关于作者

 中国科学院金属研究所

飞机发动机与高温合金

材料新视野
2015年08月28日
飞机,这个伟大的发明,把世界真正的变成了“地球村”。随着科学技术的不断发展,时至今日,飞机已经成为现代文明不可或缺的交通工具,它深深地影响着人们的生活。
对于飞机而言,发动机就是它的心脏。1903年,美国莱特兄弟把一台4缸水平直列式水冷发动机改装之后,成功地用到他们的"飞行者一号"飞机上,这是人类第一次使用飞机征服蓝天。在两次世界大战之间,由于战争的推动作用,发动机的研制蓬勃发展,性能提高很快,到第二次世界大战结束时,活塞式发动机已经达到其发展的顶峰。之后的60年以来,航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机,开创了喷气时代,居航空动力的主导地位。在技术发展的推动下,涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、桨扇发动机和涡轮轴发动机在不同时期、在不同的飞行领域内发挥着各自的作用,使航空器性能跨越了一个又一个新台阶。
现代的民航和战斗机发动机主要为燃气涡轮发动机。涡轮喷气式发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管构成。压缩的空气在燃烧室中与燃料发生剧烈地反应,迅速产生大量的气体,气体从尾喷管高速喷出,反向推动飞机前进,使飞机能够遨游天际。

发动机的涡轮盘是发动机里服役环境最为苛刻的部件,它将承受高温、高应力,温度梯度等因素的考验。如此极端的服役条件对于材料的要求非常高,而高温合金作为一种功能强大的材料应运而生。

飞机发动机

高温合金,在英语中被称为Superalloy,是指能够在600 以上高温,承受较大的应力,并具有表面稳定性的高合金化铁基、镍基或钴基奥氏体金属材料,它具有优异的高温强度、抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳、抗蠕变性能,还有很好的组织稳定性。高温合金是航空发动机和工业燃气轮机发展进步的基础,由此也成为现代国防建设和国民经济发展不可替代的战略材料。

涡轮盘

发动机中的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室四大热端部件都是由高温合金材料制造而成。随着航空发动机推重比和热效率的日益增长,对高温材料的性能要求不断提高,镍基高温合金也先后经历了铸造等轴晶、定向柱晶和单晶等几个发展阶段。高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力,延长合金寿命。

然而,随着科学技术的飞速发展,单晶高温合金的合金化程度已经接近了极限,合金本身承温能力提高的空间也越来越小。为了更大程度的发掘其潜能,空心叶片的发明为高温合金注入了新的生机。我国著名的科学大师,高温合金领域的开拓者师昌绪先生,领导开发了中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片,为我国航空工业的发展创造了巨大的贡献。

QQ截图20150828140217