第三章 高温结构材料-2

1、无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度上取决无论是军用还是民用飞机的性能相当大的程度上取决于发动机的水平，而高温结构材料又发动机的核心材于发动机的水平，而高温结构材料又发动机的核心材料。在航空涡轮发动机上，高温材料主要用于燃烧室、料。在航空涡轮发动机上，高温材料主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等四大零件。导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等四大零件。F119发动机（发动机（F/A-22用）用）15oC200oC550oC880oC1800oC航空发动机航空发动机航空发动机航空发动机 1) 燃烧室：燃烧室：燃料与高压空气混合燃烧的地方。燃料与高压空气混合燃烧的地方。所产生所产生的燃气温度在的

2、燃气温度在15002000之间。之间。燃烧室主要由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套等组成。燃烧室主要由火焰筒、喷嘴、涡流器和燃烧室外套等组成。燃烧室壁部材料承受温度可达燃烧室壁部材料承受温度可达800900以上，局部以上，局部可达可达1100。燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外。燃烧室壁除受高温外，还承受由于内外壁温度不同引起的壁温度不同引起的热应力热应力作用。特别是在起飞、加速作用。特别是在起飞、加速和停车时，温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷和停车时，温度变化更为急剧。由于周期循环加热冷却，热应力可达很大值，燃烧室常出现却，热应力可达很大值，燃烧室常出现变形、翘曲、变形、翘曲、边缘热疲劳

3、裂纹边缘热疲劳裂纹等。等。 用作燃烧室材料的合金除承受急热急冷的热应用作燃烧室材料的合金除承受急热急冷的热应力和燃气的冲击外，不承受其他载荷。因此，燃烧室力和燃气的冲击外，不承受其他载荷。因此，燃烧室材料的工作特点是材料的工作特点是温度高、热应力大而机械应力小，温度高、热应力大而机械应力小，常用易成形、可焊接的高温合金常用易成形、可焊接的高温合金，如新型镍基合金板，如新型镍基合金板材制造，代表性的有材制造，代表性的有GH1140、GH3030、GH3039等等等。等。发动机涡轮发动机涡轮组成组成静子（导向器）u静子叶片u内、外环转子（导向器）u工作叶片u盘u轴排列方式静子在前转子在后2) 导向

4、叶片导向叶片 又称导向器，是调整从燃烧室出来的燃气流又称导向器，是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件，是涡轮发动机上动方向的部件，是涡轮发动机上受热冲击最大的零受热冲击最大的零件之一件之一。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达。先进涡轮发动机导向叶片工作温度可高达1100，但叶片承受的应力比较低，一般在，但叶片承受的应力比较低，一般在70MPa以下。对材料要求是：以下。对材料要求是：高温强度好，热疲劳抗力佳高温强度好，热疲劳抗力佳，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度，抗氧化、耐蚀性优异，并具有一定的抗冲击强度和组织稳定性和组织稳定性。 目前用作导向叶片的合金大多数采用熔模铸目前用作导

5、向叶片的合金大多数采用熔模铸造生产，尤其是采用空心铸造叶片造生产，尤其是采用空心铸造叶片(K214、K232、K406)，除此之外，还采用定向凝固工业生产出定，除此之外，还采用定向凝固工业生产出定向合金向合金(DZ3、DZ5)和单晶合金和单晶合金(DD3、DD402)，使，使合金的持久强度、热疲劳性能大大提高，使用温度合金的持久强度、热疲劳性能大大提高，使用温度提高，并且有较好的薄壁性能。导向叶片通常的提高，并且有较好的薄壁性能。导向叶片通常的失失效方式效方式为为热应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的热应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的热疲劳裂纹以及局部的烧伤热疲劳裂纹以及局部的烧伤。空心铸造叶

6、片空心铸造叶片 3) 涡轮叶片涡轮叶片 也叫动叶片，是涡轮发动机中也叫动叶片，是涡轮发动机中工作条件最恶劣工作条件最恶劣的的部件，又是最重要的部件，又是最重要的转动部件转动部件。涡轮叶片承受。涡轮叶片承受气动力气动力和离心力和离心力的作用，叶身部分承受拉应力大约的作用，叶身部分承受拉应力大约140MPa；叶根部分承受平均应力为叶根部分承受平均应力为280560MPa，相应的叶身，相应的叶身承受温度为承受温度为650980，叶根部分约为，叶根部分约为760。燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料性能要求：高的抗氧化能力（即高的热稳定性）足够的热强性（即能在更高的温度下具有抗蠕变和断裂的能力）满意的塑性和韧

7、性；更高的热疲劳性（即对能引起热应力的热交换的敏感性要低）足够高的低循环疲劳强度良好的耐蚀能力（保持叶片的空气动力性能）高的导热性和低的热膨胀系数良好的工艺性能（即良好的焊接性能，锻造性能及铸造性能等） 3) 涡轮叶片涡轮叶片 用作制造航空发动机涡轮叶片的材料有时效强度用作制造航空发动机涡轮叶片的材料有时效强度型镍基变形高温合金、精铸、定向和单晶合金，典型型镍基变形高温合金、精铸、定向和单晶合金，典型牌号有牌号有GH4033、GH4037、K403、K417、DZ3、DZ22、DD402、DD3、DD6等。等。复杂结构的单晶涡轮叶片复杂结构的单晶涡轮叶片 4) 涡轮盘涡轮盘 涡轮盘是航空发动机

8、上很重要的转动部件，在四大类涡轮盘是航空发动机上很重要的转动部件，在四大类部件中所占部件中所占重量最大重量最大(大型涡轮盘单件质量达几百公斤大型涡轮盘单件质量达几百公斤)。 航空发动机粉末涡轮盘 4) 涡轮盘涡轮盘 航空发动机涡轮盘工作温度在航空发动机涡轮盘工作温度在760左右，轮缘部分可左右，轮缘部分可达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在达此温度，而径向盘心温度逐渐降低，一般在300左右左右。轮盘正常运转时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的。轮盘正常运转时，盘子带着叶片、高速旋转产生很大的离心力。每当发动机起动和停车过程中，都构成一次大应离心力。每当发动机起动和停车过程中，都构成一次大应

9、力力低周疲劳低周疲劳。 用作涡轮盘的合金绝大多数是用作涡轮盘的合金绝大多数是屈服强度很高的、晶粒屈服强度很高的、晶粒细小的铁基或镍基高温合金细小的铁基或镍基高温合金。典型合金有。典型合金有GH2132、GH2135等，其使用温度可达等，其使用温度可达650700。涡轮喷气发动机的结构和沿轴线的压力与温度分布涡轮喷气发动机的结构和沿轴线的压力与温度分布高温结构材料的工作特点：高温高载荷(应力)高氧化腐蚀高性能重量比高可靠性与长寿命要求：较高的热稳定性高的热强度高的热疲劳性能足够的塑性和韧性高的导热性和低的热膨 胀系数良好的工艺性可承受的最高温度高温比强度与比寿命抗高氧化能力韧性导热性加工高温结构材料的选择出发点：涡轮发动机用材所需性能涡轮发动机用材所需性能六坐标平衡图及替代材料六坐标平衡图及替代材料与高温合金性能的比较与高温合金性能的比较发动机上各种材料用量的变化趋势发动机上各种材料用量的变化趋势 随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的随着航空发动机的发展，各种材料在发动机中的用量不断变化。总的趋势是从钢、铝时代逐渐转化用