去或简化了冷却系统零件, 可使发动机进一步减重。经过20 多年来国际陶瓷界的精心研究, 其力学性能特别是断裂韧性已有很大提高, 但其本质上的脆性却极大地限制了它的推广应用, 从而不能取代镍基合金而得到广泛应用。高温陶瓷在航空航天领域的应用还包括作为超音速飞机的耐热保护材料、火箭和各种高速飞行器的燃料喷嘴。飞机在超音速飞行时会与空气发生摩擦, 并产生很高的温度, 超高温陶瓷具有良好的耐热能力, 可以避免高温对飞机内部结构产生破坏。火箭要克服地球引力获得高速飞行, 必须具有强大的推进能力, 所以在燃料喷嘴部位必然存在极高的燃烧温度, 而一般的材料难以满足这种应用需求, 这正是超高温陶瓷的用武之地。

近年来研究的一种新型燃气轮机涡轮叶片—陶瓷薄壁涡轮叶片。这种叶片主要由外层陶瓷壳,静止气绝热层,冷却衬,金属芯,端冒,叶根等部分组成。热屏障的关键是金属芯周围的陶瓷薄壳,通过叶尖的金属冒,使陶瓷壳主要承受压应力。这种设计通过把陶瓷壳自由地安装在金属芯上,完成了陶瓷与金属材料结合的一体化设开。这种设计综合利用了陶瓷材料耐高温性能优良和金属材料拉伸强度高综合性能好的特点,再加上使用冷却空气,可使叶片的高温性能大幅度提高。

(2) 碳碳复合材料

碳碳复合材料具有低密度、高比强、高比模量、高导热性、低膨胀系数,以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点,是目前在1650 ℃以上应用的唯一备选材料,最高理论温度更高达2600 度,因此被认为是最有发展前途的高温材料。

尽管碳/ 碳复合材料有诸多优良的高温性能, 但它在温度高于400 ℃的有氧环境中发生氧化反应, 导致材料的性能急剧下降。因此, 碳/ 碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。碳/ 碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径, 即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳 碳复合材料进行保护; 随着温度的升高, 则必须采用涂层的方法来隔绝碳碳复合材料与氧的直接接触, 以达到氧化防护的目的。目前使用最多的是涂层的方法, 随着技术的不断进步,对碳碳复合材料超高温性能的依赖越来越多,而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

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