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

鋁合金具有比模量與比強度(du)高、耐腐蝕性能好(hao)、加工性能好(hao)、成本低廉等(deng)突出(chu)優點(dian)，因此被(bei)認為是航空(kong)航天工業中用量最起(qi)著至關(guan)重要的作用。主要應(ying)用位(wei)置(zhi)：發(fa)動機(ji)艙(cang)、艙(cang)體結構、承載(zai)壁板、梁、儀器(qi)安裝(zhuang)框架、燃料儲箱等(deng)。

2、鈦合金

與鋁(lv)、鎂、鋼(gang)等金屬材料相(xiang)比(bi)，鈦合金具有比(bi)強度很(hen)高、抗腐蝕性能良好(hao)、抗疲勞(lao)性能良好(hao)、熱(re)(re)導率和(he)線膨脹系數小(xiao)等優點，可以(yi)在350~450℃以(yi)下長期使用，低溫可使用到-196℃。主要應用位置(zhi)：航空發動機的壓氣機葉片、機匣、發動機艙和(he)隔熱(re)(re)板等。

3、超高強度鋼

超(chao)高強(qiang)度(du)(du)鋼(gang)具有(you)很高的(de)抗拉強(qiang)度(du)(du)和(he)(he)足夠的(de)韌性，并且有(you)良(liang)好(hao)的(de)焊接性和(he)(he)成形性。主要應用位置(zhi)：航(hang)天(tian)發動(dong)機殼體、發動(dong)機噴(pen)管、軸承和(he)(he)傳(chuan)動(dong)齒輪(lun)。

如今，航空(kong)發動機(ji)性能不(bu)斷的(de)提高，重量相(xiang)比過去有了很大(da)(da)的(de)減(jian)少，在依靠整體葉盤、整體葉環、空(kong)心葉片和(he)對轉渦輪等(deng)新穎結構的(de)同時，將會(hui)更看重高比強度(du)、低(di)密度(du)、高剛度(du)和(he)耐高溫(wen)能力強的(de)先進(jin)材料。傳統的(de)航空(kong)發動機(ji)材料（鎳合金和(he)鈦合金）雖然仍(reng)然可以(yi)進(jin)一步發展，但(dan)它(ta)的(de)發展空(kong)間已經不(bu)大(da)(da)了，很難滿足未來(lai)航空(kong)發動機(ji)更加苛刻(ke)的(de)溫(wen)度(du)和(he)重量要求。

現在，樹脂基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)、金屬基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)、陶瓷基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)和C/C復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)因(yin)為(wei)(wei)具有優良的(de)(de)低溫性能，已成為(wei)(wei)航空發動機風扇和壓氣機等(deng)部件的(de)(de)候選材(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(ji)(ji)復合材料主要(yao)是(shi)指以(yi)Al、Mg等輕金屬為基(ji)(ji)體的(de)復合材料。在(zai)(zai)航空和(he)宇航方面(mian)主要(yao)用(yong)它來(lai)代替(ti)輕但有毒的(de)鈹。這類材料具有優良的(de)橫向(xiang)性能(neng)、低消耗和(he)優良的(de)可加工(gong)性，已(yi)成為在(zai)(zai)許多應(ying)用(yong)領域(yu)最(zui)具商(shang)業(ye)吸引力的(de)材料，并且在(zai)(zai)國外(wai)已(yi)實現(xian)商(shang)品(pin)化。

其中以鋁(lv)鏗(keng)合(he)金(jin)、欽(qin)及鐵合(he)金(jin)為(wei)基(ji)(ji)的(de)復(fu)合(he)材料(liao)是目前主要選(xuan)擇對象。如以碳(tan)化(hua)硅纖(xian)維增強(qiang)(qiang)欽(qin)合(he)金(jin)基(ji)(ji)體復(fu)合(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)(zao)壓氣(qi)機(ji)葉(xie)片(pian)。碳(tan)纖(xian)維或氧化(hua)鋁(lv)纖(xian)維增強(qiang)(qiang)鎂或鎂合(he)金(jin)基(ji)(ji)體復(fu)合(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)(zao)渦輪風扇(shan)葉(xie)片(pian)。又(you)如鎳鉻(ge)鋁(lv)銥(yi)纖(xian)維增強(qiang)(qiang)鎳基(ji)(ji)合(he)金(jin)基(ji)(ji)體復(fu)合(he)材料(liao)可(ke)用來(lai)制造(zao)(zao)渦輪及壓氣(qi)機(ji)用的(de)密(mi)封元件。

在(zai)不(bu)久的(de)將來(lai)，金(jin)屬(shu)復合材(cai)料(liao)將會取代鎳、鈦合金(jin)，成為未來(lai)航空(kong)發動機的(de)主要(yao)材(cai)料(liao)。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基(ji)復(fu)合(he)材(cai)料（CMC）由于其本身耐溫(wen)高、密度低的優勢(shi)，在航空發動機上的應用呈現出從低溫(wen)向高溫(wen)、從冷端向熱端部件(jian)、從靜(jing)子向轉子的發展趨勢(shi)。

CMC材料具有(you)(you)耐溫高、密度低、類似金屬的斷裂行為、對裂紋(wen)不(bu)敏(min)感、不(bu)發生災難(nan)性損毀等(deng)優異性能，有(you)(you)望取代高溫合(he)金滿足(zu)熱(re)端部件在更(geng)高溫度環(huan)境下的使用(yong)(yong)，不(bu)僅(jin)有(you)(you)利(li)于大幅減(jian)重(zhong)，而(er)且(qie)還可以節約甚至無須(xu)冷氣，從而(er)提(ti)(ti)高總壓比，實現在高溫合(he)金耐溫基礎(chu)上進(jin)一(yi)步提(ti)(ti)升(sheng)工作溫度400～500℃，結(jie)構減(jian)重(zhong)50%～70%，成為航空發動機升(sheng)級換代的關鍵熱(re)結(jie)構用(yong)(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。主要應(ying)用位置(zhi)：航空(kong)發動機(ji)冷端部(bu)件（風扇(shan)機(ji)匣、壓氣機(ji)葉片、進氣機(ji)匣等）和發動機(ji)短艙、反推力裝(zhuang)置(zhi)等部(bu)件上得到廣泛應(ying)用。

與常規的鈦(tai)合(he)金(jin)風(feng)扇外涵(han)機(ji)(ji)匣(xia)相比，在保證(zheng)能(neng)夠執行(xing)所有功能(neng)和承受(shou)整臺發(fa)動機(ji)(ji)的靜態與飛(fei)行(xing)載荷的前(qian)提下，樹脂基復合(he)材料制造的外涵(han)機(ji)(ji)匣(xia)能(neng)減(jian)輕發(fa)動機(ji)(ji)的重量(liang)，減(jian)少發(fa)動機(ji)(ji)的研制成本。

與鈦合(he)金的(de)靜子(zi)葉片相比(bi)，樹(shu)脂基(ji)復(fu)合(he)材料靜子(zi)葉片能減輕重量50%，降低(di)成本50%以(yi)(yi)上。同時，通過(guo)優(you)化纖維取向(xiang)，復(fu)合(he)材料靜子(zi)葉片的(de)固(gu)有頻(pin)率可(ke)以(yi)(yi)被修正，以(yi)(yi)加(jia)大其(qi)許用(yong)機械和氣動設計空間。

4、C/C復合材料

碳/碳復合材(cai)料(liao)(liao)是(shi)一種新型(xing)高(gao)(gao)溫材(cai)料(liao)(liao)，具(ju)有重量輕(qing)、模量高(gao)(gao)、比(bi)(bi)強度(du)大、熱(re)膨脹(zhang)系(xi)數低(di)、耐(nai)高(gao)(gao)溫、耐(nai)熱(re)沖擊、耐(nai)腐蝕、吸振性好(hao)等一系(xi)列優異性能。該材(cai)料(liao)(liao)的(de)密(mi)度(du)不到2.0g/cm3，僅為鎳基高(gao)(gao)溫合金的(de)1/4，陶瓷材(cai)料(liao)(liao)的(de)1/2，尤其是(shi)這種材(cai)料(liao)(liao)隨(sui)著溫度(du)升高(gao)(gao)(可(ke)達2200℃)其強度(du)不僅不降低(di)，甚(shen)至比(bi)(bi)室溫還(huan)高(gao)(gao)，這是(shi)其它材(cai)料(liao)(liao)所無法(fa)比(bi)(bi)擬的(de)獨特(te)的(de)性能。

早在80年(nian)代初，美國(guo)就開(kai)始研(yan)制碳(tan)/碳(tan)渦輪(lun)盤和(he)渦輪(lun)葉(xie)片，以后又(you)先后進行(xing)了F100飛機(ji)發動機(ji)的燃燒室和(he)噴管試驗(yan)，JTD試驗(yan)機(ji)低壓整體渦輪(lun)盤及葉(xie)片試驗(yan)，還進行(xing)可1760地(di)面超速(su)試驗(yan)。德(de)國(guo)、俄羅斯(si)和(he)日本已相繼(ji)成功研(yan)制渦輪(lun)外環(huan)和(he)整體渦輪(lun)。

目前盡管都認為碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料是(shi)新(xin)型高性能航(hang)空發動機熱端部件的可選材料，但國內(nei)外都還沒(mei)有把碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料真正用于發動機的轉動部件，究其原(yuan)因，關鍵是(shi)以下問(wen)題還未(wei)得到很好(hao)解決：

（1）抗氧(yang)化問題，由于(yu)航空(kong)發動機工作時間長、溫(wen)度高，而碳材料(liao)在400℃以上就會(hui)開始氧(yang)化，這是一個尖(jian)銳矛盾。

（2）碳/碳材(cai)(cai)料(liao)與傳統金(jin)屬材(cai)(cai)料(liao)在性能、結構(gou)(gou)等方(fang)面均(jun)不相(xiang)同，傳統的(de)設計將(jiang)不適用于碳/碳材(cai)(cai)料(liao)，必須根(gen)據(ju)該材(cai)(cai)料(liao)的(de)特點進(jin)行特殊(shu)、全新的(de)結構(gou)(gou)設計，這方(fang)面的(de)研(yan)究需要進(jin)一步深(shen)入。

（3）性(xing)能的(de)穩(wen)(wen)定(ding)性(xing)、再現性(xing)是實用的(de)前(qian)提，對(dui)于復合材料而言這是一(yi)個難點，要求(qiu)有(you)相應(ying)穩(wen)(wen)定(ding)的(de)工藝、增強體(ti)質(zhi)量、基體(ti)質(zhi)量、均(jun)勻性(xing)等(deng)一(yi)系列問題(ti)，尚(shang)需深(shen)入研究。

隨(sui)著對復合(he)材(cai)料(liao)研究工作(zuo)的(de)不(bu)斷(duan)深入和科(ke)學家們(men)的(de)不(bu)斷(duan)探索，加(jia)之(zhi)輔以持續改進的(de)生產(chan)(chan)和加(jia)工工藝(yi)，使復合(he)材(cai)料(liao)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)普遍性(xing)(xing)、實(shi)用(yong)(yong)(yong)性(xing)(xing)、高(gao)效性(xing)(xing)得到了巨大的(de)提高(gao)，應(ying)用(yong)(yong)(yong)前景(jing)非(fei)常(chang)廣闊。但(dan)是不(bu)可(ke)忽視，現(xian)在(zai)復合(he)材(cai)料(liao)在(zai)生產(chan)(chan)和應(ying)用(yong)(yong)(yong)領域還存在(zai)許多問(wen)題，而(er)這些問(wen)題也在(zai)一(yi)定程度上限制了復合(he)材(cai)料(liao)的(de)發展。因(yin)此，對復合(he)材(cai)料(liao)的(de)研究仍將繼續下(xia)去(qu)。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機(ji)主要分為五(wu)大(da)部件(jian)，分別是進氣(qi)道、壓氣(qi)機(ji)、燃燒室、渦輪(lun)和(he)尾噴管。

1、航(hang)空發動機進氣道主要(yao)的作用是在(zai)各種(zhong)工作狀態下(xia)，能(neng)夠將足(zu)夠量的空氣，以最小的流動損(sun)失，引(yin)入壓(ya)氣機。亞音速(su)進氣道是擴張型(xing)的管道。它由殼體(ti)和整(zheng)流錐組成。

2、壓氣(qi)(qi)機(ji)是航(hang)空(kong)發動(dong)機(ji)的(de)重(zhong)要組(zu)成部分之(zhi)一。它(ta)的(de)主要作用是通過高速(su)旋轉的(de)葉片(pian)對空(kong)氣(qi)(qi)做功，對流(liu)過它(ta)的(de)空(kong)氣(qi)(qi)進行壓縮，提高空(kong)氣(qi)(qi)的(de)壓力，為之(zhi)后在氣(qi)(qi)體在燃燒室中(zhong)的(de)燃燒創造(zao)條件，以(yi)改善發動(dong)機(ji)的(de)經濟性，增(zeng)加發動(dong)機(ji)的(de)推力。

3、燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)是發動機(ji)的(de)(de)重要(yao)部件(jian)之(zhi)一。燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)位于壓(ya)(ya)(ya)氣(qi)機(ji)和渦(wo)輪(lun)之(zhi)間，其主要(yao)作用是高(gao)壓(ya)(ya)(ya)空氣(qi)和燃(ran)(ran)油充分(fen)混合(he)燃(ran)(ran)燒(shao)，將化學能(neng)轉化為熱能(neng)，形成高(gao)溫(wen)高(gao)壓(ya)(ya)(ya)的(de)(de)燃(ran)(ran)氣(qi)。發動機(ji)的(de)(de)可靠性、經(jing)濟性和壽命很大程度由它決定。燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)有三(san)種基本(ben)(ben)構型，分(fen)別是分(fen)管燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)、聯(lian)管燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)和環形燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。無論那種燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，為了滿足基本(ben)(ben)功能(neng)都(dou)采用了減速擴(kuo)壓(ya)(ya)(ya)、分(fen)股進(jin)氣(qi)等技術。燃(ran)(ran)燒(shao)室(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)由進(jin)氣(qi)裝置（擴(kuo)壓(ya)(ya)(ya)器）、火焰筒、噴嘴、點火裝置和殼體(ti)組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)重要部件之(zhi)一。安裝在燃燒(shao)室的(de)后面，它的(de)作用是將高(gao)(gao)(gao)溫(wen)燃氣中(zhong)的(de)熱能和(he)壓(ya)力位(wei)能轉變(bian)為功(gong)，高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)壓(ya)的(de)氣體在渦(wo)輪(lun)(lun)中(zhong)膨脹，推動(dong)渦(wo)輪(lun)(lun)旋(xuan)轉，帶動(dong)風扇和(he)壓(ya)氣機工作。航空(kong)燃氣渦(wo)輪(lun)(lun)的(de)特點(dian)是功(gong)率大、燃氣溫(wen)度高(gao)(gao)(gao)、轉速高(gao)(gao)(gao)、效率高(gao)(gao)(gao)和(he)重量輕。

5、尾(wei)噴管安裝(zhuang)在渦輪(lun)的(de)后部，也是發動(dong)機的(de)重要部件之(zhi)一。主(zhu)要作用是將(jiang)從(cong)渦輪(lun)流出的(de)燃(ran)氣(qi)膨脹加速，將(jiang)燃(ran)氣(qi)部分的(de)焓轉變為動(dong)能，提高燃(ran)氣(qi)速度，使燃(ran)氣(qi)以很大的(de)速度排出，產(chan)生較(jiao)大的(de)推(tui)力。