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)合金具有比模量與比強度高(gao)、耐腐蝕性(xing)能好、加工性(xing)能好、成本低(di)廉等突出(chu)優點，因此被認為是航(hang)空(kong)航(hang)天工業中用(yong)量最起著至(zhi)關重要的作用(yong)。主(zhu)要應(ying)用(yong)位置：發動機艙、艙體結構、承載(zai)壁板、梁、儀器安裝框架、燃(ran)料儲(chu)箱等。

2、鈦合金

與鋁、鎂、鋼等金屬(shu)材料(liao)相比(bi)，鈦(tai)合金具(ju)有(you)比(bi)強度很高(gao)、抗腐蝕性(xing)能良(liang)好、抗疲勞性(xing)能良(liang)好、熱(re)導率(lv)和線膨脹系數小等優點，可以在350~450℃以下長(chang)期使(shi)用，低溫可使(shi)用到-196℃。主要應用位(wei)置：航(hang)空發(fa)動機的壓氣機葉(xie)片、機匣、發(fa)動機艙(cang)和隔熱(re)板(ban)等。

3、超高強度鋼

超(chao)高(gao)強(qiang)度(du)鋼具有(you)很高(gao)的(de)抗拉強(qiang)度(du)和(he)(he)足夠的(de)韌性，并(bing)且有(you)良好的(de)焊接性和(he)(he)成形(xing)性。主要應用位置(zhi)：航天發(fa)動機殼體、發(fa)動機噴管、軸(zhou)承和(he)(he)傳(chuan)動齒輪。

如今，航空(kong)(kong)(kong)發(fa)動機(ji)性能不斷(duan)的提高，重量相比(bi)過去有(you)了很(hen)大(da)的減少，在依靠整(zheng)體葉盤、整(zheng)體葉環、空(kong)(kong)(kong)心葉片(pian)和對轉渦(wo)輪等新穎(ying)結(jie)構(gou)的同時，將(jiang)會更看重高比(bi)強(qiang)度、低密度、高剛度和耐高溫(wen)能力強(qiang)的先進(jin)材料。傳統的航空(kong)(kong)(kong)發(fa)動機(ji)材料（鎳(nie)合金(jin)和鈦合金(jin)）雖然(ran)仍然(ran)可以進(jin)一(yi)步發(fa)展(zhan)，但它的發(fa)展(zhan)空(kong)(kong)(kong)間(jian)已經(jing)不大(da)了，很(hen)難滿足未來航空(kong)(kong)(kong)發(fa)動機(ji)更加苛刻的溫(wen)度和重量要求(qiu)。

現在(zai)，樹脂基復合(he)材(cai)料、金(jin)屬基復合(he)材(cai)料、陶瓷基復合(he)材(cai)料和(he)C/C復合(he)材(cai)料因為具有優(you)良的低溫性能，已成(cheng)為航空發動機(ji)風扇(shan)和(he)壓氣機(ji)等(deng)部件的候選(xuan)材(cai)料。

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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(jin)(jin)屬(shu)基復(fu)合材(cai)料(liao)主要是(shi)指以Al、Mg等輕(qing)金(jin)(jin)屬(shu)為基體(ti)的(de)復(fu)合材(cai)料(liao)。在(zai)航空(kong)和(he)宇(yu)航方(fang)面主要用它來代替輕(qing)但有毒的(de)鈹。這(zhe)類材(cai)料(liao)具有優良的(de)橫向性能、低消耗(hao)和(he)優良的(de)可(ke)加工性，已(yi)成為在(zai)許多(duo)應用領域最具商業吸引力的(de)材(cai)料(liao)，并且在(zai)國外已(yi)實(shi)現商品(pin)化。

其中以(yi)鋁(lv)鏗合(he)(he)(he)(he)金、欽(qin)及鐵(tie)合(he)(he)(he)(he)金為基的復合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)是目前主(zhu)要選擇(ze)對象。如以(yi)碳化(hua)硅纖維增(zeng)(zeng)強(qiang)(qiang)欽(qin)合(he)(he)(he)(he)金基體(ti)復合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可用(yong)來制造(zao)壓(ya)氣機(ji)葉片。碳纖維或氧化(hua)鋁(lv)纖維增(zeng)(zeng)強(qiang)(qiang)鎂或鎂合(he)(he)(he)(he)金基體(ti)復合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可用(yong)來制造(zao)渦輪(lun)風扇葉片。又如鎳(nie)鉻鋁(lv)銥纖維增(zeng)(zeng)強(qiang)(qiang)鎳(nie)基合(he)(he)(he)(he)金基體(ti)復合(he)(he)(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)可用(yong)來制造(zao)渦輪(lun)及壓(ya)氣機(ji)用(yong)的密(mi)封元(yuan)件。

在不久的(de)將來，金屬復合材料將會取(qu)代鎳、鈦合金，成為(wei)未來航空發動機(ji)的(de)主要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基復合(he)材料（CMC）由于其(qi)本(ben)身耐溫(wen)高(gao)(gao)、密度(du)低(di)的優(you)勢，在航空發動機(ji)上的應(ying)用呈現出從低(di)溫(wen)向(xiang)(xiang)高(gao)(gao)溫(wen)、從冷端向(xiang)(xiang)熱端部件、從靜子向(xiang)(xiang)轉子的發展趨勢。

CMC材料具有(you)(you)耐溫高(gao)(gao)、密度低、類似金(jin)(jin)屬的斷裂行為、對(dui)裂紋(wen)不敏感、不發生災難性損毀等優異性能，有(you)(you)望取代高(gao)(gao)溫合金(jin)(jin)滿足熱端(duan)部件(jian)在更(geng)高(gao)(gao)溫度環境下的使用，不僅有(you)(you)利于大幅減重(zhong)，而(er)且還可以節約甚至無須冷氣，從而(er)提(ti)高(gao)(gao)總壓比，實(shi)現在高(gao)(gao)溫合金(jin)(jin)耐溫基礎上(shang)進一步提(ti)升工作溫度400～500℃，結構減重(zhong)50%～70%，成為航(hang)空發動機升級換(huan)代的關鍵熱結構用材。

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。主要(yao)應用位置(zhi)：航空發動機冷端(duan)部件（風扇(shan)機匣、壓氣機葉片、進(jin)氣機匣等）和發動機短艙(cang)、反推力裝置(zhi)等部件上得到廣泛應用。

與常規的(de)鈦合金風扇外涵機(ji)(ji)匣相(xiang)比，在保證能(neng)夠(gou)執行所有(you)功能(neng)和承(cheng)受整(zheng)臺發(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)靜態與飛行載荷的(de)前提下，樹脂基復合材料制造的(de)外涵機(ji)(ji)匣能(neng)減輕發(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)重量，減少發(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)研制成本。

與鈦合(he)金的(de)靜子葉片(pian)相比，樹脂基復(fu)(fu)合(he)材料靜子葉片(pian)能減(jian)輕重量50%，降低成(cheng)本50%以上。同時，通過優(you)化纖維取向，復(fu)(fu)合(he)材料靜子葉片(pian)的(de)固有頻率(lv)可(ke)以被修正，以加大其許(xu)用機械和(he)氣動設計空(kong)間(jian)。

4、C/C復合材料

碳/碳復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)是一種新型(xing)高(gao)溫材(cai)(cai)料(liao)(liao)，具(ju)有重量(liang)輕(qing)、模量(liang)高(gao)、比強度大、熱(re)(re)膨脹系數低、耐(nai)高(gao)溫、耐(nai)熱(re)(re)沖擊、耐(nai)腐蝕、吸(xi)振(zhen)性(xing)好等(deng)一系列(lie)優異性(xing)能(neng)(neng)。該材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)密度不到(dao)2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)溫合金的(de)(de)(de)1/4，陶(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)1/2，尤其是這(zhe)(zhe)種材(cai)(cai)料(liao)(liao)隨著溫度升高(gao)(可達(da)2200℃)其強度不僅不降低，甚至比室溫還高(gao)，這(zhe)(zhe)是其它材(cai)(cai)料(liao)(liao)所無法比擬的(de)(de)(de)獨特的(de)(de)(de)性(xing)能(neng)(neng)。

早在80年代(dai)初，美國(guo)(guo)就(jiu)開始(shi)研制碳/碳渦(wo)輪盤和渦(wo)輪葉片，以后(hou)又先后(hou)進(jin)行了F100飛機(ji)(ji)發動機(ji)(ji)的燃燒室(shi)和噴(pen)管試驗，JTD試驗機(ji)(ji)低壓整體渦(wo)輪盤及葉片試驗，還進(jin)行可(ke)1760地面超速試驗。德國(guo)(guo)、俄羅斯和日本已相(xiang)繼成(cheng)功研制渦(wo)輪外環(huan)和整體渦(wo)輪。

目前盡管都認(ren)為碳(tan)/碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)是新型(xing)高性能航(hang)空發動機熱端部件(jian)的可選材(cai)料(liao)(liao)，但國內外都還沒有把碳(tan)/碳(tan)材(cai)料(liao)(liao)真正用于發動機的轉動部件(jian)，究其原因，關鍵是以下問題(ti)還未得(de)到很好解(jie)決：

（1）抗(kang)氧(yang)化問題，由于航空發動機工作(zuo)時間(jian)長、溫度(du)高，而碳(tan)材料在400℃以上就會(hui)開始氧(yang)化，這是(shi)一個尖銳矛盾。

（2）碳/碳材(cai)(cai)料(liao)(liao)與傳統金屬(shu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)在性(xing)能、結(jie)構等方面(mian)均不相同，傳統的設(she)(she)計將不適(shi)用于碳/碳材(cai)(cai)料(liao)(liao)，必須根據該材(cai)(cai)料(liao)(liao)的特點進行(xing)特殊、全新的結(jie)構設(she)(she)計，這方面(mian)的研(yan)究需要進一步深入。

（3）性(xing)(xing)能的穩定性(xing)(xing)、再現性(xing)(xing)是實用的前提，對(dui)于(yu)復合材料而言這是一(yi)個難(nan)點，要求有相應穩定的工藝、增強(qiang)體質量、基體質量、均勻性(xing)(xing)等(deng)一(yi)系列問題，尚需深入研究。

隨(sui)著對復合(he)材(cai)(cai)料(liao)研(yan)究工作的不斷深(shen)入和科(ke)學家們(men)的不斷探(tan)索(suo)，加之輔以持續(xu)(xu)改(gai)進的生產和加工工藝，使復合(he)材(cai)(cai)料(liao)應用的普遍性(xing)、實(shi)用性(xing)、高(gao)效性(xing)得到了巨大(da)的提高(gao)，應用前(qian)景非(fei)常廣闊。但是不可忽(hu)視，現(xian)在(zai)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)生產和應用領域還存(cun)在(zai)許多問題(ti)，而這些問題(ti)也在(zai)一(yi)定(ding)程度上限制了復合(he)材(cai)(cai)料(liao)的發展。因此(ci)，對復合(he)材(cai)(cai)料(liao)的研(yan)究仍將繼續(xu)(xu)下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空(kong)發動機主要(yao)分為五大(da)部件，分別是進氣道、壓氣機、燃燒室、渦(wo)輪和尾噴管(guan)。

1、航空(kong)發動機進氣(qi)(qi)道(dao)主要(yao)的(de)(de)作用是在(zai)各(ge)種(zhong)工作狀態下，能夠(gou)(gou)將足夠(gou)(gou)量(liang)的(de)(de)空(kong)氣(qi)(qi)，以最小的(de)(de)流動損失，引入壓氣(qi)(qi)機。亞音速進氣(qi)(qi)道(dao)是擴張型的(de)(de)管道(dao)。它由殼體(ti)和整(zheng)流錐組成。

2、壓(ya)氣機是航(hang)空(kong)發動(dong)機的重(zhong)要組成部分之(zhi)一(yi)。它的主要作(zuo)用是通過(guo)高速旋轉的葉片(pian)對空(kong)氣做功，對流過(guo)它的空(kong)氣進行壓(ya)縮，提(ti)高空(kong)氣的壓(ya)力(li)，為之(zhi)后在(zai)氣體在(zai)燃燒室中(zhong)的燃燒創造條件，以改(gai)善發動(dong)機的經濟(ji)性，增(zeng)加發動(dong)機的推力(li)。

3、燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)是發動(dong)機的(de)(de)重要(yao)部(bu)件之一。燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)位于壓(ya)氣(qi)機和(he)(he)(he)渦(wo)輪之間(jian)，其主(zhu)要(yao)作用(yong)(yong)是高壓(ya)空(kong)氣(qi)和(he)(he)(he)燃(ran)(ran)油充分(fen)(fen)混合燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)，將化學(xue)能轉化為熱能，形成高溫高壓(ya)的(de)(de)燃(ran)(ran)氣(qi)。發動(dong)機的(de)(de)可靠性(xing)、經(jing)濟性(xing)和(he)(he)(he)壽命(ming)很大程(cheng)度由它決定。燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)有三種(zhong)基本構型，分(fen)(fen)別是分(fen)(fen)管燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)、聯管燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)和(he)(he)(he)環(huan)形燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)。無論那種(zhong)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)，為了滿(man)足基本功(gong)能都采(cai)用(yong)(yong)了減速(su)擴壓(ya)、分(fen)(fen)股進氣(qi)等技(ji)術。燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)室(shi)(shi)(shi)由進氣(qi)裝置（擴壓(ya)器）、火焰筒、噴嘴、點(dian)火裝置和(he)(he)(he)殼體組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)(de)重要部件(jian)之一。安裝在燃燒室的(de)(de)后面，它的(de)(de)作用是將(jiang)高(gao)(gao)溫(wen)燃氣中的(de)(de)熱能(neng)和(he)壓力位能(neng)轉(zhuan)(zhuan)變為功，高(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)壓的(de)(de)氣體(ti)在渦輪中膨脹，推動(dong)渦輪旋轉(zhuan)(zhuan)，帶動(dong)風(feng)扇(shan)和(he)壓氣機工(gong)作。航空燃氣渦輪的(de)(de)特點(dian)是功率(lv)大、燃氣溫(wen)度高(gao)(gao)、轉(zhuan)(zhuan)速高(gao)(gao)、效率(lv)高(gao)(gao)和(he)重量輕。

5、尾噴管(guan)安(an)裝(zhuang)在渦輪的后部，也(ye)是發動機的重(zhong)要(yao)部件之(zhi)一。主(zhu)要(yao)作用是將從渦輪流(liu)出的燃(ran)氣膨脹加速(su)，將燃(ran)氣部分的焓(han)轉變為(wei)動能(neng)，提高燃(ran)氣速(su)度，使燃(ran)氣以很大的速(su)度排出，產生較大的推力。