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(ju)有(you)比(bi)(bi)模量與比(bi)(bi)強度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成(cheng)本(ben)低廉等(deng)突出優(you)點，因(yin)此(ci)被認(ren)為(wei)是航(hang)空(kong)航(hang)天工業中用(yong)量最(zui)起(qi)著至關重要(yao)的作用(yong)。主(zhu)要(yao)應用(yong)位置：發動機(ji)艙、艙體結構、承載壁板、梁、儀器(qi)安裝框架、燃(ran)料儲箱等(deng)。

2、鈦合金

與鋁(lv)、鎂、鋼(gang)等金屬材料相比(bi)，鈦合金具有比(bi)強度很(hen)高(gao)、抗(kang)腐蝕性能良好(hao)、抗(kang)疲勞(lao)性能良好(hao)、熱導(dao)率和線(xian)膨脹系數(shu)小等優點，可(ke)以(yi)(yi)在350~450℃以(yi)(yi)下長期使用，低溫可(ke)使用到-196℃。主(zhu)要應用位置(zhi)：航空發動機的壓氣(qi)機葉(xie)片、機匣、發動機艙和隔熱板等。

3、超高強度鋼

超高(gao)強(qiang)度鋼(gang)具(ju)有(you)很高(gao)的(de)(de)抗拉強(qiang)度和(he)足(zu)夠的(de)(de)韌性，并且有(you)良好的(de)(de)焊接性和(he)成形性。主要應用位(wei)置：航天發動(dong)(dong)機殼體、發動(dong)(dong)機噴管、軸(zhou)承和(he)傳動(dong)(dong)齒(chi)輪。

如今，航空發動機(ji)性能(neng)不斷(duan)的(de)提高(gao)，重(zhong)量(liang)相(xiang)比過(guo)去(qu)有了(le)很大(da)的(de)減少，在依靠整體(ti)葉盤、整體(ti)葉環、空心葉片和對轉渦(wo)輪等新穎結構(gou)的(de)同時，將會更看重(zhong)高(gao)比強(qiang)(qiang)度(du)、低密(mi)度(du)、高(gao)剛度(du)和耐高(gao)溫能(neng)力強(qiang)(qiang)的(de)先進材(cai)料(liao)。傳(chuan)統的(de)航空發動機(ji)材(cai)料(liao)（鎳合金(jin)和鈦合金(jin)）雖然仍然可以進一步(bu)發展(zhan)，但它的(de)發展(zhan)空間已經(jing)不大(da)了(le)，很難(nan)滿足未來航空發動機(ji)更加苛(ke)刻的(de)溫度(du)和重(zhong)量(liang)要求(qiu)。

現在，樹脂基(ji)復(fu)(fu)合材料(liao)、金屬(shu)基(ji)復(fu)(fu)合材料(liao)、陶瓷基(ji)復(fu)(fu)合材料(liao)和(he)C/C復(fu)(fu)合材料(liao)因為具有(you)優良的低(di)溫性能，已成為航空發動機風扇和(he)壓(ya)氣機等部件的候選材料(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(jin)屬(shu)基(ji)復(fu)合材料(liao)主(zhu)要是指以(yi)Al、Mg等輕金(jin)屬(shu)為基(ji)體的(de)復(fu)合材料(liao)。在(zai)航(hang)空和宇(yu)航(hang)方(fang)面主(zhu)要用它來代替輕但有毒的(de)鈹。這類(lei)材料(liao)具有優良的(de)橫向性能、低消耗和優良的(de)可加工性，已成為在(zai)許多應用領域最具商(shang)(shang)業吸引力的(de)材料(liao)，并且(qie)在(zai)國(guo)外(wai)已實(shi)現商(shang)(shang)品化(hua)。

其中以(yi)鋁(lv)鏗合(he)(he)金(jin)、欽(qin)及鐵合(he)(he)金(jin)為基(ji)的復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)是目前主要選擇對(dui)象。如以(yi)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)纖維(wei)增(zeng)強欽(qin)合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)可(ke)用(yong)來制造壓氣(qi)機葉片(pian)。碳(tan)纖維(wei)或氧化(hua)(hua)鋁(lv)纖維(wei)增(zeng)強鎂或鎂合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)可(ke)用(yong)來制造渦輪風(feng)扇葉片(pian)。又如鎳鉻(ge)鋁(lv)銥纖維(wei)增(zeng)強鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)基(ji)體復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)可(ke)用(yong)來制造渦輪及壓氣(qi)機用(yong)的密封元件。

在不久的將來(lai)，金(jin)屬(shu)復合材料將會取(qu)代鎳(nie)、鈦合金(jin)，成(cheng)為未來(lai)航(hang)空發動機的主要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料（CMC）由于其本身耐溫(wen)高、密度低的優勢，在航空(kong)發動機上(shang)的應用呈現出從低溫(wen)向(xiang)高溫(wen)、從冷端向(xiang)熱端部件、從靜子向(xiang)轉子的發展(zhan)趨勢。

CMC材料具有(you)耐溫高(gao)、密度(du)低、類似(si)金屬的斷裂(lie)(lie)行(xing)為(wei)、對裂(lie)(lie)紋不敏感、不發生災難(nan)性損毀等優異(yi)性能，有(you)望取代高(gao)溫合金滿足熱端部件(jian)在更高(gao)溫度(du)環境下的使用，不僅有(you)利于大(da)幅減重(zhong)，而且還可以節約甚至無須冷(leng)氣，從而提高(gao)總壓比，實現在高(gao)溫合金耐溫基礎上進一步(bu)提升(sheng)工作溫度(du)400～500℃，結(jie)構(gou)減重(zhong)50%～70%，成為(wei)航空發動機升(sheng)級換(huan)代的關鍵(jian)熱結(jie)構(gou)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(zhu)要應用位置：航空發(fa)動機(ji)冷端部件(jian)（風扇機(ji)匣、壓氣機(ji)葉(xie)片、進氣機(ji)匣等）和(he)發(fa)動機(ji)短艙、反推力裝置等部件(jian)上(shang)得到(dao)廣泛(fan)應用。

與常(chang)規的(de)(de)鈦合金風(feng)扇(shan)外涵機匣(xia)相比，在保證能夠執行所有功能和承受整臺發(fa)動機的(de)(de)靜態與飛行載荷的(de)(de)前提下，樹脂基(ji)復合材料制(zhi)(zhi)造的(de)(de)外涵機匣(xia)能減輕發(fa)動機的(de)(de)重量，減少發(fa)動機的(de)(de)研制(zhi)(zhi)成本。

與(yu)鈦合金的(de)靜子(zi)葉片(pian)相(xiang)比，樹脂(zhi)基復合材料(liao)靜子(zi)葉片(pian)能減輕重量50%，降低成(cheng)本50%以(yi)上。同時，通過(guo)優化纖維(wei)取向，復合材料(liao)靜子(zi)葉片(pian)的(de)固有頻率可(ke)以(yi)被(bei)修正，以(yi)加大其許(xu)用機械和氣動設計空(kong)間(jian)。

4、C/C復合材料

碳/碳復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)是一(yi)種(zhong)新型(xing)高溫(wen)(wen)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，具有重量(liang)輕、模量(liang)高、比強度(du)大(da)、熱(re)膨(peng)脹系(xi)數低、耐高溫(wen)(wen)、耐熱(re)沖擊、耐腐蝕、吸(xi)振性(xing)(xing)好等(deng)一(yi)系(xi)列優異(yi)性(xing)(xing)能。該材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)密度(du)不到2.0g/cm3，僅為(wei)鎳基(ji)高溫(wen)(wen)合(he)金的(de)(de)1/4，陶瓷材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)1/2，尤其是這(zhe)種(zhong)材(cai)(cai)料(liao)(liao)隨著溫(wen)(wen)度(du)升高(可達2200℃)其強度(du)不僅不降低，甚至比室溫(wen)(wen)還(huan)高，這(zhe)是其它材(cai)(cai)料(liao)(liao)所無法比擬的(de)(de)獨特的(de)(de)性(xing)(xing)能。

早在80年代初，美國(guo)就開始研制碳/碳渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪盤和渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪葉(xie)片(pian)，以后又先后進行(xing)了F100飛機發動(dong)機的燃燒室和噴(pen)管試(shi)驗，JTD試(shi)驗機低壓整(zheng)體渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪盤及葉(xie)片(pian)試(shi)驗，還(huan)進行(xing)可(ke)1760地(di)面超(chao)速試(shi)驗。德國(guo)、俄羅斯和日本已相繼(ji)成功研制渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪外環和整(zheng)體渦(wo)(wo)(wo)(wo)輪。

目前盡(jin)管都(dou)(dou)認(ren)為碳(tan)/碳(tan)材(cai)(cai)料是新型高(gao)性能(neng)航空(kong)發動(dong)機(ji)熱端(duan)部(bu)件(jian)(jian)的可選材(cai)(cai)料，但國內外都(dou)(dou)還(huan)沒有把碳(tan)/碳(tan)材(cai)(cai)料真正用于發動(dong)機(ji)的轉動(dong)部(bu)件(jian)(jian)，究其原因(yin)，關鍵是以下問題還(huan)未(wei)得到很(hen)好(hao)解決：

（1）抗氧化問題，由于航空發動機工(gong)作時間(jian)長、溫度高，而碳材(cai)料在400℃以(yi)上就(jiu)會開始氧化，這是一個尖銳矛盾。

（2）碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料(liao)與傳(chuan)統金屬材料(liao)在性能、結構等方面均(jun)不相同，傳(chuan)統的(de)設計將(jiang)不適用于碳(tan)(tan)/碳(tan)(tan)材料(liao)，必須根(gen)據該材料(liao)的(de)特點進行特殊、全新(xin)的(de)結構設計，這方面的(de)研究需要進一步深入。

（3）性能(neng)的穩定(ding)性、再現性是實用的前(qian)提，對于復合材料(liao)而言這是一個難(nan)點，要求(qiu)有相應(ying)穩定(ding)的工藝、增強體(ti)質(zhi)量、基體(ti)質(zhi)量、均勻性等一系列問(wen)題，尚需深(shen)入研究。

隨著對復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)研(yan)(yan)究工作的(de)不斷深入和科學家們(men)的(de)不斷探索，加之輔(fu)以持續改進的(de)生(sheng)產(chan)和加工工藝，使復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)應(ying)(ying)用的(de)普(pu)遍(bian)性(xing)、實用性(xing)、高(gao)效(xiao)性(xing)得到了巨大的(de)提(ti)高(gao)，應(ying)(ying)用前景非(fei)常廣闊。但是(shi)不可忽視(shi)，現在(zai)復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)在(zai)生(sheng)產(chan)和應(ying)(ying)用領(ling)域還存在(zai)許多問題，而這些問題也在(zai)一定(ding)程(cheng)度上限制了復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)發展。因此，對復(fu)合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)研(yan)(yan)究仍(reng)將繼續下(xia)去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機(ji)主要分(fen)為五大部件，分(fen)別(bie)是進氣道(dao)、壓氣機(ji)、燃燒室、渦(wo)輪和尾噴管(guan)。

1、航(hang)空發動機(ji)進氣(qi)道主(zhu)要的作用是在(zai)各種工作狀態下，能夠(gou)將足(zu)夠(gou)量的空氣(qi)，以最小的流動損失(shi)，引入壓氣(qi)機(ji)。亞音(yin)速進氣(qi)道是擴張型的管道。它由(you)殼體和整流錐組成。

2、壓(ya)氣機(ji)是航(hang)空(kong)發動機(ji)的(de)重要組成(cheng)部分之一。它(ta)的(de)主要作用是通過(guo)(guo)高速旋轉的(de)葉片對空(kong)氣做功，對流過(guo)(guo)它(ta)的(de)空(kong)氣進行壓(ya)縮，提高空(kong)氣的(de)壓(ya)力，為之后在氣體在燃燒室中的(de)燃燒創造條件，以改(gai)善發動機(ji)的(de)經(jing)濟性，增加發動機(ji)的(de)推力。

3、燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室是發動(dong)機(ji)的重(zhong)要(yao)部件之一。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室位(wei)于壓(ya)氣機(ji)和(he)(he)渦輪之間(jian)，其主要(yao)作用是高壓(ya)空氣和(he)(he)燃(ran)(ran)(ran)油充分(fen)混合燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)，將化學能(neng)(neng)轉化為熱能(neng)(neng)，形(xing)成高溫高壓(ya)的燃(ran)(ran)(ran)氣。發動(dong)機(ji)的可靠性(xing)、經濟性(xing)和(he)(he)壽(shou)命很大程度由它決定。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室有三種基本構型，分(fen)別(bie)是分(fen)管燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室、聯管燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室和(he)(he)環形(xing)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室。無(wu)論那種燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室，為了滿(man)足基本功能(neng)(neng)都(dou)采(cai)用了減(jian)速擴(kuo)壓(ya)、分(fen)股進氣等技術(shu)。燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)室由進氣裝(zhuang)置（擴(kuo)壓(ya)器(qi)）、火(huo)焰(yan)筒、噴嘴、點火(huo)裝(zhuang)置和(he)(he)殼體組成。

4、渦輪是航空發動機的(de)重要部件之一。安裝在燃(ran)(ran)燒室的(de)后面，它的(de)作(zuo)用(yong)是將高(gao)溫燃(ran)(ran)氣(qi)中的(de)熱能和(he)壓力(li)位能轉(zhuan)變為功，高(gao)溫高(gao)壓的(de)氣(qi)體在渦輪中膨脹，推動(dong)渦輪旋(xuan)轉(zhuan)，帶(dai)動(dong)風扇和(he)壓氣(qi)機工作(zuo)。航空燃(ran)(ran)氣(qi)渦輪的(de)特(te)點是功率大、燃(ran)(ran)氣(qi)溫度高(gao)、轉(zhuan)速高(gao)、效率高(gao)和(he)重量輕。

5、尾噴管(guan)安(an)裝在(zai)渦(wo)輪(lun)的(de)(de)后部(bu)，也是發動(dong)機的(de)(de)重要部(bu)件之一。主要作用是將從渦(wo)輪(lun)流出(chu)(chu)的(de)(de)燃氣(qi)膨脹加速，將燃氣(qi)部(bu)分(fen)的(de)(de)焓轉變為動(dong)能，提高燃氣(qi)速度(du)，使燃氣(qi)以很大的(de)(de)速度(du)排出(chu)(chu)，產(chan)生(sheng)較大的(de)(de)推力。