中国航空发动机涡轮叶片用材料力学性能状况分析

简述了国内外航空发动机涡轮叶片用材料的发展,对中国航空发动机涡轮叶片用材料中的变形高温合金和铸造高温合金的拉伸、持久、疲劳性能进行了比较,分析了目前中国航空发动机涡轮叶片用材料性能数据十分缺乏的现状。     

编者的话

我们非常高兴能在苏联航空材料研究院单晶叶片技术代表团访华之际,将这本增刊特集奉献在读者的面前。 1991年5月28日至6月11日,中国北京航空材料研究所单晶叶片技术代表团访问了苏联航空材料研究院,开展了科研成果交流和技术合作,本刊主编也参加了这次活动。访问期间,中国专家作了铸造高温合金发展,精铸模料、型芯和壳型工艺,定向和单晶叶片技术等专题报告,并参观考察了苏联单晶叶片铸造设备和工艺,铸造基地,陶瓷材     

先进高温合金近净形熔模精密铸造技术进展

介绍近期国内外的高温合金近净形熔模精密铸造技术研究发展状况,重点介绍北京航空材料研究院在航空发动机高温合金涡轮叶片、整体叶盘以及导向器和机匣类结构件的精密铸造技术领域取得的研究成果.论述高温合金精密铸造技术的未来研究重点.     

粉末冶金技术在航空发动机中的应用

概述了粉末冶金技术的优势,简要介绍了镍基高温合金、钛基合金、难熔金属、超高温合金、氧化物弥散强化合金和喷涂合金粉末等几种典型的航空发动机用粉末冶金材料。重点阐述了镍基高温合金粉末钛基合金粉末和喷涂合金粉末的制备关键和研究热点,分析了热等静压、喷射成形、注射成形和快速成形工艺的特点和发展状况。最后指出了粉末冶金技术在航空发动机中的应用潜力和研究方向。     

消息与动态

高温合金泡沫陶瓷过滤器及其过滤工艺通过部级鉴定长期以来,我国航空发动机工厂的精铸高温合金叶片,普遍存在合格率低、报废量大的问题.其中因夹杂缺陷造成的废品占很大比例.以南方动力机械公司一九八三年生产的xx-6发动机四种K3合金涡轮工作叶片为例,仅X光透视检查中发现的废品就达20～30%,而且由于夹杂造成的废品就占整个废品量的70%,废品损失达二十多万元.多年来,为了解决高温合金叶片的夹杂问题,曾采取过很多措施,但收效甚微,均未能从根本上解决问题.一九八三年底,南方动力机械公司与西北工业大学合作对高温合金过滤净化技术进行研究,通过两年多的努力,研制成功了高温泡沫陶瓷过滤器,及     

Ni3Al基IC6高温合金工程应用研究

IC6合金是在"863"计划支持下,由北京航空材料研究院研制成功的一种定向凝固Ni3Al基高温合金.选用该合金试制某新型航空发动机整体定向凝固Ⅱ级导向器叶片.由于该叶片尺寸大、形状复杂,给铸造工艺带来很大难度.经过合理设计浇注系统,实现了定向柱晶从叶身向缘板平滑过渡弯晶生长,有效地消除了叶身和缘板转接处的晶界裂纹,使叶片的毛坯合格率由原来的5%攀升到62%,超过了"863"计划规定的50%的指标.在此基础上,对Ⅱ级导向器叶片的铸造工艺稳定性,真空热处理工艺,叶片表面防护涂层工艺,返回料的应用进行了系统的工程应用研究.该叶片已通过技术鉴定,转入批生产,目前已生产65台叶片,在使用中工作正常,没有出现任何材料质量问题.     

先进材料在战斗机发动机上的应用与研究趋势

美国、英国等国家特别重视战斗机发动机材料的发展,通过制订和实施一系列先进材料研究计划,开发和验证轻质高强度材料,为发动机研制提供技术保障.综述各国现役、在研和预研战斗机发动机的材料应用情况,总结树脂基复合材料、钛基复合材料、钛铝金属间化合物、单晶高温合金、粉末高温合金、陶瓷基复合材料、陶瓷热障涂层等材料及其工艺应用趋势.先进材料研究的发展趋势:①向低密度高强度发展,以减轻质量;②向高强度与高耐温能力发展,以提高涡轮进口温度;③向一体化(材料、工艺与结构设计)发展,以实现材料特性与结构的最优组合.     

高温合金芯撑在熔模精铸空心叶片上的应用

本文结合我公司在研制X发动机第一级整流空心叶片工作中,为防止在型壳的焙烧及合金浇注过程中陶瓷型芯变形、断裂,而采用高温合金芯撑的试验的实践,阐述了采用金属芯撑的目的、作用;金属芯撑的材料、直径、形式的选择;采用金属芯撑的工艺及其质量控制.试验收到了良好的效果,获得了采用高温合金芯撑浇注空心叶片的经验,迈出了我国在熔模精铸空心叶片上应用高温合金芯撑的第一步.     

DZ125定向凝固高温合金的研究

研究了可用作先进航空发动机定向薄壁空心叶片的DZ125合金,该合金具有高的综合性能,其力学性能水平高于国内外广泛应用的同类商用典型定向合金,同时具有良好的定向铸造工艺性能和高的薄壁力学性能.合金已用于铸造某航空发动机的具有复杂内腔的薄壁定向叶片,并已通过台架试车,投入小批量生产.     

吴浩：基础产业要增强“体质”

目前，第三代航空发动机的机匣、盘、轴、叶片等零部件，绝大多数仍是高温合金和钛合金的铸件或锻件。因此，以铸造和锻造工艺为代表的热加工工艺水平对航空发动机性能的重要性不言而喻。围绕国内发动机热加工领域的现状，本刊记者专访了中航重机股份有限公司副总经理吴浩，他的困惑与思考发人深醒。     

金属材料激光表面改性与高性能金属零件激光快速成形技术研究进展

 简要报道本实验室目前在先进航空金属材料激光表面改性及高性能金属零件激光快速成形技术研究与应用的新进展。主要内容包括 :(1 )钛合金耐磨阻燃激光表面合金化与激光熔覆表面改性技术;(2 )刷式密封及指尖密封跑道高温自润滑耐磨涂层新材料及其激光熔覆制备新技术;(3 )难熔金属硅化物复合材料高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及激光熔覆涂层技术;(4 )高性能 /梯度性能钛合金及高温合金结构件激光快速成形技术。     

高负荷跨音速模型涡轮的设计与试验研究

 采用大转角的跨音设计是提高涡轮级负荷的有效途径之一。将原控制环量设计的模型涡轮改设计成跨音级,进行了研究。气动设计采用了作功量沿叶高为抛物线型的分布规律。叶片造型采用了短弦长、低稠度设计,叶背型线曲率为“倒曲率”分布。平面叶栅试验表明其性能良好。级试验表明其性能良好,变工况特性变化平缓。沿叶高测量表明,气流参数与设计值基本吻合。本研究摸索了跨音设计的技术途径,并取得了良好的效果。     

Influence of long-term service life upon characteristics of durability in high temperature alloys

We examine the influence of long-term service life upon mechanical properties, high temperature strength, low-cycle fatigue resistance, and structural state of high temperature nickel-base alloys used in manufacture of aircraft GTE turbine rotor blades and disks.     

复合式气冷涡轮导叶冷却设计与试验

介绍了某型复合式气冷涡轮导叶的冷却设计与试验研究,在较高的温度和压力条件下,进行了真实叶片的冷却效果试验。通过对试验状态的对比计算及试验结果的分析,结果表明:所设计的涡轮复合式气冷导叶在较宽广的冷气流量比范围内,具有良好的冷却特性,计算结果与试验结果吻合较好。      

Stress concentration in compressor blades at their damage by foreign objects

In this paper, the theoretical studies of stress concentrations in the compressor blades of aircraft gas turbine engines damaged due to foreign objects ingestion into the gas-air flow path are presented. The technique of three-dimensional finite-element calculations of the theoretical stress concentration factor in the damage region has been developed. We also examined the influence of geometrical blade parameters and damages (stress concentrators) upon the theoretical concentration factor and suggest using a simple relation for its approximate assessment.     

Concepts of Gas Turbine Engine Improvement Through the Use of Choked-Flow Turbines

The new conceptual design of simple gas turbine engines for different purposes is presented. A choked-flow low-pressure turbine is used that allows reducing the number of stages and gas temperature in the relative motion ahead of blades. Application of such turbines with uncooled blades to reduce the cost of power-limited engines is considered.     

Feature analysis on US military aircraft engine advanced technology programs

US military aircraft engine advanced technology programs were overviewed and analyzed from light weight gas generator (LWGG) program initiated in 1960s through integrated high performance turbine engine technology (IHPTET) program started in 1980s, then to versatile affordable advanced turbine engine (VAATE) program. Some features and trends were summarized and concluded by literature statistics method, such as teams based on closely corporation among government, industries and academics, goals oriented with national defence strategies and weapon system development requirements, engineering manufacture and development including all relative disciplines and areas, verification measured by technology readiness level, the application extending to military aircraft engine, civilian engine, gas turbine and space vehicle, etc. The experience and lessons obtained can provide reference and guide for technology research and engineering manufacture and development of military aircraft engines in the world.     

镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳研究进展

镍基单晶/柱晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点,是目前先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。超高周疲劳（疲劳寿命>10⁸）是涡轮叶片在服役中后期面临的主要问题。对镍基单晶/柱晶高温合金的超高周疲劳进行综述,分析结果表明,单晶/柱晶高温合金在高温下存在反常屈服现象;对比不同频率下的疲劳研究,未发现明显的频率效应;分析断裂机理,发现裂纹主要从内部孔洞等铸造缺陷处萌生。总结了疲劳寿命预测模型,展望了镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳的发展方向。     

精铸过程位移场的数值模拟方法

为了保证精铸件的成形精度,制造所用的模具型腔必须对铸件的收缩变形进行补偿。提出一种精铸过程位移场的数值模拟方法：通过涡轮叶片的精铸实验,测量与分析铸件上特定位置的温度值变化曲线,反向求解了界面换热系数随时间的变化关系,提高了铸件凝固过程中温度场数值计算的精度。通过设置适当的工艺参数和边界条件,基于熔模铸造温度场和应力场,对精铸过程进行耦合计算,得到了较为精确的凝固过程位移场,与实测结果吻合较好,为精铸涡轮叶片模具型腔的优化提供了量化参考依据。     

Concept of monitoring for thermostressed state and service life of aircraft gas turbine engine blades

A concept of monitoring for material properties with residual life estimation of rotor blades for gas turbine engines is proposed. The structure of on-board control and conditionmonitoring system based on the intelligent pyrometer module with the algorithm for calculating the residual life of turbine rotor blades is described.