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航天航空

發布日期:2022-03-16 發布來源: 瀏覽次數:188

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航空航天特殊合金應用領域:

高溫合金又叫熱強合金。按基體組織材料可分為三類:鐵基鎳基和鉻基。按生產方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。
      它是航空航天領域中不可或缺的原材。它是航天,航空制造發動機高溫部分的關鍵材料。主要用于制造燃燒室,渦輪葉片,導向葉片,壓氣機與渦輪盤,渦輪機匣等部位。使用溫度范圍在600℃-1200℃,受力與環境條件隨使用零件所在部分不同而異,對合金的力學,物理,化學性能有嚴格的要求,是發動機的性能,可靠性與壽命的決定性因素。因此高溫合金是各發達國家航空航天,國防領域中的研究重點項目之一。
高溫合金應用中主要有:
1.燃燒室用高溫合金
  航空渦輪發動機燃燒室(也稱火焰筒)是關鍵的高溫部件之一。由于燃油霧化,油氣混合等過程都是在燃燒室進行的,因此燃燒室內溫度最高可達1500℃-2000℃,燃燒室內壁溫度達1100℃,同時還要承受熱應力和燃氣應力。高推重比發動機多采用環形燃燒室,其長度短,容熱強度高,燃燒室內最高溫溫度達2000℃,采用氣膜或汽蒸發式冷卻后室壁溫度達到1150℃。各部位間有較大的溫度梯度會產生熱應力,工作狀態改變時會急劇升降,材料受熱沖擊和熱疲勞負荷,出現擾曲變形,裂紋等故障。通常燃燒室采用板材合金制造,按具體零件使用條件提出各項技術要求概括如下:使用高溫合金和燃氣條件下具有一定的抗氧化,抗燃氣腐蝕能力;具有一定瞬時和持久強度,熱疲勞性能,較低的膨脹系數;具有足夠的塑性,焊接性保證加工成形與連接;在熱循環下有良好的組織穩定性,保證壽命期內可靠工作。 

 1)MA956合金多孔層板
        多孔層板早期使用HS-188合金薄板經照相,腐蝕刻槽和打孔后用擴散連接制成。內層可按設計要求制成理想的冷卻通道,這種結構冷卻只需要傳統氣膜冷卻的30%冷卻氣體,可提高發動機熱循環效率,降低燃燒室材料的實際承熱量,減輕重量,增大推重比。目前仍有突破技術關鍵才能進入實際使用。采用MA956制作多孔層板是美國推出的新一代燃燒室材料,可在1300℃使用。
2)陶瓷復合材料在燃燒室的應用
      美國從1971年就開始了對陶瓷用于燃氣渦輪機的可行性驗證。1983年,美國一些從事高級材料開發的團體曾制訂了一系列先進飛機所用燃氣輪機的性能指標,這些指標是:把渦輪進口溫度提高到2200℃;在化學計算的燃燒狀態下運行;將應用于這些部件的密度從8g/cm3減少至5g/cm3;取消部件的冷卻。為滿足這些要求,研究的材料除了單相陶瓷外,還有石墨、金屬基和陶瓷基復合材料以及金屬間化合物。陶瓷基復合材料(CMC)具有如下優勢:
        陶瓷材料比鎳基合金膨脹系數小很多,涂層很容易剝落。制成帶中間金屬氈的陶瓷復合材料可以克服剝落的缺點,是燃燒室材料的發展方向。此種材料使用10%—20%冷卻空氣即可使用金屬背面隔熱后溫度只有800℃左右,承熱溫度遠低于發散冷卻和氣膜冷卻。在V2500發動機中使用的是鑄造高溫合金B1900+陶瓷涂層防護瓦片,發展的方向是用SiC基復合材料或抗氧化C/C復合材料代替B1900(帶陶瓷涂層)瓦片。陶瓷基復合材料是推重比15—20發動機燃燒室的發展材料,使用溫度1538℃-1650℃,用于火焰筒,浮壁片和加力燃燒室。
 2.渦輪部分用高溫合金
  航空發動機渦輪葉片是航空發動機中承受溫度載荷最劇烈和工作環境最惡劣的部件之一,在高溫下要承受很大很復雜的應力,因此對其材料的要求十分嚴格。而航空發動機渦輪葉片高溫合金又分為:  
 1)導向器用高溫合金  
        導向器是渦輪發動機受熱沖擊最大的零件之一。當燃燒室出現燃燒不均勻,1級導向葉片受熱負荷很大,是造成導向葉片破壞的主要原因。其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃,區別是靜止件,所受機械負荷不大。通常容易發生熱應力,引起的扭曲,溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷。導向葉片合金應具有如下性能:具有足夠的高溫強度,持久蠕性能及良好的熱疲勞性能,較高的抗氧化性和熱腐蝕性能,抗熱應力和震動,彎曲變形能力,良好的鑄造工藝成型性能和可焊性,涂層防護性能?! ?br />         目前,高推重比的先進發動機多采用空心鑄造葉片,選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發動機使用高溫達1650℃-1930℃,需要采用隔熱涂層防護。冷卻和涂層防護條件下葉片合金的使用溫度達1100℃以上,對未來導向葉片材料使用的溫度 密度 成本提出新的更高要求?! ?br /> 2)渦輪工作葉片用高溫合金 
        渦輪葉片,是航空發動機的關鍵承熱轉動部件,工作溫度低于導向葉片50℃-100℃,轉動時承受很大的離心應力,振動應力,熱應力,氣流沖刷等作用,工作時條件惡劣。高推重比發動機要求熱端部件壽命大于2000h。因此,渦輪葉片合金在使用溫度下應具有很高的抗蠕變和持久斷裂強度,很好的高,中溫綜合性能,如高,低循環疲勞,冷熱疲勞,足夠的塑性和沖擊韌性,抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導熱性能,盡可能低的線膨脹系數;良好的鑄造工藝性能;長期的組織穩定性能,使用溫度下無TCP相析出。應用的合金經歷4個階段;變形合金應用有GH4033、GH4143、GH4118等;鑄造合金應用有K403、K417、K418、K405,定向凝固金DZ4、DZ22,單晶合金DD3、DD8、PW1484等。目前已發展至第三代單晶合金。我國單晶合金DD3和DD8分別用在我國渦輪,渦扇發動機和直升機,艦載發動機。
3.渦輪盤用高溫合金 
        渦輪盤是渦輪發動機受力最大的轉動承力件。推重比8和10發動機的輪緣使用溫度達到650℃和750℃,輪心溫度300℃左右,溫差大。在正常轉動時帶動葉片高速旋轉,承受最大的離心力,熱應力,震動應力的綜合作用。每次啟動,停車是一個循環,輪心。喉道,槽底,輪緣均承受不同的復合應力。要求合金在使用溫度下具有最高的屈服強度,沖擊韌性,無缺口敏感;低的線膨脹系數;一定的抗氧化,抗腐蝕性能;良好的切削加工性能。
4.航天用高溫合金
  液體火箭發動機中高溫合金用于推力室作燃燒室噴注器面板;渦輪泵彎通,法蘭盤,石墨舵緊固件等。液體火箭發動機中高溫合金用于推力室做燃料室噴注器面板;渦輪泵彎通,法盤,石墨舵緊固件等。我國YF73和YF75采用GH3030合金絲編織網經18層重疊后再經軋制,燒結成多孔發散冷卻面板制成燃燒室噴注面板。渦輪轉子開始使用GH1040和GH2038A,后用GH4169整體鍛造,輪盤機加工而成,葉片電解加工而成,克服了GH1040長試時變形過大問題。對比GH1040與GH4169合金性能可知,遠程導彈發動機渦輪轉子對材料的要求,在800℃398MPa20min符合要求為標準,GH4169可達30min組織性能穩定;GH1040則在800℃294MPa下只能保持6min,不能勝任使用要求。更有利:在-253℃至室溫其強度增加392MPa-400MPa 塑性基本不變,低溫沖擊韌性較好。因此,GH4169用作渦輪轉子,軸,軸套,緊固件等重要承力件的材料?! ?br />          美國液體火箭發動機渦輪轉子材料主要有進氣管,渦輪葉片和輪盤。我國多采用GH1131合金,渦輪葉片依工作溫度而定,先后應采用Inconelx、Alloy713c、Astroloy和Mar-M246;輪盤材料有Inconel718、Waspaloy等,我國多采用GH4169、GH4141整體渦輪,發動機軸用GH2038A?! ?br />          導彈與運載火箭姿態控制的小型液體火箭,一般推力?。?.02N-2000N),脈沖起動數次數十萬次,最小脈沖寬度幾毫米秒,總工作時間5年-10年,要求可靠性高,其噴管延伸段采用輻射冷卻的單層結構,結構簡單,質量輕,燃燒溫度高,推力室一般選用鈮基合金NbHf10-1,為改善使用性能采用表面噴涂抗氧化涂層。使用溫度1100℃-1600℃,通常采用液膜冷卻保護燃燒室內壁。美國采用錸銥合金燃燒室+抗氧化涂層,可取消液膜冷卻,性能明顯提高,相繼研制成功22N 66N 和445N姿態發動機燃燒室,投入使用后使衛星和飛船有效負荷增加20㎏—100㎏?! ?br />         新一代運載火箭發動機需研制應用大幅度減輕結構重量的新型高溫合金,用Ti—Al基合金代替部分鎳基合金。用GH4169制造泵殼體和低膨脹合金。
        隨著航天航空事業的不斷發展,為了滿足各種飛行任務的需要,對于高溫合金領域的材料提出了更高的要求。這就要求我們不斷的向先進國家學習,并且通過自身不斷的實踐和創新,為我國國防科技發展貢獻力量。

 

航天航空常用特殊合金采用:
          高溫合金:GH4033、GH4143、GH4118、GH4169、GH4141、GH3030、GH1040、GH2038A、GH1131等
          鎳基合金:Inconelx、Alloy713c、Astroloy和Mar-M246;輪盤材料有Inconel718、Waspaloy等

          精密合金:K403、K417、K418、K405、DD3、DD8、PW1484、DZ4、DZ22等

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