一、航空發動機的關鍵材料有哪些

（一）航空發動機上應用的先進金屬材料

1、鋁合金

鋁合(he)金具有(you)比模量(liang)與(yu)比強度高(gao)、耐腐(fu)蝕性(xing)能好、加工性(xing)能好、成本低廉等突出優點，因此被認為(wei)是航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天工業(ye)中用(yong)量(liang)最起著至(zhi)關重要(yao)的作用(yong)。主要(yao)應用(yong)位置：發動機艙、艙體結構(gou)、承載壁板、梁、儀器安裝框(kuang)架、燃料儲箱等。

2、鈦合金

與鋁、鎂、鋼等金屬材料相比，鈦合金具有比強度很(hen)高、抗腐(fu)蝕性能(neng)良好、抗疲勞性能(neng)良好、熱導(dao)率和線膨(peng)脹(zhang)系(xi)數小等優點，可(ke)以在350~450℃以下長期使(shi)用(yong)，低溫可(ke)使(shi)用(yong)到-196℃。主要(yao)應用(yong)位置：航(hang)空發動(dong)機(ji)的(de)壓氣機(ji)葉片、機(ji)匣、發動(dong)機(ji)艙和隔(ge)熱板等。

3、超高強度鋼

超高強(qiang)度(du)(du)鋼(gang)具有很高的抗拉強(qiang)度(du)(du)和(he)足(zu)夠的韌性(xing)(xing)，并且有良好的焊(han)接性(xing)(xing)和(he)成(cheng)形(xing)性(xing)(xing)。主要應用位置：航天(tian)發動(dong)機殼體、發動(dong)機噴管、軸承和(he)傳動(dong)齒輪。

如今，航空(kong)(kong)(kong)發動(dong)機(ji)性能不斷的(de)(de)提高(gao)，重量(liang)相比過去(qu)有了很大(da)的(de)(de)減(jian)少(shao)，在依靠整(zheng)體(ti)葉盤(pan)、整(zheng)體(ti)葉環(huan)、空(kong)(kong)(kong)心(xin)葉片(pian)和對(dui)轉渦輪等(deng)新穎(ying)結構的(de)(de)同(tong)時，將會更(geng)看重高(gao)比強(qiang)(qiang)度(du)(du)(du)、低密度(du)(du)(du)、高(gao)剛度(du)(du)(du)和耐高(gao)溫能力強(qiang)(qiang)的(de)(de)先進材料。傳統(tong)的(de)(de)航空(kong)(kong)(kong)發動(dong)機(ji)材料（鎳(nie)合金(jin)和鈦(tai)合金(jin)）雖然仍然可以進一(yi)步發展(zhan)，但它(ta)的(de)(de)發展(zhan)空(kong)(kong)(kong)間已經不大(da)了，很難(nan)滿足未來(lai)航空(kong)(kong)(kong)發動(dong)機(ji)更(geng)加苛(ke)刻的(de)(de)溫度(du)(du)(du)和重量(liang)要求。

現在，樹脂基(ji)(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料、金屬(shu)基(ji)(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料、陶(tao)瓷(ci)基(ji)(ji)復(fu)(fu)合(he)材(cai)料和(he)C/C復(fu)(fu)合(he)材(cai)料因為具(ju)有優(you)良的低溫性能，已(yi)成為航空發動機(ji)風扇和(he)壓氣機(ji)等部件的候選材(cai)料。

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（二）航空發動機上應用的先進復合材料

1、金屬基復合材料

金(jin)屬基復合(he)材料(liao)主(zhu)要是指以Al、Mg等輕金(jin)屬為基體的復合(he)材料(liao)。在航空和宇航方面主(zhu)要用(yong)它(ta)來代替(ti)輕但有毒的鈹(pi)。這(zhe)類(lei)材料(liao)具有優(you)良(liang)(liang)的橫向性能、低消耗和優(you)良(liang)(liang)的可加(jia)工性，已成(cheng)為在許多應用(yong)領域最(zui)具商業吸(xi)引(yin)力的材料(liao)，并且在國(guo)外已實現商品化(hua)。

其中以鋁鏗合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)、欽及(ji)鐵合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)為(wei)基(ji)的(de)(de)復(fu)(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)是(shi)目前(qian)主要選擇對象。如(ru)以碳化硅纖(xian)(xian)維(wei)增(zeng)(zeng)(zeng)強欽合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)基(ji)體復(fu)(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)可(ke)(ke)用(yong)來(lai)制造壓氣機(ji)葉片。碳纖(xian)(xian)維(wei)或(huo)氧化鋁纖(xian)(xian)維(wei)增(zeng)(zeng)(zeng)強鎂(mei)或(huo)鎂(mei)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)基(ji)體復(fu)(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)可(ke)(ke)用(yong)來(lai)制造渦輪風扇葉片。又如(ru)鎳鉻鋁銥纖(xian)(xian)維(wei)增(zeng)(zeng)(zeng)強鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)基(ji)體復(fu)(fu)(fu)合(he)(he)材料(liao)可(ke)(ke)用(yong)來(lai)制造渦輪及(ji)壓氣機(ji)用(yong)的(de)(de)密封元件。

在不久的(de)將來，金屬(shu)復合(he)材料將會(hui)取(qu)代鎳、鈦(tai)合(he)金，成(cheng)為未來航空(kong)發動機的(de)主要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷(ci)基復合(he)材料（CMC）由于其本身耐溫(wen)高(gao)、密(mi)度(du)低的(de)優勢(shi)，在(zai)航空發動機上(shang)的(de)應用呈現出從低溫(wen)向高(gao)溫(wen)、從冷端向熱端部件、從靜子向轉子的(de)發展趨勢(shi)。

CMC材料(liao)具有(you)耐(nai)(nai)溫(wen)(wen)高、密度低、類(lei)似金(jin)屬的斷裂行為、對裂紋(wen)不敏感、不發(fa)生災難性(xing)(xing)損毀等優異(yi)性(xing)(xing)能，有(you)望取代(dai)高溫(wen)(wen)合金(jin)滿足熱(re)端(duan)部件在(zai)(zai)更高溫(wen)(wen)度環境下的使用(yong)，不僅有(you)利于大幅減重，而且還可以節約甚至無須冷氣，從而提高總壓比，實現在(zai)(zai)高溫(wen)(wen)合金(jin)耐(nai)(nai)溫(wen)(wen)基礎上進一步提升工作溫(wen)(wen)度400～500℃，結構減重50%～70%，成為航(hang)空(kong)發(fa)動機升級換代(dai)的關(guan)鍵熱(re)結構用(yong)材。

3、樹脂基復合材料

先進樹脂基復合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復合材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比，它的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強度與比模量遠高于后二者。主要應用位置：航空發(fa)動機(ji)冷端部件（風扇機(ji)匣、壓氣機(ji)葉片、進氣機(ji)匣等(deng)）和(he)發(fa)動機(ji)短艙、反推力裝置等(deng)部件上(shang)得到(dao)廣泛應用。

與常(chang)規(gui)的鈦(tai)合(he)(he)金(jin)風扇外涵機(ji)匣(xia)相比，在保證能(neng)夠執(zhi)行(xing)所(suo)有功能(neng)和承受(shou)整(zheng)臺發(fa)動(dong)機(ji)的靜態(tai)與飛(fei)行(xing)載荷的前提下，樹脂基復合(he)(he)材料制造的外涵機(ji)匣(xia)能(neng)減(jian)輕(qing)發(fa)動(dong)機(ji)的重量，減(jian)少發(fa)動(dong)機(ji)的研制成(cheng)本。

與鈦合金的(de)靜(jing)子(zi)葉片相比(bi)，樹脂基(ji)復合材(cai)料靜(jing)子(zi)葉片能(neng)減輕重(zhong)量(liang)50%，降低成(cheng)本(ben)50%以(yi)上。同時(shi)，通過優化纖維取向，復合材(cai)料靜(jing)子(zi)葉片的(de)固有(you)頻率可以(yi)被修(xiu)正，以(yi)加大其許用機(ji)械和氣動設計空間。

4、C/C復合材料

碳(tan)/碳(tan)復合(he)材(cai)料是一種新(xin)型高(gao)溫(wen)(wen)材(cai)料，具有重量輕(qing)、模量高(gao)、比強(qiang)度大(da)、熱膨脹系數低、耐(nai)(nai)高(gao)溫(wen)(wen)、耐(nai)(nai)熱沖擊、耐(nai)(nai)腐蝕、吸振(zhen)性好等一系列優異性能(neng)。該材(cai)料的密度不到2.0g/cm3，僅為鎳基(ji)高(gao)溫(wen)(wen)合(he)金(jin)的1/4，陶瓷材(cai)料的1/2，尤(you)其是這種材(cai)料隨著溫(wen)(wen)度升(sheng)高(gao)(可達2200℃)其強(qiang)度不僅不降(jiang)低，甚至比室(shi)溫(wen)(wen)還高(gao)，這是其它材(cai)料所無法比擬的獨特的性能(neng)。

早在80年代初，美國就(jiu)開(kai)始研制碳/碳渦(wo)輪(lun)盤(pan)和(he)渦(wo)輪(lun)葉片，以后又先后進行了F100飛(fei)機發動機的燃燒(shao)室和(he)噴(pen)管(guan)試驗，JTD試驗機低壓整體渦(wo)輪(lun)盤(pan)及葉片試驗，還進行可(ke)1760地面超速試驗。德國、俄羅斯(si)和(he)日本(ben)已相(xiang)繼成功研制渦(wo)輪(lun)外環和(he)整體渦(wo)輪(lun)。

目前盡管(guan)都認為(wei)碳(tan)/碳(tan)材(cai)料(liao)是新型高性能航空發動(dong)機(ji)熱(re)端部(bu)件(jian)的可(ke)選(xuan)材(cai)料(liao)，但國內外都還(huan)沒有把碳(tan)/碳(tan)材(cai)料(liao)真正用(yong)于發動(dong)機(ji)的轉動(dong)部(bu)件(jian)，究(jiu)其原因，關鍵是以下(xia)問題還(huan)未得到很好解(jie)決：

（1）抗氧化問題，由于航空發動(dong)機工作(zuo)時間長、溫度(du)高，而(er)碳材(cai)料在400℃以(yi)上就(jiu)會開始氧化，這是(shi)一個尖銳(rui)矛盾(dun)。

（2）碳/碳材(cai)料(liao)與(yu)傳(chuan)統金屬材(cai)料(liao)在性能、結(jie)構(gou)等(deng)方(fang)面均不(bu)相同，傳(chuan)統的設計(ji)(ji)將不(bu)適用于碳/碳材(cai)料(liao)，必須根據該材(cai)料(liao)的特點進行特殊、全新的結(jie)構(gou)設計(ji)(ji)，這(zhe)方(fang)面的研究需要進一步深入(ru)。

（3）性(xing)能的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)、再現(xian)性(xing)是實用(yong)的(de)前提，對于(yu)復(fu)合材料而言這是一個(ge)難點，要(yao)求有(you)相應穩(wen)定(ding)的(de)工藝、增強體(ti)質(zhi)量(liang)、基體(ti)質(zhi)量(liang)、均勻性(xing)等一系列問題，尚(shang)需深入研(yan)究。

隨著對復(fu)合(he)材料研(yan)究工(gong)(gong)作的(de)(de)不(bu)斷(duan)深入和(he)科學家們的(de)(de)不(bu)斷(duan)探索，加之輔以持續改進的(de)(de)生(sheng)產和(he)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)，使復(fu)合(he)材料應用的(de)(de)普遍性(xing)、實用性(xing)、高效性(xing)得到了(le)巨大的(de)(de)提高，應用前景(jing)非常廣闊。但(dan)是(shi)不(bu)可忽視，現(xian)在(zai)復(fu)合(he)材料在(zai)生(sheng)產和(he)應用領域(yu)還存在(zai)許多問(wen)(wen)題，而這(zhe)些(xie)問(wen)(wen)題也在(zai)一(yi)定程度上限制了(le)復(fu)合(he)材料的(de)(de)發展。因此，對復(fu)合(he)材料的(de)(de)研(yan)究仍將(jiang)繼續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機(ji)主(zhu)要分為五大部件，分別是進氣道、壓氣機(ji)、燃燒室、渦輪和尾噴管。

1、航空發動(dong)機(ji)進氣道(dao)主要的(de)作用(yong)是在各種工作狀態下，能夠(gou)將足夠(gou)量的(de)空氣，以最小的(de)流動(dong)損失，引入壓氣機(ji)。亞音速進氣道(dao)是擴張型的(de)管道(dao)。它由殼體和整流錐組成。

2、壓氣(qi)機(ji)是航(hang)空(kong)發(fa)(fa)動機(ji)的(de)(de)重要(yao)組成部分之(zhi)一。它(ta)的(de)(de)主(zhu)要(yao)作用(yong)是通過(guo)(guo)高速旋轉的(de)(de)葉片對(dui)空(kong)氣(qi)做功，對(dui)流過(guo)(guo)它(ta)的(de)(de)空(kong)氣(qi)進行壓縮，提高空(kong)氣(qi)的(de)(de)壓力(li)，為之(zhi)后在(zai)氣(qi)體在(zai)燃(ran)(ran)燒室(shi)中(zhong)的(de)(de)燃(ran)(ran)燒創(chuang)造條件，以改善發(fa)(fa)動機(ji)的(de)(de)經濟性，增加(jia)發(fa)(fa)動機(ji)的(de)(de)推力(li)。

3、燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)是(shi)發動機的(de)重要部(bu)件之一。燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)位于壓氣機和渦輪之間，其主(zhu)要作用是(shi)高(gao)(gao)壓空(kong)氣和燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)油(you)充分(fen)混合燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)，將化(hua)學能(neng)轉化(hua)為熱能(neng)，形成高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓的(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)氣。發動機的(de)可靠性、經濟性和壽(shou)命很(hen)大(da)程度(du)由它決(jue)定。燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)有三種基本構(gou)型，分(fen)別是(shi)分(fen)管燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)、聯管燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)和環(huan)形燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)。無(wu)論那種燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)，為了滿足基本功能(neng)都(dou)采用了減速擴(kuo)壓、分(fen)股進氣等技術。燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)由進氣裝(zhuang)置(zhi)(zhi)（擴(kuo)壓器(qi)）、火焰筒、噴嘴、點火裝(zhuang)置(zhi)(zhi)和殼(ke)體組(zu)成。

4、渦輪是航空發動機的(de)(de)重要(yao)部件之一。安裝在(zai)燃燒室的(de)(de)后(hou)面，它的(de)(de)作(zuo)用是(shi)將高(gao)(gao)溫燃氣(qi)中(zhong)的(de)(de)熱能和(he)壓(ya)力位(wei)能轉(zhuan)變(bian)為功，高(gao)(gao)溫高(gao)(gao)壓(ya)的(de)(de)氣(qi)體在(zai)渦輪中(zhong)膨脹，推動渦輪旋轉(zhuan)，帶動風扇和(he)壓(ya)氣(qi)機工作(zuo)。航空燃氣(qi)渦輪的(de)(de)特(te)點(dian)是(shi)功率(lv)(lv)大、燃氣(qi)溫度高(gao)(gao)、轉(zhuan)速高(gao)(gao)、效率(lv)(lv)高(gao)(gao)和(he)重量輕(qing)。

5、尾噴管(guan)安裝在渦(wo)輪的后部(bu)(bu)，也(ye)是(shi)發動機的重要(yao)(yao)部(bu)(bu)件之一。主要(yao)(yao)作用是(shi)將(jiang)從渦(wo)輪流出的燃氣(qi)膨脹加速，將(jiang)燃氣(qi)部(bu)(bu)分(fen)的焓轉變為動能，提高燃氣(qi)速度，使燃氣(qi)以很大的速度排(pai)出，產生(sheng)較大的推力。