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在國外航空噴氣發(fā)動機(jī)上應(yīng)用

發(fā)布時間:2021-12-25 14:40:44  瀏覽量:1388

航空工業(yè)是用鈦的主要領(lǐng)域,而噴氣發(fā)動機(jī)又是用鈦主要領(lǐng)域中的重要部分。據(jù)美國有關(guān)方面的統(tǒng)計,1959年-1973年,美國噴氣發(fā)動機(jī)制造業(yè)用鈦占全國總消費(fèi)量的37%-50%,而小型亞聲速噴氣發(fā)動機(jī)的用鈦量則占其總質(zhì)量的1/3。在航空發(fā)動機(jī)中,用鈦材制造中等溫度構(gòu)件比鋼材具有更高的疲勞強(qiáng)度、屈服程度、蠕變強(qiáng)度、較低的彈性模量,因而能降低疲勞載荷時的應(yīng)力。鈦合金有很高的抗腐蝕性能,能大大舒緩噴氣發(fā)動機(jī)的壓縮性能。提高發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的增壓比和渦輪進(jìn)氣口燃?xì)鉁囟龋梢蕴岣甙l(fā)動機(jī)的總效率,從而提高發(fā)動機(jī)推力,改善推重比和降低油耗。美國和英國發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的總壓比由上世紀(jì)60年代初期的10-13,增長到70年代的20-27,并正在逐年上升,總壓有望增大到50。在未采取冷卻技術(shù)條件下,多用途戰(zhàn)斗機(jī)渦輪進(jìn)氣口溫度早已超過1650℃。

由于發(fā)動機(jī)工作條件的嚴(yán)酷和尺寸的加大,輕合金與不銹鋼很難勝任,于是用量有所不降,而鈦合金和高溫合金由于其生產(chǎn)成本的下降,加工性能的不斷提高,及采用新的工藝,它的優(yōu)勢更加顯現(xiàn)和突出,在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用逐年增多。1950年-1980年,美國幾種主要航空發(fā)動機(jī)的用材概況見下表。

美國普拉特-惠特尼(Pratt & Whitney)公司生產(chǎn)的噴氣發(fā)動機(jī)所用的鈦材為總質(zhì)量的7%-15%,通用電氣(GE)公司J73噴氣發(fā)動機(jī)使用的鈦材為6%,J79發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子原來17級為不銹鋼的,后改11級鈦合金的,J79-8發(fā)動機(jī)用的鈦材為20%,J79-3發(fā)動機(jī)用了4%鈦材。

美國航空發(fā)動機(jī)用鈦始于1954年,當(dāng)時為B52轟炸機(jī)裝備了4臺鈦的發(fā)動機(jī)J57,用鈦材7%-15%,進(jìn)氣閘與低壓閘用的是工業(yè)純鈦,低壓壓縮機(jī)的葉片、盤和盤隔板用的是Ti-6Al-4V合金。JT3D渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的用鈦量為15%:低壓壓氣機(jī)風(fēng)扇葉片、葉片隔板和風(fēng)扇閥用的都是Ti-6Al-4V,風(fēng)扇葉片長406mm,比壓氣機(jī)葉片長2倍以上,由于這些構(gòu)件都用鈦合金制成,發(fā)動機(jī)性能有了較大提高。

JT9D發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片長711 mm,比壓氣機(jī)葉片幾乎長10倍。軍用JT3D改型發(fā)動機(jī)和TF33發(fā)動機(jī)使用了2%鈦材。JT9D渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的用鈦量占其總質(zhì)量的28%,約1.035t,其46塊風(fēng)扇葉片都是用Ti-6Al-4V合金制的;低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和11級高壓壓氣機(jī)中的9級都是用Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金打造的,后一種合金是一種高溫合金,工作溫度480℃,用量450kg,靜子葉片采用Ti-5AI-2.5Sn,改型的JT9F發(fā)動機(jī)用了4.5t鈦材,鈦材成本占發(fā)動機(jī)的5%。TF39風(fēng)扇發(fā)動機(jī)用的鈦材達(dá)33%,裝備于C5A軍用運(yùn)輸機(jī),重約3t,壓氣機(jī)盤及葉片以Ti-6Al-4V及Ti-5AI-2.5Sn打造,壓氣機(jī)毛坯是鍛造的,原重312kg,后改用精鍛,降至126kg,葉片毛重原來為21.5kg,鍛后僅5.7kg。

GE4渦輪噴氣發(fā)動機(jī)總重約5t,使用10%鈦,前四級空心壓氣機(jī)均用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金,是一種高蠕變合金,工作溫度可達(dá)500℃,比Ti-6Al-4V合金的高100℃。采用鈦代替鋼制造升力發(fā)動機(jī)的一些構(gòu)件,可以提高推重比,例如,日本JR100發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)及渦輪原為鋼制的,改用鈦合金及耐熱鋁合金制造的JR200發(fā)動機(jī)的推重比由10上升到16。它的第一壓氣機(jī)葉片、前軸、壓氣機(jī)盤、渦車后軸及盤均改用日本的KS150合金(Ti-5AI-2Cr-1Fe)制造,壓氣機(jī)的靜態(tài)葉片用Ti-6Al-4V合金代替Cr12不銹鋼,質(zhì)量減輕43%。

在俄羅斯,裝備伊爾-62運(yùn)輸機(jī)的HK8渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)約使用了占其質(zhì)量40%的鈦合金,裝備圖-144超聲速運(yùn)輸機(jī)的HK144渦輪發(fā)動機(jī)也用了不少鈦合金。

英國RR公司((Rolls–Royce)的RB172型發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)鼓輪是用鈦合金IMI685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)制造的,它有高的抗蠕變性、斷裂韌性和優(yōu)秀的可焊性。

空客A320和麥道MD-90型民機(jī)上用的V2500型發(fā)動機(jī)是雙軸渦輪風(fēng)扇噴氣式,質(zhì)量2.2t,鈦合金結(jié)構(gòu)件占31%,是英國、美國、德國、意大利和日本共同研發(fā)的。高壓壓氣機(jī)是RR公司制造的,其3級-6級用的是有高抗蠕變性能的IMl550(Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si)合金;日本制造的風(fēng)扇和低壓氣機(jī)主要采用Ti-6Al-4V合金。

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