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(lv)合金(jin)具有比(bi)(bi)模量(liang)(liang)與比(bi)(bi)強度(du)高、耐腐蝕性能好、加工(gong)性能好、成本低(di)廉等(deng)突出優(you)點，因(yin)此(ci)被認為是(shi)航(hang)空航(hang)天工(gong)業中用量(liang)(liang)最起著至關重(zhong)要(yao)的作(zuo)用。主要(yao)應(ying)用位(wei)置：發動機艙、艙體(ti)結構(gou)、承載壁(bi)板(ban)、梁、儀器安裝(zhuang)框(kuang)架、燃料儲箱等(deng)。

2、鈦合金

與鋁、鎂(mei)、鋼(gang)等金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料相比，鈦合金(jin)(jin)具有比強度很高(gao)、抗(kang)(kang)腐蝕性能良好、抗(kang)(kang)疲勞性能良好、熱(re)導(dao)率和(he)線膨脹(zhang)系數小等優點(dian)，可以(yi)在350~450℃以(yi)下長期(qi)使(shi)用(yong)(yong)，低溫可使(shi)用(yong)(yong)到-196℃。主要(yao)應用(yong)(yong)位置：航(hang)空發(fa)動機的(de)壓(ya)氣機葉片(pian)、機匣、發(fa)動機艙和(he)隔熱(re)板等。

3、超高強度鋼

超高強度鋼具(ju)有很高的抗拉強度和足夠的韌性(xing)，并且有良(liang)好的焊接性(xing)和成形性(xing)。主要應(ying)用(yong)位置：航天發動(dong)機(ji)殼體(ti)、發動(dong)機(ji)噴(pen)管(guan)、軸承和傳動(dong)齒輪。

如今，航(hang)空(kong)發動機性能(neng)不斷的(de)提高，重量相比過(guo)去有了(le)很大(da)的(de)減少，在(zai)依(yi)靠(kao)整體葉盤、整體葉環、空(kong)心葉片和(he)對轉渦(wo)輪等新穎結構的(de)同時，將(jiang)會更看重高比強(qiang)度(du)、低密(mi)度(du)、高剛度(du)和(he)耐高溫(wen)能(neng)力(li)強(qiang)的(de)先(xian)進材料。傳統的(de)航(hang)空(kong)發動機材料（鎳(nie)合金和(he)鈦合金）雖然仍然可以進一步發展，但它的(de)發展空(kong)間已經不大(da)了(le)，很難滿足未來航(hang)空(kong)發動機更加苛刻的(de)溫(wen)度(du)和(he)重量要求(qiu)。

現(xian)在，樹脂基(ji)(ji)復合材(cai)料、金屬基(ji)(ji)復合材(cai)料、陶瓷(ci)基(ji)(ji)復合材(cai)料和C/C復合材(cai)料因為具有優良的低(di)溫性能(neng)，已成為航空發動機(ji)風(feng)扇和壓氣機(ji)等(deng)部件的候(hou)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

金屬基(ji)復合(he)材料主要(yao)是指(zhi)以(yi)Al、Mg等輕金屬為基(ji)體的(de)復合(he)材料。在航空和宇航方面主要(yao)用它來代替輕但有毒的(de)鈹。這類材料具有優良(liang)的(de)橫(heng)向性能、低消耗和優良(liang)的(de)可加工性，已(yi)成為在許(xu)多應用領域最具商業(ye)吸引力的(de)材料，并且在國外已(yi)實現商品(pin)化。

其中以(yi)(yi)鋁(lv)(lv)鏗合(he)(he)金(jin)、欽(qin)及(ji)(ji)鐵合(he)(he)金(jin)為(wei)基(ji)的復合(he)(he)材料(liao)是目前主要選擇對象。如(ru)(ru)以(yi)(yi)碳化硅纖維(wei)增強欽(qin)合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材料(liao)可用(yong)來制(zhi)造(zao)壓氣機(ji)葉(xie)片(pian)。碳纖維(wei)或(huo)氧(yang)化鋁(lv)(lv)纖維(wei)增強鎂(mei)或(huo)鎂(mei)合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材料(liao)可用(yong)來制(zhi)造(zao)渦輪風(feng)扇葉(xie)片(pian)。又如(ru)(ru)鎳鉻鋁(lv)(lv)銥纖維(wei)增強鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材料(liao)可用(yong)來制(zhi)造(zao)渦輪及(ji)(ji)壓氣機(ji)用(yong)的密封元件。

在不久的將來(lai)，金(jin)屬復合材料將會(hui)取代鎳、鈦合金(jin)，成為未(wei)來(lai)航空(kong)發動機的主(zhu)要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶(tao)瓷(ci)基復合(he)材(cai)料（CMC）由(you)于其本身耐溫高、密(mi)度低(di)(di)的優勢(shi)，在航空發(fa)動(dong)機上的應用呈現出從(cong)(cong)低(di)(di)溫向(xiang)高溫、從(cong)(cong)冷端向(xiang)熱端部件(jian)、從(cong)(cong)靜(jing)子向(xiang)轉(zhuan)子的發(fa)展趨勢(shi)。

CMC材料具有耐溫(wen)高、密度低、類似(si)金(jin)(jin)屬的(de)(de)斷裂行為、對裂紋不敏(min)感、不發(fa)生災(zai)難性損毀等優異(yi)性能，有望(wang)取(qu)代高溫(wen)合金(jin)(jin)滿足(zu)熱端部件在更(geng)高溫(wen)度環境下(xia)的(de)(de)使用，不僅有利(li)于大幅(fu)減重，而(er)(er)且(qie)還可以節約甚至無須(xu)冷氣，從而(er)(er)提高總壓比，實現在高溫(wen)合金(jin)(jin)耐溫(wen)基礎上進(jin)一步提升(sheng)工(gong)作溫(wen)度400～500℃，結構減重50%～70%，成為航空發(fa)動機升(sheng)級換代的(de)(de)關鍵(jian)熱結構用材。

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。主要應用位置：航空(kong)發動機冷(leng)端部(bu)件（風扇(shan)機匣、壓氣機葉片(pian)、進氣機匣等(deng)）和發動機短艙、反推力裝置等(deng)部(bu)件上(shang)得到(dao)廣泛應用。

與(yu)常規的鈦合金風扇外涵(han)機匣相(xiang)比，在(zai)保(bao)證能夠執行(xing)所有功能和(he)承受(shou)整臺發(fa)(fa)(fa)動(dong)機的靜態(tai)與(yu)飛(fei)行(xing)載荷的前(qian)提下，樹脂(zhi)基復合材料制造的外涵(han)機匣能減輕發(fa)(fa)(fa)動(dong)機的重量，減少發(fa)(fa)(fa)動(dong)機的研(yan)制成本。

與鈦合(he)金的(de)靜(jing)子葉片相(xiang)比，樹脂基復合(he)材(cai)料靜(jing)子葉片能減輕重(zhong)量50%，降低成本50%以(yi)上。同時，通過優化纖(xian)維取向，復合(he)材(cai)料靜(jing)子葉片的(de)固有(you)頻率可以(yi)被修正，以(yi)加大其許用(yong)機械和氣動設(she)計(ji)空(kong)間。

4、C/C復合材料

碳(tan)/碳(tan)復(fu)合材(cai)料(liao)是一種新型高(gao)溫(wen)材(cai)料(liao)，具有重量輕、模量高(gao)、比(bi)(bi)(bi)強度(du)大、熱膨脹系(xi)數低、耐(nai)(nai)高(gao)溫(wen)、耐(nai)(nai)熱沖擊、耐(nai)(nai)腐(fu)蝕、吸振性好等一系(xi)列優異性能(neng)。該材(cai)料(liao)的(de)密度(du)不(bu)(bu)到2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)溫(wen)合金的(de)1/4，陶瓷(ci)材(cai)料(liao)的(de)1/2，尤其是這(zhe)種材(cai)料(liao)隨著溫(wen)度(du)升高(gao)(可(ke)達2200℃)其強度(du)不(bu)(bu)僅不(bu)(bu)降低，甚至(zhi)比(bi)(bi)(bi)室(shi)溫(wen)還高(gao)，這(zhe)是其它材(cai)料(liao)所無法(fa)比(bi)(bi)(bi)擬的(de)獨特的(de)性能(neng)。

早在80年代初(chu)，美國(guo)就開(kai)始(shi)研制(zhi)碳/碳渦(wo)輪盤和渦(wo)輪葉片(pian)，以后(hou)(hou)又先后(hou)(hou)進行了(le)F100飛機發動機的燃燒室(shi)和噴管試(shi)(shi)驗，JTD試(shi)(shi)驗機低(di)壓整(zheng)體(ti)渦(wo)輪盤及葉片(pian)試(shi)(shi)驗，還進行可1760地(di)面超(chao)速試(shi)(shi)驗。德國(guo)、俄羅斯和日本已相繼成(cheng)功研制(zhi)渦(wo)輪外環和整(zheng)體(ti)渦(wo)輪。

目前(qian)盡管都認(ren)為(wei)碳/碳材(cai)料(liao)是(shi)(shi)新型高(gao)性能航空發動(dong)機熱端部(bu)件(jian)的可(ke)選材(cai)料(liao)，但國內外都還沒(mei)有把(ba)碳/碳材(cai)料(liao)真正用于發動(dong)機的轉動(dong)部(bu)件(jian)，究其原因，關(guan)鍵是(shi)(shi)以下問題還未得到很好(hao)解決：

（1）抗氧(yang)化問(wen)題，由于(yu)航空(kong)發動機工作時間長、溫度(du)高，而(er)碳(tan)材料(liao)在400℃以上就會(hui)開始氧(yang)化，這是一個尖銳矛(mao)盾(dun)。

（2）碳/碳材(cai)料與傳(chuan)統金屬材(cai)料在(zai)性(xing)能、結構等方面均不相同，傳(chuan)統的設計將不適(shi)用于碳/碳材(cai)料，必須根(gen)據(ju)該(gai)材(cai)料的特(te)點進行(xing)特(te)殊(shu)、全新(xin)的結構設計，這(zhe)方面的研究需(xu)要進一(yi)步深入。

（3）性(xing)(xing)能的穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)、再現(xian)性(xing)(xing)是實用的前提，對(dui)于復合材料而(er)言這是一(yi)(yi)個難點，要求有相應(ying)穩(wen)定(ding)的工藝、增強體質量(liang)、基體質量(liang)、均勻性(xing)(xing)等一(yi)(yi)系列(lie)問題(ti)，尚需深入研究。

隨著對復合(he)材料(liao)(liao)研(yan)究(jiu)工作的(de)(de)不斷深入(ru)和(he)科學(xue)家們的(de)(de)不斷探索(suo)，加(jia)(jia)之(zhi)輔(fu)以持續改進的(de)(de)生產(chan)(chan)和(he)加(jia)(jia)工工藝(yi)，使復合(he)材料(liao)(liao)應用(yong)的(de)(de)普遍性、實用(yong)性、高效性得(de)到(dao)了巨(ju)大的(de)(de)提高，應用(yong)前景非常廣闊。但(dan)是不可(ke)忽視，現在復合(he)材料(liao)(liao)在生產(chan)(chan)和(he)應用(yong)領域還存(cun)在許多問題(ti)，而這些問題(ti)也在一(yi)定(ding)程度上(shang)限制了復合(he)材料(liao)(liao)的(de)(de)發展(zhan)。因此，對復合(he)材料(liao)(liao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)仍將繼(ji)續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航(hang)空發動機主要分為五大部件(jian)，分別是進(jin)氣道(dao)、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴(pen)管。

1、航空發動機(ji)進氣道(dao)主要(yao)的(de)(de)作(zuo)用是(shi)在各種工作(zuo)狀態下，能夠(gou)將(jiang)足夠(gou)量的(de)(de)空氣，以最(zui)小(xiao)的(de)(de)流動損失，引入壓氣機(ji)。亞音(yin)速進氣道(dao)是(shi)擴(kuo)張(zhang)型的(de)(de)管(guan)道(dao)。它由殼體(ti)和整流錐組成。

2、壓氣機是(shi)航(hang)空(kong)發動機的(de)重要(yao)(yao)組(zu)成部分(fen)之一。它的(de)主要(yao)(yao)作用是(shi)通過(guo)高速旋轉(zhuan)的(de)葉(xie)片對空(kong)氣做功，對流過(guo)它的(de)空(kong)氣進行(xing)壓縮，提高空(kong)氣的(de)壓力，為之后(hou)在(zai)氣體在(zai)燃(ran)燒(shao)室(shi)中的(de)燃(ran)燒(shao)創造條件，以(yi)改善發動機的(de)經濟性，增加發動機的(de)推力。

3、燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)是(shi)發動(dong)機的(de)(de)重要部件之一。燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)位于壓(ya)氣(qi)(qi)機和渦輪之間，其主要作用是(shi)高壓(ya)空氣(qi)(qi)和燃(ran)油(you)充分(fen)(fen)(fen)混合燃(ran)燒(shao)，將化(hua)學能(neng)轉化(hua)為(wei)熱能(neng)，形成高溫高壓(ya)的(de)(de)燃(ran)氣(qi)(qi)。發動(dong)機的(de)(de)可靠性、經濟性和壽命(ming)很大程度由它決定(ding)。燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)有三種(zhong)基(ji)本(ben)構型，分(fen)(fen)(fen)別是(shi)分(fen)(fen)(fen)管燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)、聯管燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)和環形燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)。無(wu)論(lun)那種(zhong)燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)，為(wei)了(le)滿足基(ji)本(ben)功能(neng)都采用了(le)減速(su)擴(kuo)壓(ya)、分(fen)(fen)(fen)股進氣(qi)(qi)等技術(shu)。燃(ran)燒(shao)室(shi)(shi)由進氣(qi)(qi)裝置(zhi)(zhi)（擴(kuo)壓(ya)器）、火(huo)焰筒、噴嘴、點火(huo)裝置(zhi)(zhi)和殼(ke)體組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)(de)重要(yao)部件之一。安裝(zhuang)在燃燒(shao)室的(de)(de)后面，它的(de)(de)作(zuo)(zuo)用是(shi)將高(gao)溫燃氣中的(de)(de)熱能(neng)和壓力位能(neng)轉(zhuan)變為功(gong)(gong)，高(gao)溫高(gao)壓的(de)(de)氣體在渦輪中膨脹，推動(dong)渦輪旋轉(zhuan)，帶動(dong)風(feng)扇和壓氣機工作(zuo)(zuo)。航(hang)空燃氣渦輪的(de)(de)特點是(shi)功(gong)(gong)率(lv)大、燃氣溫度高(gao)、轉(zhuan)速高(gao)、效率(lv)高(gao)和重量輕。

5、尾噴管安裝在渦輪(lun)的(de)(de)后部，也是發動(dong)機的(de)(de)重要部件(jian)之一(yi)。主要作用是將(jiang)從渦輪(lun)流出的(de)(de)燃(ran)(ran)氣(qi)膨脹加速，將(jiang)燃(ran)(ran)氣(qi)部分(fen)的(de)(de)焓轉變為(wei)動(dong)能，提高燃(ran)(ran)氣(qi)速度，使燃(ran)(ran)氣(qi)以很大的(de)(de)速度排出，產生較大的(de)(de)推力。