一、航空發動機的關鍵材料有哪些

（一）航空發動機上應用的先進金屬材料

1、鋁合金

鋁(lv)合(he)金具有比模量與比強度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本(ben)低廉等(deng)突出優點，因此被認(ren)為是航空(kong)航天工業中用(yong)量最(zui)起(qi)著至關重(zhong)要的作用(yong)。主要應用(yong)位置：發動機艙、艙體結構(gou)、承載(zai)壁板、梁(liang)、儀器安(an)裝框架(jia)、燃料儲箱等(deng)。

2、鈦合金

與鋁、鎂、鋼等(deng)金屬(shu)材料相比(bi)，鈦合(he)金具有比(bi)強度很(hen)高、抗(kang)(kang)腐蝕性(xing)能良好、抗(kang)(kang)疲勞(lao)性(xing)能良好、熱導率(lv)和(he)線膨(peng)脹系數小等(deng)優(you)點(dian)，可(ke)以(yi)在350~450℃以(yi)下長(chang)期使(shi)用，低(di)溫可(ke)使(shi)用到-196℃。主要(yao)應用位置：航空發動機的壓氣機葉(xie)片、機匣、發動機艙和(he)隔(ge)熱板等(deng)。

3、超高強度鋼

超高(gao)強度鋼具有很高(gao)的(de)抗拉強度和足夠的(de)韌性(xing)，并(bing)且有良好的(de)焊(han)接性(xing)和成形(xing)性(xing)。主要應用位置(zhi)：航天發(fa)動(dong)機殼(ke)體、發(fa)動(dong)機噴管、軸(zhou)承和傳動(dong)齒輪。

如今，航(hang)空(kong)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機性能(neng)不斷(duan)的(de)(de)(de)提高(gao)(gao)，重量相(xiang)比過去有了很大的(de)(de)(de)減少，在依靠整體葉盤(pan)、整體葉環、空(kong)心(xin)葉片和對轉渦輪等新(xin)穎結構的(de)(de)(de)同時(shi)，將會更看(kan)重高(gao)(gao)比強度、低密(mi)度、高(gao)(gao)剛度和耐高(gao)(gao)溫能(neng)力(li)強的(de)(de)(de)先進材料(liao)。傳統(tong)的(de)(de)(de)航(hang)空(kong)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機材料(liao)（鎳合(he)(he)金和鈦合(he)(he)金）雖(sui)然(ran)仍然(ran)可以進一(yi)步發(fa)(fa)展，但它(ta)的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展空(kong)間已經不大了，很難滿足未來航(hang)空(kong)發(fa)(fa)動(dong)(dong)機更加苛刻(ke)的(de)(de)(de)溫度和重量要(yao)求。

現在，樹(shu)脂基(ji)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)、金(jin)屬基(ji)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)、陶瓷(ci)基(ji)復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)和(he)C/C復(fu)合材(cai)料(liao)(liao)因為具有優良(liang)的低溫性能(neng)，已(yi)成為航(hang)空(kong)發動機風(feng)扇和(he)壓(ya)氣(qi)機等部件的候選(xuan)材(cai)料(liao)(liao)。

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（二）航空發動機上應用的先進復合材料

1、金屬基復合材料

金屬基復合材(cai)料(liao)(liao)主(zhu)要是指以(yi)Al、Mg等輕金屬為基體(ti)的(de)(de)復合材(cai)料(liao)(liao)。在(zai)航空和宇(yu)航方面主(zhu)要用它來代替輕但有(you)毒的(de)(de)鈹。這(zhe)類(lei)材(cai)料(liao)(liao)具(ju)有(you)優良(liang)的(de)(de)橫(heng)向(xiang)性能、低消耗和優良(liang)的(de)(de)可加(jia)工性，已成(cheng)為在(zai)許多(duo)應用領(ling)域最具(ju)商業吸(xi)引力的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)，并且(qie)在(zai)國外已實現商品化(hua)。

其(qi)中以鋁(lv)(lv)鏗合(he)(he)(he)金(jin)、欽(qin)(qin)及(ji)鐵合(he)(he)(he)金(jin)為(wei)基(ji)的(de)復(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)是目前主要選擇(ze)對象。如(ru)以碳化(hua)(hua)硅纖(xian)維(wei)(wei)增(zeng)強欽(qin)(qin)合(he)(he)(he)金(jin)基(ji)體(ti)(ti)復(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)壓氣機葉(xie)片(pian)。碳纖(xian)維(wei)(wei)或氧化(hua)(hua)鋁(lv)(lv)纖(xian)維(wei)(wei)增(zeng)強鎂或鎂合(he)(he)(he)金(jin)基(ji)體(ti)(ti)復(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)渦輪(lun)風(feng)扇葉(xie)片(pian)。又如(ru)鎳鉻鋁(lv)(lv)銥纖(xian)維(wei)(wei)增(zeng)強鎳基(ji)合(he)(he)(he)金(jin)基(ji)體(ti)(ti)復(fu)合(he)(he)(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)渦輪(lun)及(ji)壓氣機用的(de)密封元(yuan)件。

在不久的將來(lai)，金(jin)屬(shu)復合材料(liao)(liao)將會(hui)取代鎳、鈦合金(jin)，成為未來(lai)航空(kong)發動機的主要材料(liao)(liao)。

2、陶瓷基復合材料

陶(tao)瓷(ci)基復合材料（CMC）由于(yu)其本身耐溫(wen)高、密度低的優(you)勢(shi)，在(zai)航空發動(dong)機(ji)上的應用(yong)呈(cheng)現出從(cong)低溫(wen)向(xiang)高溫(wen)、從(cong)冷端向(xiang)熱(re)端部件、從(cong)靜子向(xiang)轉子的發展趨勢(shi)。

CMC材料具有(you)耐溫高(gao)、密度(du)低(di)、類(lei)似金(jin)屬的斷裂行為、對(dui)裂紋不(bu)(bu)敏感、不(bu)(bu)發生災難性(xing)損毀等優異(yi)性(xing)能，有(you)望取(qu)代(dai)高(gao)溫合金(jin)滿足(zu)熱(re)端(duan)部件(jian)在(zai)更高(gao)溫度(du)環(huan)境下的使用(yong)，不(bu)(bu)僅有(you)利于大幅減重，而且還(huan)可以節約甚至無須冷氣，從而提(ti)高(gao)總壓比，實現在(zai)高(gao)溫合金(jin)耐溫基礎上進一(yi)步提(ti)升工(gong)作溫度(du)400～500℃，結構(gou)減重50%～70%，成為航空發動(dong)機升級換代(dai)的關鍵熱(re)結構(gou)用(yong)材。

3、樹脂基復合材料

先進樹脂基復合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復合材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比，它的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強度與比模量遠高于后二者。主(zhu)要(yao)應用位置：航空發動(dong)機(ji)冷端部件(jian)(jian)（風扇機(ji)匣、壓氣(qi)機(ji)葉片、進氣(qi)機(ji)匣等(deng)）和發動(dong)機(ji)短(duan)艙、反推力裝置等(deng)部件(jian)(jian)上(shang)得(de)到(dao)廣泛應用。

與常規的鈦合金風扇外(wai)(wai)涵機(ji)(ji)匣(xia)相比，在保(bao)證能(neng)夠執行所有功能(neng)和承受整臺(tai)發(fa)動機(ji)(ji)的靜態與飛行載荷的前提(ti)下，樹(shu)脂(zhi)基復合材料制造(zao)的外(wai)(wai)涵機(ji)(ji)匣(xia)能(neng)減(jian)輕發(fa)動機(ji)(ji)的重量，減(jian)少發(fa)動機(ji)(ji)的研(yan)制成本。

與鈦(tai)合(he)(he)金的靜(jing)子葉片(pian)(pian)相比，樹脂基復合(he)(he)材(cai)料靜(jing)子葉片(pian)(pian)能減輕重量50%，降低成本(ben)50%以(yi)上。同時，通過(guo)優(you)化纖(xian)維取向，復合(he)(he)材(cai)料靜(jing)子葉片(pian)(pian)的固有頻率可以(yi)被修正，以(yi)加大(da)其許用機械(xie)和氣動(dong)設計空(kong)間。

4、C/C復合材料

碳(tan)/碳(tan)復合材(cai)料(liao)是一種新型高(gao)溫(wen)(wen)(wen)材(cai)料(liao)，具有重量輕、模(mo)量高(gao)、比(bi)強度大、熱膨(peng)脹(zhang)系數低、耐(nai)高(gao)溫(wen)(wen)(wen)、耐(nai)熱沖擊、耐(nai)腐蝕、吸振性好等一系列優(you)異性能。該材(cai)料(liao)的(de)密度不到2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)溫(wen)(wen)(wen)合金的(de)1/4，陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的(de)1/2，尤(you)其(qi)(qi)是這種材(cai)料(liao)隨著溫(wen)(wen)(wen)度升高(gao)(可達2200℃)其(qi)(qi)強度不僅不降低，甚至比(bi)室溫(wen)(wen)(wen)還高(gao)，這是其(qi)(qi)它材(cai)料(liao)所無法比(bi)擬的(de)獨特的(de)性能。

早在80年代初(chu)，美國就開始研制(zhi)碳/碳渦(wo)(wo)(wo)輪盤和(he)渦(wo)(wo)(wo)輪葉片，以后又(you)先后進行了F100飛機(ji)發(fa)動機(ji)的燃燒室和(he)噴管試(shi)驗，JTD試(shi)驗機(ji)低壓整體(ti)渦(wo)(wo)(wo)輪盤及葉片試(shi)驗，還進行可1760地面超速試(shi)驗。德(de)國、俄(e)羅斯和(he)日本(ben)已相繼成(cheng)功研制(zhi)渦(wo)(wo)(wo)輪外環(huan)和(he)整體(ti)渦(wo)(wo)(wo)輪。

目前盡管都(dou)認為碳(tan)/碳(tan)材料是新(xin)型高(gao)性能航空發動(dong)機(ji)熱端部件(jian)的(de)可選(xuan)材料，但國內外(wai)都(dou)還(huan)沒有把碳(tan)/碳(tan)材料真正(zheng)用于發動(dong)機(ji)的(de)轉動(dong)部件(jian)，究其原因，關(guan)鍵是以下(xia)問題還(huan)未得(de)到很好解(jie)決：

（1）抗氧(yang)化問(wen)題(ti)，由于航空發動機工(gong)作(zuo)時(shi)間長(chang)、溫(wen)度高，而碳材料在(zai)400℃以上就會開始氧(yang)化，這是一(yi)個尖銳(rui)矛盾。

（2）碳(tan)/碳(tan)材料與(yu)傳統(tong)金屬材料在(zai)性能、結構等方面均不相同，傳統(tong)的(de)(de)設計將不適用于碳(tan)/碳(tan)材料，必須(xu)根據該(gai)材料的(de)(de)特點(dian)進行特殊、全新的(de)(de)結構設計，這(zhe)方面的(de)(de)研究需要進一步深入。

（3）性能的(de)穩(wen)定(ding)(ding)性、再現性是(shi)實用(yong)的(de)前提，對于復合材料(liao)而言這是(shi)一個(ge)難點，要(yao)求有相應穩(wen)定(ding)(ding)的(de)工藝、增(zeng)強體質量(liang)、基體質量(liang)、均勻(yun)性等一系(xi)列(lie)問題，尚(shang)需深入(ru)研究。

隨著對(dui)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)研究工作的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)深入和科學家們的(de)(de)(de)不(bu)斷(duan)探索，加之輔以持續改進的(de)(de)(de)生產(chan)和加工工藝，使復合(he)材(cai)(cai)料(liao)應(ying)用的(de)(de)(de)普遍(bian)性(xing)、實(shi)用性(xing)、高(gao)效性(xing)得到(dao)了(le)巨大的(de)(de)(de)提高(gao)，應(ying)用前景(jing)非常廣闊。但是不(bu)可忽視，現在(zai)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)生產(chan)和應(ying)用領域(yu)還存在(zai)許(xu)多問題，而這些(xie)問題也在(zai)一(yi)定程度上限制了(le)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)發(fa)展。因此，對(dui)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)研究仍將繼續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機(ji)主(zhu)要(yao)分(fen)為五大部件(jian)，分(fen)別(bie)是進氣道、壓氣機(ji)、燃燒(shao)室(shi)、渦(wo)輪和尾噴(pen)管。

1、航空(kong)發動(dong)機進氣道(dao)(dao)主(zhu)要的(de)作(zuo)用是在各種(zhong)工作(zuo)狀態下(xia)，能夠(gou)將足夠(gou)量的(de)空(kong)氣，以最小(xiao)的(de)流(liu)動(dong)損(sun)失，引(yin)入壓氣機。亞音速(su)進氣道(dao)(dao)是擴張型(xing)的(de)管道(dao)(dao)。它由殼(ke)體和整流(liu)錐組成(cheng)。

2、壓氣(qi)(qi)機(ji)是航空發(fa)動機(ji)的(de)(de)重要組成部分之一。它(ta)的(de)(de)主要作用(yong)是通過高速旋轉(zhuan)的(de)(de)葉(xie)片對空氣(qi)(qi)做功，對流過它(ta)的(de)(de)空氣(qi)(qi)進行壓縮，提(ti)高空氣(qi)(qi)的(de)(de)壓力(li)，為之后在(zai)(zai)氣(qi)(qi)體在(zai)(zai)燃燒室中的(de)(de)燃燒創造條件，以改善發(fa)動機(ji)的(de)(de)經濟性，增加發(fa)動機(ji)的(de)(de)推力(li)。

3、燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)是(shi)發動(dong)機(ji)(ji)的(de)重(zhong)要(yao)部件之一。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)位于壓(ya)(ya)氣機(ji)(ji)和(he)渦輪之間(jian)，其主要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)高壓(ya)(ya)空氣和(he)燃(ran)(ran)(ran)油充(chong)分混合(he)燃(ran)(ran)(ran)燒，將化學能(neng)轉化為熱能(neng)，形(xing)成高溫(wen)高壓(ya)(ya)的(de)燃(ran)(ran)(ran)氣。發動(dong)機(ji)(ji)的(de)可(ke)靠性(xing)、經濟(ji)性(xing)和(he)壽命很大程度由它決定。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)有三種基本(ben)(ben)構型，分別是(shi)分管燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)、聯管燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)和(he)環形(xing)燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)。無論那種燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)，為了滿(man)足基本(ben)(ben)功能(neng)都(dou)采用(yong)了減(jian)速擴壓(ya)(ya)、分股進(jin)氣等技(ji)術。燃(ran)(ran)(ran)燒室(shi)由進(jin)氣裝(zhuang)置(zhi)（擴壓(ya)(ya)器）、火(huo)焰(yan)筒(tong)、噴嘴、點火(huo)裝(zhuang)置(zhi)和(he)殼體組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)重(zhong)要部件之一(yi)。安裝在燃(ran)燒(shao)室的(de)后面，它的(de)作用是將高溫(wen)燃(ran)氣中的(de)熱能(neng)和(he)壓力(li)位能(neng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)變為功，高溫(wen)高壓的(de)氣體在渦輪(lun)中膨脹，推動渦輪(lun)旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，帶動風扇和(he)壓氣機工(gong)作。航空燃(ran)氣渦輪(lun)的(de)特點是功率大、燃(ran)氣溫(wen)度高、轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速高、效率高和(he)重(zhong)量輕。

5、尾噴管(guan)安裝在渦(wo)輪的(de)(de)后部，也是發動機的(de)(de)重要部件之一(yi)。主要作用是將從渦(wo)輪流出的(de)(de)燃(ran)氣膨脹加(jia)速(su)(su)，將燃(ran)氣部分的(de)(de)焓轉(zhuan)變(bian)為(wei)動能，提高燃(ran)氣速(su)(su)度，使燃(ran)氣以很(hen)大的(de)(de)速(su)(su)度排出，產生較(jiao)大的(de)(de)推(tui)力。