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

鋁合金具有比(bi)模量(liang)與(yu)比(bi)強度高、耐腐蝕性能(neng)好、加工性能(neng)好、成本低廉等(deng)突出(chu)優點，因此被認為是航(hang)空航(hang)天工業(ye)中用(yong)量(liang)最起(qi)著至關(guan)重要的作用(yong)。主要應用(yong)位置：發動(dong)機艙、艙體(ti)結構、承載壁板、梁、儀器(qi)安(an)裝(zhuang)框架(jia)、燃(ran)料儲箱等(deng)。

2、鈦合金

與鋁(lv)、鎂(mei)、鋼等金屬材料相比(bi)，鈦合金具有比(bi)強度很高、抗(kang)腐蝕性能良好、抗(kang)疲勞性能良好、熱導率和(he)線膨脹系數小等優點，可以(yi)在350~450℃以(yi)下長(chang)期使用(yong)，低溫可使用(yong)到(dao)-196℃。主(zhu)要應用(yong)位置(zhi)：航空發動(dong)機的(de)壓氣機葉片、機匣(xia)、發動(dong)機艙和(he)隔熱板(ban)等。

3、超高強度鋼

超高(gao)強度鋼具有很高(gao)的(de)抗拉強度和(he)足夠的(de)韌性(xing)(xing)，并且有良好的(de)焊(han)接性(xing)(xing)和(he)成形(xing)性(xing)(xing)。主要應用(yong)位置(zhi)：航(hang)天發(fa)動機殼體、發(fa)動機噴管、軸承(cheng)和(he)傳動齒輪(lun)。

如(ru)今，航(hang)空(kong)發動機性能(neng)不(bu)斷的(de)(de)提高(gao)，重量相比過去有了很(hen)大的(de)(de)減(jian)少，在依靠(kao)整體葉盤、整體葉環、空(kong)心葉片和(he)對轉(zhuan)渦(wo)輪等(deng)新穎結構的(de)(de)同時，將(jiang)會更(geng)看重高(gao)比強度(du)、低密度(du)、高(gao)剛(gang)度(du)和(he)耐(nai)高(gao)溫(wen)(wen)能(neng)力強的(de)(de)先進材(cai)料。傳統(tong)的(de)(de)航(hang)空(kong)發動機材(cai)料（鎳合金和(he)鈦合金）雖然仍然可以進一步發展，但(dan)它的(de)(de)發展空(kong)間(jian)已(yi)經不(bu)大了，很(hen)難滿足未來航(hang)空(kong)發動機更(geng)加苛刻的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)和(he)重量要求。

現在，樹(shu)脂基復合(he)材料、金屬基復合(he)材料、陶(tao)瓷基復合(he)材料和C/C復合(he)材料因為(wei)具有優良(liang)的低溫(wen)性(xing)能，已成為(wei)航空發(fa)動機(ji)(ji)風(feng)扇和壓(ya)氣機(ji)(ji)等部件的候選材料。

該圖片由注冊用戶"天空之城"提供，版權聲明反饋

（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(shu)基復(fu)合材(cai)(cai)料主要是指以Al、Mg等輕金(jin)屬(shu)為(wei)基體(ti)的復(fu)合材(cai)(cai)料。在航(hang)空和宇航(hang)方面主要用(yong)(yong)它來(lai)代替(ti)輕但有毒(du)的鈹。這(zhe)類材(cai)(cai)料具有優(you)良的橫向(xiang)性(xing)能、低消耗和優(you)良的可加工性(xing)，已成為(wei)在許多應用(yong)(yong)領域最具商業(ye)吸引力的材(cai)(cai)料，并(bing)且在國外已實現商品化。

其中以(yi)鋁鏗合(he)(he)(he)金、欽(qin)及鐵合(he)(he)(he)金為(wei)基的復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)是目前(qian)主要選(xuan)擇對象。如以(yi)碳(tan)化硅(gui)纖(xian)維增(zeng)強(qiang)欽(qin)合(he)(he)(he)金基體(ti)(ti)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)來(lai)(lai)制(zhi)造壓氣機(ji)葉片(pian)。碳(tan)纖(xian)維或(huo)氧化鋁纖(xian)維增(zeng)強(qiang)鎂(mei)或(huo)鎂(mei)合(he)(he)(he)金基體(ti)(ti)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)來(lai)(lai)制(zhi)造渦輪風(feng)扇(shan)葉片(pian)。又如鎳鉻鋁銥纖(xian)維增(zeng)強(qiang)鎳基合(he)(he)(he)金基體(ti)(ti)復合(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)來(lai)(lai)制(zhi)造渦輪及壓氣機(ji)用(yong)(yong)(yong)(yong)的密封元件。

在不久的將(jiang)來(lai)，金(jin)屬復合(he)材料將(jiang)會(hui)取代鎳、鈦合(he)金(jin)，成(cheng)為(wei)未來(lai)航空發動機的主(zhu)要(yao)材料。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基(ji)復合(he)材料（CMC）由于(yu)其本身耐溫高、密度(du)低的優勢(shi)，在航空發(fa)動機上的應(ying)用呈現出從(cong)低溫向(xiang)高溫、從(cong)冷端(duan)(duan)向(xiang)熱(re)端(duan)(duan)部件、從(cong)靜(jing)子(zi)(zi)向(xiang)轉子(zi)(zi)的發(fa)展趨勢(shi)。

CMC材料具有(you)(you)耐溫(wen)高(gao)、密度(du)低、類似(si)金(jin)屬的(de)斷(duan)裂行為、對裂紋不(bu)敏感、不(bu)發(fa)生災難性損毀(hui)等優(you)異性能，有(you)(you)望取代高(gao)溫(wen)合金(jin)滿足熱端部件在更(geng)高(gao)溫(wen)度(du)環(huan)境下的(de)使用，不(bu)僅有(you)(you)利于(yu)大幅(fu)減重(zhong)，而(er)且還可以(yi)節約甚(shen)至無須(xu)冷氣，從而(er)提高(gao)總(zong)壓比，實現(xian)在高(gao)溫(wen)合金(jin)耐溫(wen)基礎上進一步提升(sheng)工作溫(wen)度(du)400～500℃，結(jie)構減重(zhong)50%～70%，成為航空發(fa)動機(ji)升(sheng)級換代的(de)關(guan)鍵熱結(jie)構用材。

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(yong)位置：航空發動機(ji)冷端(duan)部(bu)件(jian)（風扇機(ji)匣、壓氣機(ji)葉片、進(jin)氣機(ji)匣等）和發動機(ji)短艙、反(fan)推(tui)力裝置等部(bu)件(jian)上得(de)到廣泛應用(yong)。

與常規的(de)(de)鈦合(he)金風扇外涵機(ji)(ji)(ji)匣相比(bi)，在(zai)保證(zheng)能夠(gou)執行所(suo)有功能和承(cheng)受(shou)整臺發動機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)靜態與飛行載荷的(de)(de)前提下(xia)，樹脂(zhi)基(ji)復合(he)材(cai)料制(zhi)造的(de)(de)外涵機(ji)(ji)(ji)匣能減(jian)輕發動機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)重量，減(jian)少發動機(ji)(ji)(ji)的(de)(de)研制(zhi)成本。

與鈦合金(jin)的靜(jing)子(zi)葉片相比(bi)，樹脂基復合材料靜(jing)子(zi)葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上(shang)。同時，通過(guo)優化纖維取向，復合材料靜(jing)子(zi)葉片的固有頻率可以被(bei)修正，以加大其許(xu)用(yong)機械和氣動設計空間。

4、C/C復合材料

碳(tan)/碳(tan)復合材(cai)料(liao)(liao)是(shi)一種(zhong)新型(xing)高(gao)溫材(cai)料(liao)(liao)，具有重量輕、模量高(gao)、比強度(du)(du)大(da)、熱膨脹系數低(di)、耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)熱沖擊(ji)、耐(nai)腐蝕、吸振(zhen)性好等一系列優異性能(neng)。該材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)密(mi)度(du)(du)不(bu)到2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)溫合金的(de)(de)1/4，陶(tao)瓷材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)1/2，尤(you)其(qi)(qi)是(shi)這(zhe)種(zhong)材(cai)料(liao)(liao)隨著溫度(du)(du)升高(gao)(可達2200℃)其(qi)(qi)強度(du)(du)不(bu)僅不(bu)降低(di)，甚至比室溫還高(gao)，這(zhe)是(shi)其(qi)(qi)它(ta)材(cai)料(liao)(liao)所無法比擬(ni)的(de)(de)獨特的(de)(de)性能(neng)。

早在(zai)80年(nian)代初，美國(guo)就開始(shi)研(yan)制碳/碳渦(wo)輪盤(pan)和渦(wo)輪葉(xie)(xie)片，以后(hou)又先后(hou)進(jin)行(xing)了F100飛機發動機的(de)燃燒室和噴(pen)管試驗(yan)(yan)，JTD試驗(yan)(yan)機低壓(ya)整體渦(wo)輪盤(pan)及(ji)葉(xie)(xie)片試驗(yan)(yan)，還進(jin)行(xing)可1760地面超速(su)試驗(yan)(yan)。德國(guo)、俄羅(luo)斯(si)和日本已相繼成功研(yan)制渦(wo)輪外(wai)環和整體渦(wo)輪。

目前盡管都認為碳/碳材料(liao)是(shi)新型高性能航空發動機熱端部件的可選材料(liao)，但國內外都還(huan)(huan)沒有把碳/碳材料(liao)真正用于發動機的轉動部件，究其原因，關鍵(jian)是(shi)以下(xia)問(wen)題還(huan)(huan)未得到(dao)很好解(jie)決：

（1）抗氧(yang)化問題，由于航(hang)空發(fa)動機工作時(shi)間長、溫度高，而碳(tan)材料(liao)在400℃以上就會開始氧(yang)化，這是(shi)一個尖銳矛盾(dun)。

（2）碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料(liao)與傳(chuan)統(tong)金屬材料(liao)在(zai)性能、結構等方面(mian)均(jun)不相同，傳(chuan)統(tong)的(de)設(she)計將不適用于碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料(liao)，必須根(gen)據(ju)該材料(liao)的(de)特點(dian)進行特殊、全新的(de)結構設(she)計，這方面(mian)的(de)研究需(xu)要進一步深(shen)入。

（3）性(xing)能的(de)穩(wen)定性(xing)、再現性(xing)是(shi)實用(yong)的(de)前提，對于(yu)復合材料而(er)言這是(shi)一個難點(dian)，要求有相應穩(wen)定的(de)工藝、增強體(ti)質量(liang)、基(ji)體(ti)質量(liang)、均(jun)勻性(xing)等(deng)一系列問(wen)題，尚需(xu)深入(ru)研究。

隨(sui)著(zhu)對(dui)復(fu)合(he)材料(liao)研(yan)究(jiu)工(gong)(gong)作(zuo)的(de)不(bu)(bu)斷深入(ru)和(he)科(ke)學家們(men)的(de)不(bu)(bu)斷探索(suo)，加(jia)之輔(fu)以持續改(gai)進的(de)生產(chan)和(he)加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝，使復(fu)合(he)材料(liao)應用(yong)的(de)普遍性(xing)、實(shi)用(yong)性(xing)、高效性(xing)得(de)到了巨大的(de)提高，應用(yong)前景非常廣闊。但是不(bu)(bu)可(ke)忽(hu)視，現在復(fu)合(he)材料(liao)在生產(chan)和(he)應用(yong)領(ling)域還存在許多問(wen)題，而這些(xie)問(wen)題也在一定程度上限制了復(fu)合(he)材料(liao)的(de)發展。因此，對(dui)復(fu)合(he)材料(liao)的(de)研(yan)究(jiu)仍(reng)將(jiang)繼續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動(dong)機主(zhu)要(yao)分(fen)(fen)為五(wu)大(da)部件，分(fen)(fen)別(bie)是進氣道、壓氣機、燃燒(shao)室、渦輪和尾噴管。

1、航(hang)空發動(dong)機(ji)進氣道主要的(de)作用(yong)是在各種(zhong)工(gong)作狀態下，能夠將足(zu)夠量的(de)空氣，以最小的(de)流(liu)(liu)動(dong)損失，引(yin)入壓氣機(ji)。亞(ya)音(yin)速進氣道是擴(kuo)張(zhang)型(xing)的(de)管道。它(ta)由殼體(ti)和整流(liu)(liu)錐組成。

2、壓氣機(ji)是(shi)航空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)重要組成部分(fen)之一。它(ta)的(de)(de)主要作用是(shi)通過(guo)高速(su)旋轉的(de)(de)葉片對空(kong)氣做功，對流過(guo)它(ta)的(de)(de)空(kong)氣進行壓縮，提高空(kong)氣的(de)(de)壓力，為之后在(zai)氣體在(zai)燃燒(shao)室(shi)中的(de)(de)燃燒(shao)創造條件，以改善發動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)經濟性，增(zeng)加發動(dong)(dong)機(ji)的(de)(de)推(tui)力。

3、燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)是發(fa)動(dong)機的(de)重要部件之一。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)位于壓氣(qi)機和(he)渦(wo)輪(lun)之間，其主要作用(yong)是高壓空氣(qi)和(he)燃(ran)(ran)(ran)油充(chong)分(fen)(fen)混合燃(ran)(ran)(ran)燒，將化學能轉化為(wei)熱能，形成高溫高壓的(de)燃(ran)(ran)(ran)氣(qi)。發(fa)動(dong)機的(de)可靠性(xing)、經濟性(xing)和(he)壽命很大程度由它決(jue)定。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)有三(san)種(zhong)基本構(gou)型，分(fen)(fen)別是分(fen)(fen)管(guan)燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)、聯管(guan)燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)和(he)環(huan)形燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)。無論那種(zhong)燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)，為(wei)了滿足基本功能都采用(yong)了減速(su)擴壓、分(fen)(fen)股(gu)進氣(qi)等(deng)技術。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)(shi)由進氣(qi)裝置（擴壓器）、火(huo)(huo)焰筒、噴(pen)嘴、點火(huo)(huo)裝置和(he)殼體(ti)組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)(de)重要(yao)部(bu)件之(zhi)一。安裝在(zai)燃(ran)(ran)燒室的(de)(de)后面，它的(de)(de)作(zuo)用是(shi)(shi)將(jiang)高溫(wen)燃(ran)(ran)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)熱(re)能(neng)和(he)(he)壓(ya)力位(wei)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)變為功，高溫(wen)高壓(ya)的(de)(de)氣(qi)體在(zai)渦(wo)輪中(zhong)膨脹(zhang)，推動(dong)渦(wo)輪旋轉(zhuan)(zhuan)，帶動(dong)風扇和(he)(he)壓(ya)氣(qi)機工作(zuo)。航空(kong)燃(ran)(ran)氣(qi)渦(wo)輪的(de)(de)特(te)點(dian)是(shi)(shi)功率大、燃(ran)(ran)氣(qi)溫(wen)度高、轉(zhuan)(zhuan)速高、效率高和(he)(he)重量輕(qing)。

5、尾噴管安裝在渦輪(lun)的(de)(de)后部(bu)，也是發動機的(de)(de)重要(yao)部(bu)件之(zhi)一(yi)。主要(yao)作用是將(jiang)從渦輪(lun)流(liu)出的(de)(de)燃氣膨(peng)脹加速(su)，將(jiang)燃氣部(bu)分(fen)的(de)(de)焓轉變為(wei)動能，提高燃氣速(su)度，使燃氣以很大的(de)(de)速(su)度排(pai)出，產生較大的(de)(de)推力。