钛合金在发动机方面的应用与发展

现代军用战斗机的战术机动性、短距起飞、超音速巡航等优异作战性能在很大程度上依赖于先进的高推重航空发动机的应用，而高推重比航空发动机的发展与高温钛合金的大量应用密切相关。航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。 喷气发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件,不仅要承受很大的应力,而且要有一定的耐热性,即要求钛在300～650℃温度下有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条件,对铝来说温度太高;对钢来说密度太大;钛是最佳的选择。因此,钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用较多的钛合金有Ｔｉ-6Ａｌ-4Ｖ,Ｔｉ-8Ａｌ-1Ｍ-1Ｖ,Ｔｉ-17,Ｔｉ-6242,Ｔｉ-6246,ＴＣ6,ＴＣ9,ＴＣ11,Ｔｉ-1100,ＩＭＩ829,ＩＭＩ834等。发动机的一个重要性能指标是推重比,即发动机产生的推力与其自重之比。推重比越高,发动机性能越好。早期发动机的推重比只有2～3,现在已达到10。国外正在研制推

  重比10～20的发动机。提高推重比,必须提高涡轮前进气的压缩比(进气量指标)与进气温度。工作温度越高,发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度,减轻发动机自身的重量。据计算,当压缩比达到15∶1时,压气机的出口温度为590℃ ,而当压缩比达到25∶1时,压气机的出口温度就达到620～705℃ ,需要耐热性非常好的钛合金。实验证明,常规钛合金只能用于650℃以下,为制造推重比10以上的先进发动机,需要开发以钛基复合材料、Ｔｉ3Al和ＴｉＡｌ型金属间化合物为基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英国的ＩＭＩ829,ＩＭＩ834和美国的Ｔｉ-1100。它们已分别用于Ｖ2500,ＥＪ2000,55-712改型发动机。 根据钛合金的应用现状,高温钛合金(发动机用)和高损伤容限钛合金(机身用)是钛合金未来发展的两个主要方向。而采用材料设计方法是低成本钛合金制备的有效途径之一。ＩＭＩ834和Ｔｉ-1100是600℃使用的高温钛合金,基本满足推重比为10的发动机的使用要求。但在600℃以上,蠕变抗力和高温抗氧化性的急剧下降是限制钛合金在更高温应用的两大主要障碍。与一般钛合金相比,钛铝化合物为基的Ｔｉ3Ａｌ(α2)和ＴｉＡｌ(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好(它们的最高使用温度分别为700和850℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好[17]。为了满足650℃以上,推重比大于10的发动机,需要开发ＴｉＭＭＣ(ｔｉｔａｎｉｕｍ ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ-钛基金属基复合材料)、Ｔｉ3Ａｌ基和ＴｉＡｌ基钛合金。 然而近年来航空业竞争的加剧,人们不得不考虑飞机的制造成本,而不是单纯地追求飞机的性能。为了使钛合金能够更广泛地应用,必须要降低钛合金的使用成本。钛合金成本高的原因之一是高成本的合金化元属,因此用廉价的Ｆｅ,Ｃｒ,Ｎｉ,Ｍｎ和这些元属的合金代替昂贵的Ｎｂ、Ｍｏ和Ｖ元属,设计新牌号合金,具有非常重大的实用价值。