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(jin)具有比模量(liang)與比強(qiang)度高、耐(nai)腐蝕(shi)性(xing)能好(hao)、加工性(xing)能好(hao)、成本(ben)低廉等突出優點，因此被認為是航(hang)空航(hang)天工業中用(yong)量(liang)最起著至關重(zhong)要的作用(yong)。主要應用(yong)位置：發(fa)動機艙、艙體(ti)結構、承載壁板、梁、儀(yi)器(qi)安裝框架(jia)、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高、抗(kang)腐蝕性能良好、抗(kang)疲勞性能良好、熱導率和線膨脹系數小等優點，可(ke)以在350~450℃以下長期使(shi)用，低(di)溫可(ke)使(shi)用到-196℃。主要應用位置(zhi)：航空發(fa)動機(ji)的(de)壓氣機(ji)葉(xie)片(pian)、機(ji)匣(xia)、發(fa)動機(ji)艙(cang)和隔(ge)熱板等。

3、超高強度鋼

超高強度(du)鋼具有(you)很高的抗(kang)拉強度(du)和(he)(he)足(zu)夠(gou)的韌性，并且有(you)良好(hao)的焊接性和(he)(he)成形性。主要應用(yong)位置：航天(tian)發(fa)動機殼體、發(fa)動機噴管、軸承和(he)(he)傳動齒輪。

如(ru)今，航空(kong)發(fa)動機性能不(bu)斷的(de)(de)(de)提(ti)高，重(zhong)量相比過去有(you)了很(hen)大的(de)(de)(de)減少，在依靠整體葉盤、整體葉環、空(kong)心葉片和對(dui)轉(zhuan)渦輪等(deng)新穎結(jie)構的(de)(de)(de)同(tong)時，將會更看重(zhong)高比強(qiang)度(du)(du)(du)、低(di)密度(du)(du)(du)、高剛度(du)(du)(du)和耐高溫能力強(qiang)的(de)(de)(de)先進材(cai)料(liao)。傳(chuan)統的(de)(de)(de)航空(kong)發(fa)動機材(cai)料(liao)（鎳合金(jin)和鈦合金(jin)）雖(sui)然仍然可(ke)以進一步發(fa)展(zhan)，但它的(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)空(kong)間已經(jing)不(bu)大了，很(hen)難滿足未來航空(kong)發(fa)動機更加苛刻(ke)的(de)(de)(de)溫度(du)(du)(du)和重(zhong)量要求。

現在，樹脂基復(fu)合(he)(he)材料(liao)、金屬基復(fu)合(he)(he)材料(liao)、陶瓷基復(fu)合(he)(he)材料(liao)和C/C復(fu)合(he)(he)材料(liao)因為具有優良的(de)低溫性(xing)能，已成為航空發動機風扇和壓氣機等部(bu)件的(de)候選(xuan)材料(liao)。

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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(ji)復合(he)材(cai)料主要(yao)是指以Al、Mg等(deng)輕金(jin)屬為基(ji)體(ti)的(de)(de)復合(he)材(cai)料。在航空和宇航方(fang)面主要(yao)用它來代替輕但有毒的(de)(de)鈹。這(zhe)類材(cai)料具(ju)有優(you)良(liang)的(de)(de)橫向性(xing)能、低消耗和優(you)良(liang)的(de)(de)可(ke)加工(gong)性(xing)，已成為在許多應(ying)用領域(yu)最具(ju)商(shang)業吸引力(li)的(de)(de)材(cai)料，并且在國(guo)外已實現(xian)商(shang)品化。

其中以鋁鏗合(he)金、欽及鐵(tie)合(he)金為基(ji)的(de)復合(he)材(cai)料是目前主要(yao)選擇(ze)對象。如以碳(tan)化硅纖維(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)欽合(he)金基(ji)體復合(he)材(cai)料可(ke)(ke)用來(lai)制(zhi)造(zao)壓氣機(ji)葉(xie)片。碳(tan)纖維(wei)(wei)或氧化鋁纖維(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)鎂或鎂合(he)金基(ji)體復合(he)材(cai)料可(ke)(ke)用來(lai)制(zhi)造(zao)渦(wo)輪(lun)風扇葉(xie)片。又如鎳(nie)鉻(ge)鋁銥纖維(wei)(wei)增(zeng)強(qiang)鎳(nie)基(ji)合(he)金基(ji)體復合(he)材(cai)料可(ke)(ke)用來(lai)制(zhi)造(zao)渦(wo)輪(lun)及壓氣機(ji)用的(de)密封元件。

在不久的將來(lai)(lai)，金屬復合材料(liao)將會取(qu)代鎳、鈦合金，成(cheng)為未來(lai)(lai)航空發動機的主要(yao)材料(liao)。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料（CMC）由于其(qi)本身耐(nai)溫(wen)高(gao)、密度低的(de)(de)優勢(shi)，在航空(kong)發(fa)動機上的(de)(de)應用(yong)呈現出(chu)從低溫(wen)向(xiang)高(gao)溫(wen)、從冷端向(xiang)熱端部件、從靜子向(xiang)轉子的(de)(de)發(fa)展趨勢(shi)。

CMC材料具(ju)有(you)(you)耐(nai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)高、密度低(di)、類似(si)金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發生災難(nan)性損毀等(deng)優異性能，有(you)(you)望(wang)取代高溫(wen)(wen)(wen)(wen)合(he)(he)金滿(man)足(zu)熱端部件在更高溫(wen)(wen)(wen)(wen)度環境下的使用，不僅(jin)有(you)(you)利(li)于大幅(fu)減重，而且還可以節(jie)約甚至無(wu)須冷氣，從而提高總(zong)壓比，實現在高溫(wen)(wen)(wen)(wen)合(he)(he)金耐(nai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)基礎上進一步提升工(gong)作溫(wen)(wen)(wen)(wen)度400～500℃，結(jie)構減重50%～70%，成(cheng)為航空發動機升級換(huan)代的關鍵熱結(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(zhu)要應用(yong)位置：航空發動機冷端部件（風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等）和發動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應用(yong)。

與(yu)常規(gui)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金風(feng)扇外涵(han)機(ji)匣(xia)相比，在(zai)保證能(neng)夠(gou)執(zhi)行(xing)(xing)所有功能(neng)和承受整臺(tai)發動機(ji)的(de)(de)(de)(de)靜態與(yu)飛行(xing)(xing)載荷的(de)(de)(de)(de)前(qian)提下，樹脂基復合(he)材料制造的(de)(de)(de)(de)外涵(han)機(ji)匣(xia)能(neng)減輕發動機(ji)的(de)(de)(de)(de)重量，減少(shao)發動機(ji)的(de)(de)(de)(de)研制成本。

與鈦合金(jin)的靜(jing)子(zi)葉(xie)片相(xiang)比，樹(shu)脂基復合材料靜(jing)子(zi)葉(xie)片能(neng)減輕重量50%，降低成(cheng)本50%以(yi)上。同時，通過優化(hua)纖(xian)維取向，復合材料靜(jing)子(zi)葉(xie)片的固有頻率可以(yi)被修(xiu)正，以(yi)加大其許用(yong)機械(xie)和氣動設計(ji)空間。

4、C/C復合材料

碳/碳復合(he)材(cai)料(liao)是(shi)一種新型高(gao)(gao)溫(wen)材(cai)料(liao)，具有重量(liang)輕(qing)、模(mo)量(liang)高(gao)(gao)、比強度(du)(du)大(da)、熱(re)膨脹系數(shu)低、耐高(gao)(gao)溫(wen)、耐熱(re)沖擊、耐腐蝕(shi)、吸振性(xing)好(hao)等一系列優異性(xing)能(neng)。該材(cai)料(liao)的密度(du)(du)不到2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)(gao)溫(wen)合(he)金的1/4，陶瓷材(cai)料(liao)的1/2，尤其(qi)(qi)是(shi)這種材(cai)料(liao)隨著(zhu)溫(wen)度(du)(du)升高(gao)(gao)(可達2200℃)其(qi)(qi)強度(du)(du)不僅不降低，甚至比室(shi)溫(wen)還(huan)高(gao)(gao)，這是(shi)其(qi)(qi)它材(cai)料(liao)所無法比擬的獨特的性(xing)能(neng)。

早在80年代初(chu)，美國就(jiu)開始研制碳/碳渦(wo)(wo)(wo)輪盤和渦(wo)(wo)(wo)輪葉片，以后又先后進行(xing)了F100飛機發動機的燃燒(shao)室和噴管試驗，JTD試驗機低壓(ya)整體渦(wo)(wo)(wo)輪盤及葉片試驗，還(huan)進行(xing)可(ke)1760地面(mian)超速試驗。德國、俄羅斯和日本已相繼成功研制渦(wo)(wo)(wo)輪外(wai)環(huan)和整體渦(wo)(wo)(wo)輪。

目前盡管都認為(wei)碳/碳材(cai)(cai)(cai)料是新型高性能航(hang)空發動機熱端部(bu)件的(de)可選材(cai)(cai)(cai)料，但國內外(wai)都還沒有(you)把碳/碳材(cai)(cai)(cai)料真(zhen)正(zheng)用于發動機的(de)轉動部(bu)件，究其原因，關鍵是以下(xia)問題(ti)還未得到(dao)很好解(jie)決：

（1）抗氧(yang)化問題，由于航空發動機工(gong)作(zuo)時間長(chang)、溫度高，而碳材料在400℃以上就會開始氧(yang)化，這是一個尖銳(rui)矛(mao)盾(dun)。

（2）碳/碳材(cai)(cai)(cai)料(liao)與傳(chuan)統(tong)金屬材(cai)(cai)(cai)料(liao)在性能(neng)、結(jie)(jie)構(gou)等方面均不相同，傳(chuan)統(tong)的設計將不適(shi)用于碳/碳材(cai)(cai)(cai)料(liao)，必(bi)須根據該材(cai)(cai)(cai)料(liao)的特(te)點進行特(te)殊、全新的結(jie)(jie)構(gou)設計，這方面的研究需要進一步(bu)深入。

（3）性能的穩定性、再現性是(shi)實用的前(qian)提，對于復(fu)合材料而言這(zhe)是(shi)一個難點，要求(qiu)有相應穩定的工藝、增強體質(zhi)量、基體質(zhi)量、均(jun)勻性等一系列問題，尚(shang)需深(shen)入研(yan)究。

隨著對復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)研究工(gong)作的(de)不(bu)斷(duan)深入和(he)科學家(jia)們(men)的(de)不(bu)斷(duan)探索，加(jia)之輔以持續改進的(de)生產(chan)和(he)加(jia)工(gong)工(gong)藝，使(shi)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)應用(yong)(yong)的(de)普遍性(xing)、實(shi)用(yong)(yong)性(xing)、高效性(xing)得到了(le)巨大的(de)提高，應用(yong)(yong)前(qian)景非常廣闊(kuo)。但是不(bu)可(ke)忽視，現(xian)在復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)在生產(chan)和(he)應用(yong)(yong)領域還存(cun)在許(xu)多問題，而這些問題也在一定程度上限制了(le)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)發展。因此(ci)，對復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)的(de)研究仍將繼續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機主要分為(wei)五大部件，分別是進氣(qi)道、壓氣(qi)機、燃燒室(shi)、渦輪和(he)尾(wei)噴管(guan)。

1、航空(kong)發動(dong)(dong)機(ji)進(jin)氣(qi)(qi)道(dao)主(zhu)要的(de)(de)作用是(shi)在各種工(gong)作狀態下，能夠將(jiang)足夠量的(de)(de)空(kong)氣(qi)(qi)，以最小的(de)(de)流動(dong)(dong)損失，引入壓氣(qi)(qi)機(ji)。亞(ya)音速進(jin)氣(qi)(qi)道(dao)是(shi)擴(kuo)張型的(de)(de)管道(dao)。它由殼體和整流錐組(zu)成。

2、壓氣(qi)(qi)機是航(hang)空(kong)發(fa)(fa)動機的重要組(zu)成部分之一。它的主要作用是通過(guo)高(gao)速旋轉的葉片(pian)對(dui)空(kong)氣(qi)(qi)做功(gong)，對(dui)流(liu)過(guo)它的空(kong)氣(qi)(qi)進行壓縮，提高(gao)空(kong)氣(qi)(qi)的壓力(li)，為之后在(zai)氣(qi)(qi)體在(zai)燃(ran)燒室中的燃(ran)燒創造條件，以改善(shan)發(fa)(fa)動機的經濟性(xing)，增加發(fa)(fa)動機的推(tui)力(li)。

3、燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)是發動(dong)機(ji)(ji)的重要(yao)部件之(zhi)一。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)位于壓氣機(ji)(ji)和(he)(he)(he)(he)渦(wo)輪(lun)之(zhi)間(jian)，其主要(yao)作用是高壓空氣和(he)(he)(he)(he)燃(ran)(ran)(ran)油充分(fen)混合(he)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)，將化學能(neng)轉化為(wei)熱(re)能(neng)，形(xing)成(cheng)高溫高壓的燃(ran)(ran)(ran)氣。發動(dong)機(ji)(ji)的可(ke)靠性(xing)(xing)、經濟性(xing)(xing)和(he)(he)(he)(he)壽命很大程度由它決定。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)有三種基本(ben)構型，分(fen)別是分(fen)管燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)、聯管燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)和(he)(he)(he)(he)環形(xing)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)。無論那種燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)，為(wei)了滿足基本(ben)功能(neng)都采用了減速擴壓、分(fen)股進氣等技術。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)由進氣裝置（擴壓器）、火焰筒(tong)、噴(pen)嘴(zui)、點火裝置和(he)(he)(he)(he)殼體組成(cheng)。

4、渦輪是航空發動機的(de)(de)重要部件之一。安裝在燃(ran)(ran)燒(shao)室的(de)(de)后面，它(ta)的(de)(de)作用是將高溫燃(ran)(ran)氣(qi)中(zhong)的(de)(de)熱能和壓(ya)力位能轉(zhuan)(zhuan)變為(wei)功(gong)，高溫高壓(ya)的(de)(de)氣(qi)體在渦輪中(zhong)膨脹，推動渦輪旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)，帶動風(feng)扇和壓(ya)氣(qi)機工作。航空燃(ran)(ran)氣(qi)渦輪的(de)(de)特點是功(gong)率大、燃(ran)(ran)氣(qi)溫度高、轉(zhuan)(zhuan)速高、效率高和重量輕(qing)。

5、尾噴管(guan)安裝在渦輪(lun)的(de)后部(bu)，也是(shi)發動機的(de)重(zhong)要(yao)部(bu)件之一。主(zhu)要(yao)作用是(shi)將從渦輪(lun)流出的(de)燃(ran)(ran)氣(qi)膨(peng)脹加速，將燃(ran)(ran)氣(qi)部(bu)分的(de)焓轉(zhuan)變(bian)為動能，提高燃(ran)(ran)氣(qi)速度(du)，使燃(ran)(ran)氣(qi)以很(hen)大(da)的(de)速度(du)排出，產生較大(da)的(de)推力。