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)與比(bi)強度高、耐(nai)腐蝕性能好(hao)(hao)、加工(gong)性能好(hao)(hao)、成本(ben)低(di)廉等突出優(you)點(dian)，因此被認為是(shi)航空航天工(gong)業中用(yong)量(liang)最起著至關重要的作用(yong)。主要應(ying)用(yong)位置：發(fa)動(dong)機艙、艙體結(jie)構、承載壁板、梁、儀器安(an)裝框架(jia)、燃(ran)料儲箱等。

2、鈦合金

與鋁、鎂、鋼等(deng)金屬材料相比(bi)，鈦合金具有比(bi)強度很(hen)高、抗腐(fu)蝕性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)、抗疲(pi)勞性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)、熱導率和線膨脹系數小等(deng)優點，可以在350~450℃以下長期使用，低溫可使用到-196℃。主(zhu)要應用位置(zhi)：航空發(fa)動機的壓(ya)氣機葉片、機匣、發(fa)動機艙(cang)和隔熱板等(deng)。

3、超高強度鋼

超(chao)高強(qiang)度鋼具有(you)很高的(de)抗拉強(qiang)度和(he)足夠的(de)韌性，并且(qie)有(you)良(liang)好(hao)的(de)焊接性和(he)成形性。主要應用位置：航天發動(dong)機殼體、發動(dong)機噴管、軸承和(he)傳(chuan)動(dong)齒輪(lun)。

如今，航空發動機性能(neng)不斷的(de)(de)提(ti)高，重(zhong)(zhong)量(liang)相比過去有了(le)很(hen)大的(de)(de)減少(shao)，在依靠(kao)整體(ti)葉盤、整體(ti)葉環、空心(xin)葉片和對轉渦輪等新穎結構的(de)(de)同時，將(jiang)會更看重(zhong)(zhong)高比強度、低(di)密度、高剛(gang)度和耐高溫能(neng)力(li)強的(de)(de)先進(jin)材料(liao)(liao)。傳統的(de)(de)航空發動機材料(liao)(liao)（鎳合金和鈦合金）雖(sui)然仍然可以(yi)進(jin)一步發展，但它的(de)(de)發展空間已經不大了(le)，很(hen)難滿(man)足未來航空發動機更加苛刻的(de)(de)溫度和重(zhong)(zhong)量(liang)要求。

現在(zai)，樹(shu)脂基復(fu)(fu)(fu)合材料、金(jin)屬基復(fu)(fu)(fu)合材料、陶瓷基復(fu)(fu)(fu)合材料和C/C復(fu)(fu)(fu)合材料因為具有優(you)良的低(di)溫性能(neng)，已(yi)成為航(hang)空發動(dong)機(ji)風扇和壓氣機(ji)等部件的候選材料。

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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)(he)材(cai)(cai)料(liao)主要是(shi)指以Al、Mg等輕金(jin)屬為基體的(de)復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)。在航空和宇(yu)航方面主要用(yong)它來代(dai)替輕但有毒的(de)鈹。這類(lei)材(cai)(cai)料(liao)具有優良的(de)橫向性能、低消(xiao)耗和優良的(de)可(ke)加(jia)工性，已成為在許多應(ying)用(yong)領域(yu)最(zui)具商業吸引力(li)的(de)材(cai)(cai)料(liao)，并且在國(guo)外已實現商品化(hua)。

其中以鋁鏗合(he)(he)(he)(he)金(jin)、欽及鐵合(he)(he)(he)(he)金(jin)為基的復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)是目前(qian)主要選擇對象。如以碳化硅纖維(wei)增強欽合(he)(he)(he)(he)金(jin)基體(ti)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)可用(yong)來(lai)制造壓氣(qi)機葉片(pian)。碳纖維(wei)或(huo)(huo)氧化鋁纖維(wei)增強鎂或(huo)(huo)鎂合(he)(he)(he)(he)金(jin)基體(ti)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)可用(yong)來(lai)制造渦(wo)輪風扇(shan)葉片(pian)。又如鎳鉻鋁銥纖維(wei)增強鎳基合(he)(he)(he)(he)金(jin)基體(ti)復(fu)合(he)(he)(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)可用(yong)來(lai)制造渦(wo)輪及壓氣(qi)機用(yong)的密封元件。

在不久的(de)將(jiang)來，金屬復合材料將(jiang)會(hui)取代鎳、鈦合金，成為未(wei)來航空發動機(ji)的(de)主要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶(tao)瓷基復合材(cai)料（CMC）由于其本身(shen)耐溫(wen)高、密度(du)低的優勢，在航空發動機上的應用呈(cheng)現出(chu)從低溫(wen)向(xiang)高溫(wen)、從冷(leng)端向(xiang)熱端部件、從靜子(zi)(zi)向(xiang)轉子(zi)(zi)的發展趨勢。

CMC材料具有(you)耐溫(wen)(wen)高(gao)、密度(du)低(di)、類似金(jin)屬的(de)斷裂(lie)行為(wei)(wei)、對(dui)裂(lie)紋不敏感、不發生災難性(xing)損(sun)毀等優異(yi)性(xing)能(neng)，有(you)望取代高(gao)溫(wen)(wen)合(he)金(jin)滿足熱(re)端部(bu)件(jian)在更高(gao)溫(wen)(wen)度(du)環境下的(de)使(shi)用，不僅有(you)利于大(da)幅減重，而(er)(er)且還可(ke)以(yi)節約甚至無(wu)須冷(leng)氣，從而(er)(er)提(ti)高(gao)總壓比(bi)，實現在高(gao)溫(wen)(wen)合(he)金(jin)耐溫(wen)(wen)基礎上進一步(bu)提(ti)升(sheng)工作(zuo)溫(wen)(wen)度(du)400～500℃，結(jie)構減重50%～70%，成為(wei)(wei)航(hang)空發動機升(sheng)級換(huan)代的(de)關鍵(jian)熱(re)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(yao)應用位置：航空發動機冷端部件（風扇機匣(xia)、壓氣機葉片、進氣機匣(xia)等）和發動機短艙、反推(tui)力裝置等部件上得到廣(guang)泛應用。

與(yu)常規的(de)鈦合金風扇外涵機匣相比(bi)，在保(bao)證(zheng)能夠執行(xing)所有功能和承受整(zheng)臺發(fa)(fa)動(dong)(dong)機的(de)靜(jing)態與(yu)飛(fei)行(xing)載荷的(de)前提下，樹脂基復合材(cai)料制造的(de)外涵機匣能減輕(qing)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機的(de)重量，減少發(fa)(fa)動(dong)(dong)機的(de)研制成本。

與鈦合(he)金的靜子葉(xie)片(pian)相(xiang)比，樹脂基復合(he)材料(liao)靜子葉(xie)片(pian)能減輕重(zhong)量(liang)50%，降低成本50%以上。同時(shi)，通(tong)過優化纖維取向(xiang)，復合(he)材料(liao)靜子葉(xie)片(pian)的固有(you)頻率可(ke)以被(bei)修正，以加大其(qi)許用(yong)機械和氣動(dong)設(she)計空間。

4、C/C復合材料

碳/碳復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)是一種新(xin)型高(gao)溫(wen)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，具(ju)有重量輕(qing)、模(mo)量高(gao)、比強度(du)大、熱膨脹(zhang)系數低、耐(nai)高(gao)溫(wen)、耐(nai)熱沖擊、耐(nai)腐蝕(shi)、吸振性(xing)好等(deng)一系列優異(yi)性(xing)能(neng)。該材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的密度(du)不(bu)(bu)到2.0g/cm3，僅(jin)為鎳基高(gao)溫(wen)合(he)金的1/4，陶(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的1/2，尤其(qi)是這(zhe)種材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)隨著溫(wen)度(du)升高(gao)(可達2200℃)其(qi)強度(du)不(bu)(bu)僅(jin)不(bu)(bu)降低，甚至比室溫(wen)還高(gao)，這(zhe)是其(qi)它材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)所無法比擬的獨特的性(xing)能(neng)。

早在80年代初，美國(guo)(guo)就開始研制碳/碳渦輪盤和渦輪葉片(pian)，以(yi)后(hou)又先后(hou)進行了F100飛機(ji)發動機(ji)的燃燒室和噴管試(shi)驗(yan)，JTD試(shi)驗(yan)機(ji)低(di)壓整體(ti)渦輪盤及葉片(pian)試(shi)驗(yan)，還進行可1760地面超速(su)試(shi)驗(yan)。德國(guo)(guo)、俄(e)羅斯(si)和日本已相繼(ji)成功研制渦輪外(wai)環和整體(ti)渦輪。

目前盡管都認為(wei)碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材(cai)料(liao)(liao)是新(xin)型高性(xing)能航空發(fa)動(dong)機(ji)熱端部件(jian)的(de)可選材(cai)料(liao)(liao)，但國內外都還沒有(you)把碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材(cai)料(liao)(liao)真正用于發(fa)動(dong)機(ji)的(de)轉(zhuan)動(dong)部件(jian)，究其原因，關鍵是以下問題還未得到很好解決：

（1）抗氧(yang)化問題(ti)，由于航空發動機工作(zuo)時間長、溫(wen)度高，而(er)碳材(cai)料在400℃以(yi)上就(jiu)會開始氧(yang)化，這是一個尖銳矛盾。

（2）碳(tan)/碳(tan)材料與傳(chuan)統(tong)金屬材料在性能、結(jie)構等(deng)方面均不(bu)相同，傳(chuan)統(tong)的(de)設(she)計將(jiang)不(bu)適用(yong)于(yu)碳(tan)/碳(tan)材料，必須(xu)根據(ju)該材料的(de)特點進行特殊、全新的(de)結(jie)構設(she)計，這(zhe)方面的(de)研究需要進一步深入(ru)。

（3）性(xing)能的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)、再(zai)現性(xing)是(shi)實用的(de)前提(ti)，對(dui)于復合材料而言這是(shi)一(yi)個(ge)難點，要求有(you)相(xiang)應穩(wen)定(ding)的(de)工藝、增強(qiang)體質量(liang)、基體質量(liang)、均勻性(xing)等一(yi)系(xi)列問題(ti)，尚需深入研究。

隨著對復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)研(yan)究(jiu)(jiu)工作的(de)不斷深(shen)入和科學家們(men)的(de)不斷探索，加之輔以持續(xu)改進的(de)生(sheng)產和加工工藝，使(shi)復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)應用(yong)的(de)普遍性、實(shi)用(yong)性、高效性得到了巨大(da)的(de)提高，應用(yong)前景(jing)非常廣闊。但是不可忽視，現在(zai)復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)在(zai)生(sheng)產和應用(yong)領域還(huan)存在(zai)許多問題(ti)，而(er)這些問題(ti)也(ye)在(zai)一定(ding)程度上限制了復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)發展。因此，對復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)研(yan)究(jiu)(jiu)仍將繼續(xu)下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機主要分(fen)為五大部件，分(fen)別是進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴(pen)管(guan)。

1、航空(kong)(kong)發動(dong)機進(jin)(jin)氣(qi)道主要的(de)(de)(de)(de)作用是在各種工作狀態下，能夠(gou)(gou)將(jiang)足(zu)夠(gou)(gou)量的(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)氣(qi)，以最小的(de)(de)(de)(de)流動(dong)損失，引(yin)入壓氣(qi)機。亞音(yin)速進(jin)(jin)氣(qi)道是擴張(zhang)型的(de)(de)(de)(de)管(guan)道。它由殼體和整流錐組成。

2、壓氣機(ji)是航(hang)空(kong)發(fa)動機(ji)的重要組(zu)成(cheng)部(bu)分之一。它的主(zhu)要作用是通過高(gao)(gao)速旋(xuan)轉的葉片(pian)對空(kong)氣做功，對流過它的空(kong)氣進行壓縮，提高(gao)(gao)空(kong)氣的壓力(li)，為之后在氣體在燃(ran)燒(shao)室中的燃(ran)燒(shao)創造條件(jian)，以(yi)改(gai)善發(fa)動機(ji)的經濟性(xing)，增加(jia)發(fa)動機(ji)的推力(li)。

3、燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)是發動(dong)機的(de)重要部件(jian)之一。燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)位于(yu)壓(ya)(ya)氣機和(he)渦輪之間，其主(zhu)要作(zuo)用是高(gao)壓(ya)(ya)空氣和(he)燃(ran)油(you)充(chong)分(fen)混合燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)，將化學能(neng)轉化為(wei)熱能(neng)，形成(cheng)(cheng)高(gao)溫高(gao)壓(ya)(ya)的(de)燃(ran)氣。發動(dong)機的(de)可靠性(xing)、經濟性(xing)和(he)壽(shou)命很大程度(du)由它決(jue)定。燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)有三種基(ji)本構型，分(fen)別(bie)是分(fen)管(guan)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)、聯(lian)管(guan)燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)和(he)環形燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)。無論那種燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)，為(wei)了(le)滿足基(ji)本功能(neng)都(dou)采(cai)用了(le)減速擴壓(ya)(ya)、分(fen)股進氣等(deng)技術。燃(ran)燒(shao)(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)由進氣裝置（擴壓(ya)(ya)器）、火(huo)焰筒、噴(pen)嘴、點火(huo)裝置和(he)殼(ke)體(ti)組(zu)成(cheng)(cheng)。

4、渦輪是航空發動機的(de)重要部件(jian)之一。安裝在(zai)(zai)燃(ran)燒室的(de)后(hou)面，它的(de)作用是(shi)將高溫(wen)燃(ran)氣(qi)中的(de)熱能和(he)壓(ya)力(li)位能轉(zhuan)變為功，高溫(wen)高壓(ya)的(de)氣(qi)體在(zai)(zai)渦(wo)輪(lun)(lun)中膨脹，推動渦(wo)輪(lun)(lun)旋轉(zhuan)，帶動風(feng)扇和(he)壓(ya)氣(qi)機工作。航空(kong)燃(ran)氣(qi)渦(wo)輪(lun)(lun)的(de)特點是(shi)功率(lv)大、燃(ran)氣(qi)溫(wen)度(du)高、轉(zhuan)速高、效率(lv)高和(he)重量(liang)輕(qing)。

5、尾噴管(guan)安裝在(zai)渦輪的(de)(de)后部(bu)，也是發動機的(de)(de)重要(yao)部(bu)件之一。主要(yao)作用是將從(cong)渦輪流(liu)出(chu)的(de)(de)燃(ran)氣膨脹(zhang)加速，將燃(ran)氣部(bu)分(fen)的(de)(de)焓(han)轉變為(wei)動能，提(ti)高燃(ran)氣速度，使燃(ran)氣以很大的(de)(de)速度排出(chu)，產生較大的(de)(de)推力。