圖1 高溫合金在現(xiàn)代民用航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用部位
航空發(fā)動機(jī)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速下長期工作，高溫合金是熱部件的首選材料，主要用于燃燒室、渦輪、噴管等熱部件和壓氣機(jī)后段零件。
一、在壓氣機(jī)部件的應(yīng)用及需求壓氣機(jī)的功能是進(jìn)一步壓縮空氣，為燃油的燃燒提供氣源，也為熱部件冷卻、冷部件加溫及封嚴(yán)提供高速氣流。壓氣機(jī)進(jìn)出口氣流的平均溫度300~600攝氏度，峰值溫度超過700攝氏度，總壓比超過20。壓氣機(jī)部件用材料較多，高溫合金是關(guān)鍵材料之一。壓氣機(jī)后段溫度較高，采用GH4169等變形合金制造轉(zhuǎn)子件（葉片、輪盤等）和靜子件(葉片、機(jī)匣等）。性能更優(yōu)的粉末盤、GH4169G、718Puls已在先進(jìn)發(fā)動機(jī)中應(yīng)用。為滿足先進(jìn)高性能發(fā)動機(jī)需求，國內(nèi)外正在研究TiAl系金屬間合金、Ti基復(fù)合材料（MMC）等輕質(zhì)材料。
二、在燃燒室部件的應(yīng)用及需求燃燒室的功能是將燃油的化學(xué)能釋放為熱能，是發(fā)動機(jī)熱能發(fā)源地。燃燒室進(jìn)出口氣流平均溫度600~2000攝氏度，芯部燃?xì)馄骄鶞囟?500~2100攝氏度。有兩股氣流冷卻燃燒室降低壁溫。燃燒室是溫度最高、溫度變化最大的熱部件。燃燒室部件用的高溫合金種類較多，以變形合金為主，主要用于內(nèi)外機(jī)匣、火焰筒等零件。傳統(tǒng)的高溫合金板材受合金熔點(diǎn)限制，已基本達(dá)到許用極限溫度，難以進(jìn)一步發(fā)展，須研究新材料和制備技術(shù)，以滿足使用需求。目前國際上研究比較熱門的新材料有陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、MMC、機(jī)械合金化合金（ODS）、TiAl金屬間化合物和多孔層板等，用于火焰筒的CMC已可耐1670攝氏度高溫。
三、在渦輪部件的應(yīng)用及需求渦輪的功能是將燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動壓縮系統(tǒng)轉(zhuǎn)子，為發(fā)動機(jī)和飛機(jī)提供機(jī)械能。渦輪是熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷最大的熱部件。渦輪盤和葉片是發(fā)動機(jī)技術(shù)難度的典型代表，最能體現(xiàn)“一代發(fā)動機(jī)、一代材料、一代工藝”的變化和高溫合金的發(fā)展。導(dǎo)向葉片調(diào)整燃燒室出口燃?xì)饬鲃臃较颍菧u輪部件受熱沖擊最大、溫度最高的零件。一般來說，同一狀態(tài)下導(dǎo)向葉片的平均溫度比工作葉片高100攝氏度左右，但應(yīng)力較低。工作葉片是離心負(fù)荷最大、工況最惡劣的零件。葉片在高溫下高速旋轉(zhuǎn)作功，承受的離心力相當(dāng)于自重的20000倍，猶如“冰質(zhì)糕匙攪熱湯”，對材料、工藝和設(shè)計都是嚴(yán)峻考驗。熔模精鑄技術(shù)突破后，采用定向凝固制備的定向、單晶合金的許用溫度接近其初熔點(diǎn)的90%，各國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片提高工作溫度。
F119發(fā)動機(jī)用二代單晶PWA1484制成的超級冷卻鑄冷渦輪葉片，工作溫度達(dá)到1621~1677攝氏度（比F100高200攝氏度）。國際上單晶合金發(fā)展很快，現(xiàn)已發(fā)展到第五代。單晶合金熔點(diǎn)有限制，提高葉片工作溫度主要靠冷卻技術(shù)。冷卻效果越高，葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，制造難度越大，需要發(fā)展制造工藝和新材料。目前國際上已在研究對開單晶葉片、多孔層板葉片和耐溫更高的Nb-Mo合金、CMC葉片、碳/碳復(fù)材整體渦輪等。渦輪盤是四大熱部件質(zhì)量和負(fù)荷最大的零件。盤輪緣溫度550?750攝氏度，輪轂約300攝氏度，溫差應(yīng)力和離心應(yīng)力很大，還需承受啟動、停車的大應(yīng)力交變疲勞。GH4169渦輪盤用量最大，性能更優(yōu)的粉末盤成為渦輪盤的首選，第二代粉末盤、雙性能粉末盤已在先進(jìn)發(fā)動機(jī)應(yīng)用。第三代粉末盤、纖維增強(qiáng)金屬基渦輪盤、單晶葉片+粉末盤整體渦輪等是當(dāng)前熱門研究課題。
四、在加力燃燒室和噴管部件的應(yīng)用及需求加力燃燒室組織第二次燃燒，使燃?xì)膺M(jìn)一步加溫加速，通過噴管按設(shè)定方式急速排出而產(chǎn)生推力。加力燃燒室和噴管工況惡劣，尾噴口燃?xì)獾臏囟?27~1877攝氏度，燃?xì)獾乃俣仍趤喡曀俸统曀僦g，內(nèi)壁主要承受燃?xì)鉀_刷、熱應(yīng)力和振動應(yīng)力等。加力燃燒室和噴管部件用變形高溫合金較多，K24等鑄造合金主要制造噴管調(diào)節(jié)片等薄壁件。調(diào)節(jié)片長、寬、厚懸殊精鑄工藝難度不亞于渦輪葉片。更耐溫的CMC調(diào)節(jié)片已在先進(jìn)發(fā)動機(jī)應(yīng)用，減重效果顯著。
來源：各鋼企公告、Mysteel
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