航空发动机难造全因为材料不行?这还真不是

导语:相信很多关心航空发动机发展的社友都听过这样一个断言:航空发动机不好是因为材料不行。材料是问题之一,但难题是多方面的。一台民用发动机需要无故障地、稳定地工作3万小时,在工作过程中,一方面转速极高(每分钟约15000转),需要承担叶片本身重量1万倍的离心力;另一方面,燃烧室温度达到1800K以上,与之对照,目前熔点最高的镍基高温合金初熔点不到1600K。

导语:相信很多关心航空发动机发展的社友都听过这样一个断言:航空发动机不好是因为材料不行。材料是问题之一,但难题是多方面的。一台民用发动机需要无故障地、稳定地工作3万小时,在工作过程中,一方面转速极高(每分钟约15000转),需要承担叶片本身重量1万倍的离心力;另一方面,燃烧室温度达到1800K以上,与之对照,目前熔点最高的镍基高温合金初熔点不到1600K。

今天,我们来盘点一下民用航空发动机制造的四个难点。

航空发动机爆炸图

1

对安全性和可靠性要求极高

在极端的工作条件下,民用航空发动机需要稳定地工作3万小时,预计未来要求能达到稳定工作10万小时以上。为了确保航发的安全和可靠,两个实验必不可少——抛鸟实验、吞冰实验。

抛鸟实验

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美国2009年哈德逊河迫降是航空史上有名的事件,当时飞机出故障的原因,正是在纽约机场起飞一分钟后两个引擎均受鸟撞击而失去动力,最后不得不迫降在哈德逊河。

吞冰实验

2

每分钟15000转,承受巨大离心力

发动机叶片每分钟转速大约在15000~16000rpm之间,此时,转动叶片的离心力相当于叶片重量的10000倍。更为直观地说,航空发动机1个叶片榫头(工作叶片和涡轮盘相连的部分)所承受的离心力高达约150kN,大约15吨。

3

燃烧室温度1800K以上,超过高温合金熔点

航发各部分金属材料分布

民机发动机燃烧室的温度达到1800~1900K,镍基高温合金的初熔点大概也就在1300℃左右,也不到1600K。

镍基高温合金在高温下比强度较其他金属更高

发动机叶片的工作温度已经远远超出了合金的熔点,为解决这个问题,可以采取几大技术。

1、冷却

早期叶片多为实心,随着铸造技术的进步,叶片发展为定向(单晶)空心无余量叶片。空心气冷叶片的出现,在降低叶片重量的同时,可让冷空气可进入腔内冷却。

上文提到单晶叶片,在此不妨稍微离题,介绍下国内单晶叶片的生产水平。单晶叶片是航发零件中生产工序多(40~60道工序)、周期长、合格率低的一种零件,其生产的关键设备包括热处理炉和单晶炉。一级航空热处理炉在生产叶片时炉内温度在1330℃,炉内任意两点温度差处于正负3℃范围内,这种热处理炉国内尚无法生产,单晶炉的供应面临着类似状况。根据《经济半小时》报道,2015年,成都航宇成功突破技术难关,成为国内首家单晶铼合金叶片达到量产标准的企业。

上文提到单晶叶片,在此不妨稍微离题,介绍下国内单晶叶片的生产水平。单晶叶片是航发零件中生产工序多(40~60道工序)、周期长、合格率低的一种零件,其生产的关键设备包括热处理炉和单晶炉。一级航空热处理炉在生产叶片时炉内温度在1330℃,炉内任意两点温度差处于正负3℃范围内,这种热处理炉国内尚无法生产,单晶炉的供应面临着类似状况。根据《经济半小时》报道,2015年,成都航宇成功突破技术难关,成为国内首家单晶铼合金叶片达到量产标准的企业。

单晶铸造涡轮叶片的微观结构

2、继续提高合金承温能力

↓↓涡轮叶片的成形工艺和晶相结构↓↓

3、热障涂层(Thermal Barrier Coating)

热障涂层本质是一层陶瓷涂层,此概念于上世纪50年代提出,80年代技术取得重大突破。

热障涂沉积在耐高温金属或超合金的表面,对于基底材料起到隔热作用,降低基底温度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行,并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。

热障涂沉积在耐高温金属或超合金的表面,对于基底材料起到隔热作用,降低基底温度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行,并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。

4

17级风速下,火焰还需稳定燃烧

↓↓涡扇发动机发动机气流控制↓↓

关于航发制造,知乎用户@Killer40这段话值得分享。

本人在读博士,做钴基高温合金的。

科普一下,材料学研究的是成分—工艺—微观组织—性能间关系的学科。目前来说成分对于任何一个行业来说都不是问题,随便买个成品,检测一下,成分就知道了。

因此关键是工艺,也就是人家怎么把原材料变成成品的。这个可就太难了,一道工序变量可能上百种。国家甚至世界上强调采用材料基因、人工智能等技术来加速设计就是因为这个。

此外,发动机是一个系统工程,高温合金,热障涂层,大块单晶样品制备等等,每一个子项目都需要国家级的项目来支撑,一个学校或者科研单位根本无法全部完成,需要国家等级的资源整合。然而整合的时候往小了说有知识产权争议,往大了说共享材料研发成果基本不可能,还是需要出台政策。

@Killer40

本人在读博士,做钴基高温合金的。

科普一下,材料学研究的是成分—工艺—微观组织—性能间关系的学科。目前来说成分对于任何一个行业来说都不是问题,随便买个成品,检测一下,成分就知道了。

因此关键是工艺,也就是人家怎么把原材料变成成品的。这个可就太难了,一道工序变量可能上百种。国家甚至世界上强调采用材料基因、人工智能等技术来加速设计就是因为这个。

此外,发动机是一个系统工程,高温合金,热障涂层,大块单晶样品制备等等,每一个子项目都需要国家级的项目来支撑,一个学校或者科研单位根本无法全部完成,需要国家等级的资源整合。然而整合的时候往小了说有知识产权争议,往大了说共享材料研发成果基本不可能,还是需要出台政策。

@Killer40

正如引文所说,航发制造是个大工程,其四大典型难题本文就粗浅介绍到这里了。正文到此结束,附上彩蛋,北航校长关于航发研发的一段讲话:

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