【深度观察】“工业皇冠上的明珠”——航空发动机

科技   2024-11-08 13:00   辽宁  

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,作为飞机的心脏,被誉为“工业之花”。它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前,世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数国家,技术门槛非常高。 

因航空发动机的高技术门槛特征,其本身的价值量也较高。在飞机各分系统成本占比中,航空发动机约占整机成本的 20%至 30%,仅次于飞机机体结构,是飞机的重要组成部分。

航空发动机结构比较复杂,主要由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮、排气装置五大部分组成,其中压气机、燃烧室、涡轮是其三大核心部件,三者也被成为核心机的组成部分。核心机囊括了推进系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件,发动机研制过程中 80%以上的技术问题都与核心机密切相关,是航空发动机研制难点较为集中的环节。

图1 航空发动机工作过程和核心机构成情况简图

1 上游材料

航空发动机设计和制造技术的先进性在很大程度上取决于所使用材料的水平。航空发动机的迭代路径首先是“动力先行”,即航空发动机以飞行器的发展需求为牵引,需提前 5-8 年发展;其次是“材料先行”,即研发一个新材料,制造成零件并装到航空发动机上大约需要 30 年,研发周期长,技术难度大,因此,航空发动机的先进性在一定程度上取决于所使用材料的水平。随着对新型航空发动机推重比要求的不断提高,航空发动机材料进入冷端以钛为主、热端以镍、钛、钢为主的时代。

先进发动机除具有较高的性能指标外,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。因航空发动机各个部位承受温度、压力等工作环境和工作任务皆不相同,因此不同结构可能用到多种复合材料和合金。如钛合金通常用作航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等;铝合金通常用于发动机舱、舱体结构、承载壁板和燃料储箱等;热端部件多用高温合金。

表1 航空发动机主要使用材料及对应部件

材料类别

主要应用位置

合金

铝合金

发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等

钛合金

航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等

超高强度钢

航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿

高温合金

适合用作发动机热端部件

镁合金

航天发动机机匣、齿轮箱等

复合材料

碳/碳复合材料

目前已有部分应用,例如美国的 F119 发动机上的加力燃烧室的尾喷管,F100 发动机的喷嘴及燃烧室喷管,F120 验证机燃烧室的部分零件已采用 C/C 基复合材料制造

陶瓷基复合材料

短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等;中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等;远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用

树脂基复合材料

航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用

金属复合材料

适合用作发动机的中温段部件


资料来源:《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》

图2 航空发动机主要部件及对应材料

1.1 高温合金: 在新型航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%~60%以上

高温合金指能够在 600°C以上及一定应力条件下长期工作的一类金属材料,具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,是军民用航空发动机热端部件不可替代的关键材料。如图3所示,在新型的航空发动机中,高温合金用量占发动机总重量的 40%~60%以上,其关键热端承力部件(红色部分)全部为高温合金。具体应用部件包括燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件,此外还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口。

图3 航空发动机中高温合金应用部位(红色部分)

高温合金根据工艺不同,可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金三种不同类型。其中,变形高温合金占比超过 70%,铸造高温合金占比为 20%,粉末高温合金不到 10%。 

变形高温合金具有良好的力学性能,仍然是航空发动机热端部件制造的主要材料之一,应用范围最广,主要用于制造航空发动机高压压气机后面级叶片、盘、机匣、燃烧室机匣等零部件。在我国,涡轮盘中变形高温合金 GH4169 合金用量最大、应用范围最广。 

铸造高温合金具有较好的抗氧化和抗热腐蚀性能,主要用于制造高低压涡轮工作叶片和导向叶片等零部件。航空发动机叶片经历着等轴晶、第二代定向柱晶、第三代单晶的工艺升级过程,涡轮叶片的承温能力得到了大幅提升。我国的铸造高温合金紧随世界铸造高温合金的发展步伐,成体系地发展了从普通铸造高温合金到单晶高温合金的众多高温合。

表2 我国主要的铸造高温合金牌号及相应的研制单

材料类别

材料类别

主要应用位置

等轴晶合金

K401、K403、K405、K406、K406C、K419、K825、K477、K4022

北京航空材料研究院

K418、K418B、K423、K423A、K424、K480、K213、K4169

冶金部钢铁研究总院

K417、K417G、K438、K438G、K441、K491、K417L

中国科学院金属研究所

K409、K640

上海钢铁研究所

定向柱晶合金

DZ4、DZ5、DZ22、DZ22B、DZ125

北京航空材料研究院

DZ17G、DZ40M、DZ38G、DZ125L

中国科学院金属研究所

单晶合金

DD3、DD4、DD6

北京航空材料研究院

DD402

冶金部钢铁研究总院

DD8

中国科学院金属研究所

(资料来源:《航空发动机高温材料的研究现状及展望》)

粉末高温合金是用粉末冶金工艺制备的高温合金,组织均匀、细小,提高合金的屈服和抗疲劳强度,主要用于制造航空发动机涡轮盘、压气机盘、鼓筒轴、封严盘、封严环、导风轮及涡轮盘高压挡板等高温承力转动部件。粉末冶金工艺解决了高合金化高温合金铸造偏析、热工艺性能差的缺点,使高合金化高温合金能够应用于工业生产,从而达到进一步提高航空发动机性能的目的。目前用于工业生产的粉末冶金高温合金牌号有 FGH95、FGH96、FGH97 等。

航空航天领域是高温合金最大应用场景。目前,高温合金主要应用于发动机领域,包括航空发动机、航天火箭发动机和各种工业用燃气涡轮发动机。根据 Roskill 统计数据,在高温合金的下游应用中,按价值来分,航空航天领域应用占比 55%,其次是电力领域,应用占比为 20%。随着新型高温合金材料的不断发展,其下游应用场景和市场需求也在迅速扩张。

图4 全球高温合金材料应用领域(按价值分)

1.2 钛合金:先进航空发动机中,高温钛合金用量占发动机总重量的 25-40%

钛合金指的是多种用钛与其他金属制成的合金金属。早期制约钛合金运用的主要因素在于冶炼成本及加工成本长期居高不下,随着冶炼及锻造技术的进步,钛合金使用范围逐渐扩大。选用钛合金作为飞机结构件的优势如下:

1

结构减重

钛在具备高强度的同时密度仅有 4.54g/cm3,比强度高于其他多数金属结构材料。钛合金比同等强度的钢的密度低 40%,代替钢和镍基合金甚至高强度钢时,能够大量减重。 

2

突破体积限制

当结构载荷比较高、采用铝合金又受到结构空间限制时,强度较高的钛合金成为较理想的材料。波音飞机上采用大钛合金锻件以降低结构体积,比如起落架、框、梁。

3

耐高温

较高的工作温度也是钛合金的一大优势。传统铝合金仅能适用于 130~150℃,在高温区域,采用钛合金更适宜,可以提高结构效率。

4

耐腐蚀

钛在常温下会迅速形成致密氧化膜,具有优良的耐腐蚀性,使其在腐蚀严重区域得以大量应用。实际上钛合金在民用飞机运营环境中,几乎不会发生腐蚀现象。

根据基体组织的不同,钛合金可以分为三类,分别为 α 合金、(α+β)合金和 β 合金。α型和近 α 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性,适合在高温环境下使用。近 β 型和 β型钛合金尽管在室温至 300°C具有高拉伸强度,但在更高温度下其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,且在中温环境下具备良好的综合性能。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,广泛用于发动机冷端部件。

2 中游零部件制造

航空发动机零部件行业产业链主要由上游的原材料供应商、中游的零部件供应商、单元体供应商、下游的发动机整机制造商构成。整机制造商主要分布于美国、法国、英国等,单元体制造商主要分布于日本、欧洲国家。

按发动机不同部位来分。航空发动机是由三万多个零部件构成的精密的、复杂的系统。它主要分为五大部件,按照气流流动方向,即进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管,其中发动机核心机包含中间三大部件。

表3 发动机核心机主要部件及其生产工艺

核心机

部件

主要应用位置

压气机

静子(工作轮)

叶片

精密锻造

叶盘

盘类锻件(高温钛合金)

整体叶盘

精密铸造

锻造

转子(导向器)

叶片

精密锻造(变形高温合金)

机匣

环锻(高温钛合金)

单晶合金

工作叶片

精密铸造(铸造母合金)

导向器(导向叶片)

精密铸造(铸造母合金)

涡轮盘

粉末高温合金

燃烧室

部分型号使用盘类锻件(变形高温合金、不锈钢和结构钢)

按照不同成形工艺分。发动机零部件的制造工艺过程从毛坯成形开始,零件毛坯按照不同的成形工艺,分为锻件、铸件、焊接结构件、冲压件等,经过热处理、精加工、模块化制造等工艺过程,成为符合特定要求的零部件或模块化总成。

精密铸造又称熔模精密铸造、失蜡铸造,通常指通过蜡料复制零件,然后在蜡料表面涂覆耐火材料形成型壳,再熔化脱除蜡料,最后向型壳中注入金属液形成铸件的工艺过程。

航空发动机结构件精密铸造工艺具有相当高的技术难度。一方面精密铸造工艺过程涉及的工序繁多,生产周期长,且各工序均存在不同程度上影响精铸件冶金质量和尺寸形状的技术因素;另一方面为保障航空发动机的服役安全,精铸件的质量检验项目多,并且各项目的技术条件十分严苛,任何化学成分、力学性能、晶粒度、显微组织、表面质量、内部冶金质量或尺寸外形等因素的不合格都将导致铸件报废。

高温合金精密铸件是应用于航空发动机、燃气轮机热端部分的关键部件,包括机匣类大型复杂薄壁结构件、涡轮转动及导向叶片、整体叶盘、导向器、扩压器等。

(a)铝镁合金单晶叶片

 (b) 燃烧室火箭筒

 (c) 航空发动机机匣

图5 部分航发铸造件

世界范围内,航空发动机和燃气轮机高温合金叶片等热端部件,仅有美国、英国等少数发达国家部分厂商处于明显领先优势,国内目前不能完全满足航空发动机和燃气轮机整机制造的需求。


来源:《铸造世界报》202401期

编辑:于浩

校对:刘冬梅

审核:曲学良

《铸造》

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