民用航空发动机涡轮叶片材料研究毕业论文Word文档下载推荐.docx

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本文介绍了陶瓷基复合材料的发展以及应用现状，总结了目前航空发动机使用的高温合金的制作工艺以及使用材料的发展历程，并指出了高温合金涡轮叶片的缺点以及相应的解决方案。

随后介绍了陶瓷基复合材料的概念、制备方法以及性能，分析了目前陶瓷基复合材料存在的缺点和改进方法，对陶瓷基复合材料替代高温合金用于航空发动机涡轮叶片进行分析。

关键词：

航空发动机涡轮叶片高温合金陶瓷基复合材料

Studyonthematerialofturbinebladeofcivilaviationengine

ABSTRACT

Moderncivilaviationpursueslowcost,highefficiencyandsafeoperation,whichputsforwardhighrequirementsforaeroengine.Aeroengineneedstoachievehigherthrustandlighterweightwhilereducingfuelconsumptionandemissions.Afterdecadesofdevelopment,thecurrentoveralldesignofaviationengineshasbeenstereotyped,inordertoimprovetheperformanceoftheengine,improvetheweightratio,mustbeupgradedontheenginematerial.Thekeycomponentofaeroengineisturbineblade.Thematerialofturbinebladedeterminestheupperlimitofengineperformance.Traditionalhigh-temperaturealloyshavebeendifficulttocatchupwiththedevelopmentofaviationengines,thedevelopmentofnewhigh-temperaturematerialstoreplacehigh-temperaturealloysisthemosteffectiveway.Ceramicmatrixcompositeisoneofthechoices.Thispaperintroducesthedevelopmentandapplicationofceramicmatrixcomposites,summarizesthemanufacturingprocessandmaterialdevelopmentofSuperalloyusedinaeroengine,andpointsouttheshortcomingsofsuperalloyturbinebladesandthecorrespondingsolutions.Theconcept,preparationmethodandperformanceofceramiccompositematerialsareintroduced.Theshortcomingsandimprovementmethodsofceramicmatrixcompositeareanalyzed.Theceramicmatrixcompositeisusedtoreplacesuperalloyinturbinebladeofaeroengine.

Keywords：

AeroengineTurbinebladeSuperalloyCeramicmatrixcomposite

1绪论

1.1研究背景

喷气式客机面世至今已经有七十多年时间，得益于航空发动机综合性能的不断提升，现代的民航客机最大能够实现17000km的航程。

目前民用客机采用涡轮风扇发动机，高压涡轮叶片是发动机中工作环境最严苛的部件，对发动机的性能影响巨大。

要提高发动机的性能，最直接的方法是提高燃气温度。

然而，目前的涡轮叶片高温合金承温能力提升缓慢，难以匹配燃气温度的发展。

美国F22猛禽战斗机所装备的由普惠公司研发的F119第四代航空发动机推重比达到10.5，涡轮进口温度高达1600℃。

未来所发展预研的第五代高性能航空发动机燃气温度将更是高达1900~2100℃，燃气温度已经超过了高温合金的承温能力。

目前的解决办法是设计先进且复杂的冷却结构，同时在叶片表面添加热障涂层，从而降低叶片的工作温度。

以先进航空发动机对材料的要求，目前的高温合金体系很难达成，要发展具有更高推重比、更好燃油经济性的航空发动机，有必要开发出一种新材料，需要比高温合金拥有更优异的性能、更轻的重量以及更长的寿命。

复合材料比强度、比模量比金属高，同时密度更低，具有更好的耐腐蚀性能。

复合材料是可替代传统金属，应用于航空航天领域的理想材料，目前各大飞机制造公司已经逐步应用复合材料。

空中客车公司最新的客机A350机身中有40%的结构件使用了复合材料，波音787梦想客机的机翼以及机身上大量使用复合材料，据统计复合材料应用比例高达50％。

在机身结构使用复合材料替代传统金属能带来很多好处，经过测试发现波音787客机油耗对比老款客机下降了20%左右。

航空发动机上已经开始选用复合材料代替传统合金，波音777客机使用的GE90的风扇叶片并没有使用钛合金制作，而是选择了碳纤维复合材料，经测试，碳纤维叶片在强度提高100%的同时能减重50%。

而与波音737MAX、空客A320NEO以及中国C919飞机相匹配的LEAP-X系列发动机也大量运用了复合材料，让风扇叶片以及风扇机匣更加轻量化，这使得这款新型发动机性能、燃油经济性大幅度提高。

可见由金属材料改用复合材料是航空业发展的趋势。

对于热端部件而言，CMC陶瓷基复合材料轻质、高强度、耐高温、长寿命的优点，是替代传统高温合金理想材料，目前国外已经成功将陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上进行试验[1]，在发动机试验中取得优异的成绩。

随着制造工艺的优化，专家学者预测未来很有可能应用于制造涡轮叶片。

1.2国内外研究情况

欧美等航空业发达国家很早就开展了航空新材料的研制，自20世纪50年代起，欧美国家就已展开了SiCf/SiCCMC（碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料）的理论研究，目前已经进入工程试验阶段。

其中技术最为成熟的是法国SNECMA公司和美国GE公司。

20世纪80年代开始，SNECMA需要某种新型高温材料，提高喷管部位的性能，在巨大投入之下成功研发出多种陶瓷基复合材料，并开展了相应的应用试验。

第一次取得重大成功是在20世纪90年代，SNECMA成功研发出陶瓷基复合材料发动机尾喷管的外调节片，并且在M53-2和M88-2型航空发动机上进行了试验，最终在1996年投入到了批量化的生产之中，这是陶瓷基复合材料在航空发动机领域首次得到的实际工程应用。

几年后SNECMA又成功地把使用了SiCf/SiCCMC的喷管密封调节片安装在F100-PW-229和F100-PW-220上，顺利地通过了地面加速任务试验。

后期在CFM56系列发动机的混合器上也应用了这种陶瓷基复合材料。

GE公司自20世纪80年代末期对CMC展开研究，在美国IHPTET计划支持下，进一步发展了SiCf/SiCCMC制备技术，并在JTDE（联合技术验证发动机）验证机上联合Allison公司，测试了SiCf/SiCCMC涡轮级间缘板和后框架前缘插件的可靠性。

在XTC76/3上验证了SiCf/SiCCMC燃烧室火焰筒。

GE公司还联合Honeywell公司在INPTET计划验证机XTC97上验证了SiCf/SiCCMC高温升燃烧室[2]。

除此之外，PW公司也相继与GE公司和法国SNECMA公司合作，充分利用SNECMA公司在复合材料领域积累的经验，在多个型号发动机上开展SiCf/SiCCMC热端部件适用性的试验与验证工作；

Solar公司在美国政府项目的支持下，对CMC开展研究，并在1997至2004年间开展SiCf/SiCCMC燃烧室内衬的考核评价，考核时数长达数万小时。

目前国内相继由从事SiCf/SiCCMC结构件研制的单位，悉数进入验证阶段。

其中西北工业大学研制的CMC尾喷管调节片构件已通过了高温下的初步验证，国防科技大学也研制出了CMC调节片，目前已经通过了试车验证。

虽然已有不少单位具备CMC纤维构件结构设计、预制体编制、CMC制备技术、性能、检测、无损检测等领域的相应能力，但总体来说，国内的SiCf/SiCCMC在产业化和应用等方面仍与西方发达国家存在明显差距。

1.3研究内容

对目前民用航空发动机涡轮叶片使用的高温合金的制造工艺以及材料发展进行研究，指出目前单晶镍基合金涡轮叶片存在的问题，提出相应的改进意见。

对陶瓷基复合材料的制备、性能进行研究，并对其替代高温合金，应用于涡轮叶片制造的可能性进行论证。

2现代民用航空发动机涡轮叶片材料发展

2.1高温合金制造工艺的发展

高温合金的发展经历了两次重大的变革。

第一次革命是1950年真空熔炉的出现[3]，美国的Darmava发明了真空熔炼炉，真空熔模铸造涡轮叶片在高温环境中具有更优秀的性能，涡轮组件的使用温度得到飞跃提高，即使在800℃的高温下也能持续工作，铸造叶片从此取代了锻造叶片。

20世纪60年代中期，美国普惠公司在真空熔炉的基础上改良了高温合金制造工艺，发明了高温合金定向凝固技术。

定向凝固技术是通过某种手段，在铸造的过程中在已凝固与未凝固的金属中间建立温度梯度，使得晶粒按照工件设计所需要的方向生长，获得某种特定取向的柱形晶粒的一种技术。

可消除铸造过程中产生的晶界，提升工件的力学性能以及热疲劳性能，这使得定向凝固合金的承温能力提高到1000℃。

高温合金第二次重大变革标志是单晶合金的出现。

在20世纪80年代，科学家在定向凝固技术的基础上对工艺进一步改进，发展出了单晶合金制造技术。

PWA1480是第一代研制成功并被投入使用的单晶高温合金，单晶合金研发以及应用从此得到了迅猛发展。

对比定向凝固柱晶合金，单晶高温合金的高温性能、抗氧化性能和抗腐蚀能力有了明显提升，对航空发动机的性能提升作出巨大贡献，成为1980年代以来航空发动机的重大技术之一[4]。

2.2现代航空发动机涡轮叶片材料分析

由于镍基合金制造工艺比较成熟，以及性能优异，现代航空发动机涡轮叶片一般采用镍基高温合金制作，镍基合金中镍元素含量超过60%，除此以外还添加了其他难熔金属、稀有金属，如：

钴、铬、钨、钼、铼、钌、铝、钽、钛等等。

这些元素的添加可以改善镍合金的性能，提高强度和韧性，最重要的是提升了高温抗氧化性、抗腐蚀能力，使得镍基合金叶片在950℃-1100℃下长时间工作。

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