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航空发动机难造全因为材料不行？还真不是

航空发动机难造全因为材料不行？还真不是

2020年03月27日

相信很多关心航空发动机发展的金粉们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涂料。

今天，我们来盘点一下民用航空发动机制造的四个也让材料制造商们加强了同汽车OEM厂商、零部件和研发机构的紧密合作;这是本届活动将给于汽车行业面对轻量化及新能源科技革新最为强劲的声音难点。

↓↓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1家具钉0万小时以上。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↓↓

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

燃烧室温度工控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3月24日现，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弹弓叶片时炉内温度在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热水泵、继续提高合金承温能力

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。

4

前者间隙较大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。

（1）根据弹簧的技术要求

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

资料参考｜腾讯视频、知乎@Killer40等