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1、Z ThrustJ Low Pressure Turbine to Turn Inner Shaft1.WOCTh SUCKS In twe* qur*aknt to th okTwo/ 4 a court to lno a car 1 S.RANGIn ccMtvtfian ckafnbM. EUad Rfi R peodvc* th BANG ttw nas mt emo tutbrwtn 500. th*burn* tn ccrabMinen chn*bf m up oODOX ThM6 pan d th* F” rtf rarvlt IWOC *o advwKMixhf 3、 *4 m
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3、温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的 部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠。涡轮叶片的性能水平， 特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也 是一个国家航空工业水平的显著标志【007】。航空发动机不断追求高推重比，使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足 其越来越高的温度及性能要求，因而国外自70年代以来纷纷开始研制新型高温合 金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料; 单晶高温合金已经开展到了第3代。80年代，又开始研制了陶瓷叶片材料，在叶 片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。1航空发动机原理简介航空发动机主要分民用和军用两种。图
4、1是普惠公司民用涡轮发动机主要构 件；图2是军用发动机的工作原理示意图；图3是飞机涡轮发动机内的温度、气流 速度和压力分布；图4是罗尔斯罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布；图5为航 空发动机用不同材料用量的开展变化情况。Twm Spool Shaft to Turn the Fan and the Compressors_ CombustorsIHigh Pressure / Compressor2*Stage Hgh Pressure Turbine to Turn Outer Shaft图1普惠公司民用涡轮发动机主要构件图2 EJ200军用飞机涡轮发动机的工作原理气流速度和压力分布图3商用涡
5、轮发动机内的温度、图4罗尔斯-罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布/-viewAlaminum allay Titanian alloySuinlM “7(emozMuiNoNg图5航空发动机用不同材料用量的变化情况1变形高温合金叶片 1.1叶片材料变形高温合金开展有50多年的历史，国内飞机发动机叶片常用变形高温合金 如表1所25。问温合金中随着铝、钛和鸨、钥含量增加，材料性能持续提局，但 热加工性能下降；参加昂贵的合金元素钻之后，可以改善材料的综合性能和提高 高温组织的稳定性。表1国内飞机叶片用高温合金牌号及其工作温度1.2制造技术合金牌号合金体系使用温度/C特点及应用GH4169Cr-Ni65
6、0热加工性能好，瓶变形和模锻叶片成形不困成，叶身变形80%也不开裂。GH4O33Cr-Ni750我国航空发动机叶片主要用材.是我国生产和应用时间娥长的叶片材料. 其中w(AI+Ti)N3.4%,热加工性能好；其改良型GH4133是当前国内使用 最多的材料，将取代GH4033合金用于叶片。GH4080ACr-Ni800具有良好可锻性，因新型飞机需要，已经获得批量生产。GH4037Cr-Ni85()可锻性好,合金元素救高,固溶强化、沉淀硬化双或作用，提高了使用温 度。GH4049Cr-Ni-Co900是当前工作温度最高和用虽最大的叶片用变形高温合金：GH4105Cr-Ni-Co900热加工性能较差
7、，不能用快锻机开开坯：可用挤压机开坯或包套轧制。是 在新机型定性后，刚刚开始批虽生产的材料”GH4220Cr-Ni-Co950是变形合金中应用温度最高的的叶片材料，采用镁微合金化强化了晶界. 改善了材料的高温拉深塑性和提高了持久强度,加工性能较差，但可采用 包套乳制工艺牛.产叶片。不过，箭看铸造高温合金和叶片冷却技术的开展， 这种合金被苻代，未进行工业化生产。生产工艺。变形高温合金叶片的生产是将热轧棒经过模锻或辐压成形的。模 锻叶片主要工艺如下：(1) 锹锻桦头部位；换模具，模锻叶身。通常分粗锻、精锻两道工序；模锻时，一般要在 模腔内壁喷涂硫化钳，减少模具与材料接触面之阻力，以利于金属变 形流
8、动；(2) 精锻件，机加工成成品；(3) 成品零件消应力退火处理；(4) 外表抛光处理。分电解抛光、机械抛光两种。常见问题。模锻叶片生产中常见问题如下：(1) 钢锭头部切头余量缺乏，中心亮条缺陷贯穿整个叶片；(2) GH4049合金模锻易出现锻造裂纹；(3) 叶片电解抛光中，发生电解损伤，形成晶界腐蚀：(4) G114220合金生产的叶片，在试车中容易发生“掉晶现象；这是在热 应力反复作用下，导致晶粒松动，直至剥落。开展趋势。叶片是航空发动机关键零件.它的制造量占整机制造量的三分之 一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件。如何控制其变形并高效、高质量 地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之
9、一。随着数控机床的出现，叶片制造工艺发生重大变化，采用精密数控加工技术 加工的叶片精度高，制造周期短，国内一般612个月半精加工）；国外一般 36个月（无余量加工）。2铸造高温合金叶片 2.1叶片材料半个多世纪来，铸造涡轮叶片的承温能力从1940s年代的750C左右提高到 1990s年代的1700C左右,应该说,这-巨大成就是叶片合金、铸造工艺、叶片 设计和加工以及外表涂层各方面共同开展所作出的共同奉献。【007】叶片用铸造高温合金如表2所示。北京航空材料研究所、钢铁研究总院、沈 阳金属所是铸造高温合金的研制单位。表2国内叶片用铸造高温合金牌号及使用温度合金牌号组织特征使用温度/c特点及应用K
10、403:K405:K4l7G； K4I8;等轴晶型900-10001970s1980s初期：满足国内航空发动机 叶片生产以铸造代锻造的技术升级需要。K423;K441;K4002;K640DZ4：DZ5:DZ417G:DZ22;DZI25;DZ125L;定向凝固柱晶 型100010501980s1990s研制：使用温度提高约1OOX：；DD3;DD4;DD6单晶型1050-11001990s 2000s 研制；IC6(IC6A);IC10金属间化合物型1100-11501995-2000研制。2005年，国内在一些新材料（如定向凝固高温合金、单晶高温合金、金属间 化合物基高温合金等）的研制和应
11、用上，也逐步跟上了世界先进水平的步伐。但 是与之相关的材料性能数据较为缺乏，给材料应用、航空发动机选材与设计带来 极大的困难。2.2制造技术研制新型航空发动机是铸造高温合金开展的强大动力，而熔铸工艺的不断进 步那么是铸造高温台金开展的坚强后盾。回忆过去的半个世纪，对于高温合金开 展起着重要作用的熔铸工艺的革新有许多，而其中三个事件最为重要：真空熔炼 技术的创造、熔模铸造工艺的开展和定向凝固技术的崛起。真空熔炼技术。真空熔炼可显著降低高温合盒中有害于力学性能的杂质和气 体含量，而且可以精确控制合金成分.使合金性能稳定。熔模铸造工艺。国内外熔模铸造技术的开展使铸造叶片不断进步，从最初的 实心叶片到
12、空心叶片，从有加工余量叶片到无余量叶片，再到定向（单晶）空心无 余量叶片，叶片的外形和内腔也越来越复杂；空心气冷叶片的出现既减轻了叶片 重量，又提高了叶片的承温能力。定向凝固技术。该技术的开展使铸造高温合金承温能力大幅度提高从承温能 力最高的等轴晶合金到最高的第三代单晶合金，其承温能力约提高150C。1990s年代之后，为满足新型发动机之需要，计算机数值模拟在合金成分设 计和铸造工艺过程中的应用日趋增多。在采用整体精密涡轮取代锻件组合工艺中，由于涡轮铸件几何形状复杂，断 而尺寸大，采用普通铸造工艺的铸件，宏观晶粒粗大且不均匀，由此带来组织及 性能的不一致性。此外铸造合金固有的较低屈服强度和疲劳
13、性能，往往不能满足 叶片设计要求。近年来，出现了“细晶铸造工艺等技术，即利用铸型及浇铸温 度控制、凝固过程中机械电磁叫板、旋转铸造以及参加形核剂等方法，实现晶粒 细化的。美国Howmet公司等用于细晶铸造制造叶片等转动件，常用合金为：In792、 Mar-M247和In713C合金；导向叶片等静止件那么多用IN718C、PWA1472、 Rcnc220、及R55合金。3超塑性成形钛合金叶片3.1叶片材料目前，Ti6A14V和Ti6A12Sn4Zr2Mo及其他钛合金，是超塑性成形叶片等最为 常用的钛合金。飞机发动机叶片等旋转件用钛合金及其特点如表3所示；罗尔斯- 罗伊斯Trent900用钛合金叶
14、片如图6所示。表3叶片等旋转件用钛合金及其特点合金牌号性能特点使用温度厂C费用Ti 6-4良好的拉伸性能、蠕变强度和疲劳强度高325 C100%Ti 6-2-4-6在高温下有较高的强度W450C160% 170%Ti 6-2-4-2良好的拉伸性能及蠕变强度W540C125% 130%IMI 834拉伸性能、蠕变强度高；疲劳强度一般。600C380% 400%图6罗尔斯-罗伊斯Trent900用钛合金叶片对于CO?排放及全球石油资源枯竭的担忧，促使人们提高飞机效率、降低飞 机重量。尽管复合材料的应用有增长趋势，却有制造费用高、不能回收、高温性 能较差等缺乏。钛合金仍将是飞机发动机叶片等超塑性成形
15、部件的主要材料。我国耐热钛合金开发和应用方面也落后于其他兴旺国家，英国的600C高温 钛合金IMI834已正式应用于多种航空发动机，美国的Ti-1100也开始用于 T55-712改型发动机，而我国用于制造压气机盘、叶片的高温钛合金尚正在研制 当中。其它像纤维增强钛基复合材料、抗燃烧钛合金、Ti-Al金属间化合物等虽 都立项开展研究，但离实际应用还有一个过程。3.2制造技术早在1970s,钛合金超塑性成形技术就在美国军用飞机和欧洲协和飞机中得 到了应用。在随后的十年中，又开发了军用飞机骨架和发动机用新型超塑性钛合 金和铝合金。在军用飞机及先进的民用涡扇发动机叶片等，均用超塑性成形技术制造，并 采用扩散连接组装。4新型材料叶片4.1碳纤维/钛合金复合材料叶片美国通用公司生产的GE90-
