關(guān)于作者
中國科學院金屬研究所
飛機發(fā)動機與高溫合金
材料新視野
2015年08月28日
飛機，這個偉大的發(fā)明，把世界真正的變成了“地球村”。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，時至今日，飛機已經(jīng)成為現(xiàn)代文明不可或缺的交通工具，它深深地影響著人們的生活。
對于飛機而言，發(fā)動機就是它的心臟。1903年，美國萊特兄弟把一臺4缸水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上，這是人類第一次使用飛機征服藍天。在兩次世界大戰(zhàn)之間，由于戰(zhàn)爭的推動作用，發(fā)動機的研制蓬勃發(fā)展，性能提高很快，到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，活塞式發(fā)動機已經(jīng)達到其發(fā)展的頂峰。之后的60年以來，航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術(shù)發(fā)展的推動下，渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、槳扇發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機在不同時期、在不同的飛行領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著各自的作用，使航空器性能跨越了一個又一個新臺階。
現(xiàn)代的民航和戰(zhàn)斗機發(fā)動機主要為燃氣渦輪發(fā)動機。渦輪噴氣式發(fā)動機主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管構(gòu)成。壓縮的空氣在燃燒室中與燃料發(fā)生劇烈地反應(yīng)，迅速產(chǎn)生大量的氣體，氣體從尾噴管高速噴出，反向推動飛機前進，使飛機能夠遨游天際。動機.jpg)
對于飛機而言，發(fā)動機就是它的心臟。1903年，美國萊特兄弟把一臺4缸水平直列式水冷發(fā)動機改裝之后，成功地用到他們的"飛行者一號"飛機上，這是人類第一次使用飛機征服藍天。在兩次世界大戰(zhàn)之間，由于戰(zhàn)爭的推動作用，發(fā)動機的研制蓬勃發(fā)展，性能提高很快，到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，活塞式發(fā)動機已經(jīng)達到其發(fā)展的頂峰。之后的60年以來，航空燃氣渦輪發(fā)動機取代了活塞式發(fā)動機，開創(chuàng)了噴氣時代，居航空動力的主導地位。在技術(shù)發(fā)展的推動下，渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機、槳扇發(fā)動機和渦輪軸發(fā)動機在不同時期、在不同的飛行領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著各自的作用，使航空器性能跨越了一個又一個新臺階。
現(xiàn)代的民航和戰(zhàn)斗機發(fā)動機主要為燃氣渦輪發(fā)動機。渦輪噴氣式發(fā)動機主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管構(gòu)成。壓縮的空氣在燃燒室中與燃料發(fā)生劇烈地反應(yīng)，迅速產(chǎn)生大量的氣體，氣體從尾噴管高速噴出，反向推動飛機前進，使飛機能夠遨游天際。
發(fā)動機的渦輪盤是發(fā)動機里服役環(huán)境最為苛刻的部件，它將承受高溫、高應(yīng)力，溫度梯度等因素的考驗。如此極端的服役條件對于材料的要求非常高，而高溫合金作為一種功能強大的材料應(yīng)運而生。
高溫合金，在英語中被稱為Superalloy，是指能夠在600 以上高溫，承受較大的應(yīng)力，并具有表面穩(wěn)定性的高合金化鐵基、鎳基或鈷基奧氏體金屬材料，它具有優(yōu)異的高溫強度、抗氧化、抗腐蝕、抗疲勞、抗蠕變性能，還有很好的組織穩(wěn)定性。高溫合金是航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機發(fā)展進步的基礎(chǔ)，由此也成為現(xiàn)代國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展不可替代的戰(zhàn)略材料。
發(fā)動機中的渦輪葉片、導向葉片、渦輪盤和燃燒室四大熱端部件都是由高溫合金材料制造而成。隨著航空發(fā)動機推重比和熱效率的日益增長，對高溫材料的性能要求不斷提高，鎳基高溫合金也先后經(jīng)歷了鑄造等軸晶、定向柱晶和單晶等幾個發(fā)展階段。高溫合金發(fā)展的趨勢是進一步提高合金的工作溫度和改善中溫或高溫下承受各種載荷的能力，延長合金壽命。
然而，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，單晶高溫合金的合金化程度已經(jīng)接近了極限，合金本身承溫能力提高的空間也越來越小。為了更大程度的發(fā)掘其潛能，空心葉片的發(fā)明為高溫合金注入了新的生機。我國著名的科學大師，高溫合金領(lǐng)域的開拓者師昌緒先生，領(lǐng)導開發(fā)了中國第一代空心氣冷鑄造鎳基高溫合金渦輪葉片，為我國航空工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的貢獻。
