PDF《航空金属结构材料》

1954 年8月18 日南方公司 (331 厂) 仿制成功国内第一台 M-11 活塞式发动机 (配装

320 厂于

1954 年7月25 日试制成功国内第 一架初教五-雅克

18 教练机)以来,至今已能生产包括涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞式等 各种类型航空发动机.在相当长的一段时间内(~30 年)中国航空工业的发动机行业停留在 推重比 5~6 第二代航空发动机的仿(试)制生产阶段,大量采用铝合金、镁合金、合金结 构钢、不锈钢、铁基或镍基高温合金等结构材料.直到上世纪九十年代初研制高推重比涡 扇发动机,高温合金、钛合金用量大幅度增加,定向凝固合金叶片和粉末高温合金涡轮盘 亦开始应用. 图2-

2、图2-3 示出美英发动机用材的发展趋势[2] .表2-3 示出军用发动机性能[4] . ・5・

1960 1970

1980 1990

2000 2200 表2-3 军用航空燃气涡轮发动机性能 [4] 发动机型号 加力推力 (10N) 加力耗油率 (kg/daN.h) 涵道 比 总增 压比 涡轮前 温度 (K) 推重 比 飞机型号 F404-GH-400

7120 1.65 0.340 25.00

1589 7.24 F/A18, 阵风 A, X29A F110-GE-100

12268 2.04 2.870 30.40

1700 7.07 F16C/N,F15E,FS-X F110-GE-129

12899 2.04 0.760 32.00

1728 7.28 F14,F16C/D,F15 F100-PW-200

10590 2.30 0.600 25.00

1672 7.70 F15,F16A/B/C F100-PW-229

12890 2.00 0.400 32.00

1672 7.90 F15A/B/C/D/E,F16C/D M53-P2

9500 2.12 0.360 9.80

1533 6.56 幻影

2000 AЛ-31Ф

12258 2.00 0.600 23.80

1665 8.17 苏27 M88-2

7500 1.80 0.500 24.50

1850 9.00 阵风 D M88-3

8450 1.77 26.00 9.40 阵风 D EJ200

9000 1.70 0.400 26.00

1750 10.00 欧洲战斗机 图2-2 发动机用材的发展趋势(英国 R・R 公司) ・6・ F119-PW-100

13500 0.200 26.50

2050 10.00 F22 需要特别指出的是,只有先进材料而缺乏使先进材料转化为航空零部件的工艺技术手 段,再先进的材料也是没有实用价值的,这也是强调航空器结构设计选材、材料研制和材 料应用研究三者之间必须紧密结合的主要原因. 新型材料总是伴随新工艺、新技术的诞生和互动而成长和完善: 例1,TC4(Ti-6Al-4V)钛合金密度(4.44g/cm3 )大约只有 30CrMnSiA合金结构钢 (7.75g/cm3 )的57%,其比强度σb/ρ(室温时)是钢的 1.5 倍,在350℃时是钢的 1.2 倍, 可谓是轻质高强材料,是飞机、发动机理想的结构材料.上世纪

60 年代,航空材料工作者 希望在WP-6 发动机上以TC4 钛合金替代 30CrMnSiA合金结钢制造压气机盘, 结果由于钛合金 原材料饼坯冶金质量问题和锻造工艺问题等许多基础技术没有掌握好,以钛代钢的良好愿 望没有实现.从

75 开始到

95 期间,国家对钛合金研制和应用研究加大了投入,从 材料、冷热工艺、性能、检测等各个方面安排了科研课题,取得了一系列有实用价值的成 果,使FWP13 发动机TC11 钛合金用量达到整机结构重量的 13%;

实现了TC4 钛合金飞机承力 构件以钛代钢零的突破,在J8Ⅱ飞机上用钛量达到机体结构重量的 2%.在这一期间,有关 钛合金方面的新工艺、新技术的重大科研成果有:以解决原材料(棒材)组织不均匀、影 响无损检测(NDT)不可探的对坯料进行高低温锻造新工艺;

模锻盘的近β锻造工艺(高温 形变强韧化工艺)及β处理工艺;

钛合金盘锤模锻、火药锤和高速锤模锻工艺;

等温锻造 工艺;

建立钛合金高、低倍组织评级标准图谱;

建立钛合金棒、饼坯、盘件超声波探伤方 法标准,等. 例2,航空金属结构材料――原材料,追求成分合格、材质洁净、组织均匀始终是材料 冶金工作者永恒的奋斗目标,更是材料使用工作者坚定不移的技术要求.为使原材料达到 成分合格、材质洁净、组织均匀,在材料的熔炼、加工和后续热处理以及试验检测等方面 发展了一系列的新工艺、新技术、新设备、新方法: 合金结构钢不再使用转炉、平炉冶炼,代之以电弧炉、电渣炉、炉外精炼除气单联或 双联工艺;