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歼20发动机的叶片是啥做的?别告诉我是钢
关闭】【点击: 】 【发布日期:2017-12-28 14:59】【编辑:东莞市联顺金属材料有限企业】【来源:
近年来,我国航空发展非常值得傲娇,舰载机歼15,四代战机歼20,大型运输机运20等等航空利器让大家面子大增,但有一根刺却一直让大家不爽,那就是飞机的心脏——发动机。
 
 
叶片是飞机发动机的重要零部件,不管是星条旗,还是伏特加,都在叶片制造等技术上一直封锁我国。很多网友抱怨,我国是世界第一的产钢大国,为何却不能造出好的叶片用钢,其实那不是钢,而是单晶合金。
 
关于单晶合金航空发动机中的发展及应用
 
众所周知,增强涡轮叶片的承温能力可直接提高涡轮进口温度,而提高涡轮进口温度是提高航空发动机效率的有效方法。20世纪70年代后期,单晶高温合金由于其优良的热阻特性,被引入到商业航空燃气喷气发动机涡轮叶片中。采用单晶合金发动机的燃油效率比采用定向合金提高30%以上,寿命大大延长。最新航空发动机的涡轮进口温度高达1777℃,见表1。
 
表1 国外航空发动机的发展历程
 
例如,采用第三代单晶合金作为叶片材料的推重比为10的F119发动机涡轮进口温度为1677℃,比采用定向合金的推重比为8的F100发动机涡轮进口温度(1370℃)提高了307℃。
 
F-119-PW-100
 
美欧等国的单晶高温合金应用研究已比较成熟,并在民用航空发动机上得到了广泛应用,单晶合金应用的相关发动机型号与机型如表2所示,尤其是第二代单晶叶片的工程化应用技术,目前正在服役的单晶叶片零件估计超过百万件。
 
由表2中单晶合金的应用情况总结得出,Pratt & Whitney(P&W企业)与IAE(P&W,RR,JACE,MTU合资企业)系列发动机主要采用PWA系列单晶合金,GE和CFM(GE,SNECM合资企业)系列发动机主要采用René系列单晶合金,Rolls-Royce(RR企业)Trent系列发动机主要采用CMSX系列单晶合金。
 
表2 单晶高温合金叶片在航空发动机中的应用
 
René系列单晶的专利权人是GE企业,由第一代单晶RenéN4发展到第二代单晶RenéN5和第三代单晶RenéN6。
 
CMSX系列单晶的专利权人是Cannon-Muskegon企业,由第一代单晶CMSX-3发展到第二代单晶CMSX-4和第三代单晶CMSX-10。
 
RR企业开发的单晶RR3000和RR3010在美国的Cannon-Muskegon企业生产,按美国惯例需冠上该生产单位的品牌名,命名为CMSX-10K和CMSX-10N,产品验收采用RR企业的企业标准。
 
PWA系列单晶的专利权人是美国联合技术企业,被P&W企业收购,由第一代PWA1480发展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。
 
PW4000发动机
 
第四代、第五代单晶的发展以TMS系列单晶为代表。TMS系列单晶是由NIMS研究所研制的。2006年,RR企业在日本NIMS建立航空先进材料研究室,与NIMS联合开发单晶材料。
 
单晶的承温能力一般以137MPa/1000h蠕变断裂为标准进行判断,第二代单晶承温能力大致为1040℃,相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了25~30 ℃,每提高25~30℃相当于延长叶片寿命3倍。
 
日本单晶合金的发展
 
TMS(Tokoyo Meguro Single)合金,日本国立材料研究所(NIMS)在此项技术中是非常著名的,虽然小编也是抗日份子,但这方面不得不说他领先。
 
关于NIMS
 
日本国立材料研究所(National Institute for Material Science:NIMS)是日本最大的研究所之一,它由国立金属材料技术研究所(NRIM)和国立无机材料研究所(NIRIM)合并而来。NIMS主要进行材料的合成,表征和应用的研究,包括金属,半导体,超导体,陶瓷,有机材料,和纳米材料等等。涵盖了电子,光学,涂料,燃料电池,催化剂,生物技术等范围的应用。同时发展了电子显微镜,高能离子束,强磁场等技术。大多数研究是实验性研究,但至少有一个研究中心,致力于理论研究。
 
TMS系列单晶
 
TMS(Tokoyo Meguro Single)是NIMS开发的镍基单晶高温合金系列。近年来,NIMS相继成功研制第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS196,TMS-238等,在镍基单晶高温合金的研发领域,走在了世界的前列。
 
表3 TMS物理、力学性能和工艺特点
 
日本NIMS开发的TMS系列单晶成功进行了系列化的发展,TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196,TMS-238。
 
TMS-82+是NIMS和东芝企业合作开发的单晶,相比同代的CMSX-4单晶,在蠕变应力近137.3MPa下承温能力提高30℃,热处理窗口宽有利于进行热处理,同时具有良好的高温抗腐蚀能力和相稳定性,相比第三代单晶TMS-75具有更多连续的γ′竹筏结构和更细小的位错网络,有效降低蠕变应变率。此外,TMS-82+具有良好的低周疲劳强度,具有与CMSX-4相当的抗氧化性能。通过1年15MW 发动机试车考核,该单晶叶片表面无损伤,保持良好的相稳定性,无竹筏结构。
 
TMS-75是NIMS和KHI(川崎重工)合作开发的单晶,中温到高温段具有优良的蠕变强度,并且具有良好的抗热腐蚀能力。
 
TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI(石川岛播磨重工)合作开发的单晶,两者都具有
良好的高温蠕变强度、微观组织稳定性和抗热腐蚀能力。
 
TMS-196是NIMS独立开发的单晶,该合金不仅具有良好的微观组织稳定性,同时具有良好的综合性能,包括蠕变性能、热机械疲劳和抗氧化能力。相比第二、三代单晶,第四、五代单晶提高了高熔点元素含量,如Mo、Re和Ru,虽然极大提升了蠕变性能,但是降低了抗氧化性能。第六代单晶TMS-238在第五代单晶TMS-196基础上优化了成分,呈现出良好的高温蠕变强度和抗氧化性能。
 
TMS系列单晶的特点在于热处理窗口非常宽,有助于大尺寸零件的热处理。另一个特点在于Mo含量高,形成γ/γ′界面上细小的位错网络,有效提高了蠕变性能。
 

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