航空涡轮喷气发动机涡轮盘材料的现状及发展.pdf

航空涡轮喷气发动机涡轮盘材料 的 现状及发展 郭建亭朱耀宵师昌绪 综合分析近二十年来一些国外航空涡轮喷气发动机的发 展 见表 不难看出其推力 不 断增大 由几百到 几万公斤 翻修寿命不 断延长 由几百到几万小时 涡轮入口温 度不 断 提高 由 到 以上 并向更 高 如 发展 随着这些进展 相 应地 要求 涡轮盘加大尺寸 改进材料的耐热性和长期稳定性 从不 同型号喷气发动机采用的涡轮盘材料来看 见表 有着从马氏体不 锈钢及固 溶强化与温加工强化的奥氏体不锈钢发展到以 中间相沉淀强化的铁基或镍基高温 合 金 的 变 化 涡蝙盘的使用条件及其对材料的要求 祸轮盘是涡轮喷气发动机中最重 要的部件之一 喷气发动机推力的加大 最有效的途径 是提高涡轮人口温度 可是 目前大量使用 的 涡轮叶片材料镍基或钻基高温合金 其使用温 度不 过 左右 远不能适应 涡 轮入口温度进一步提 高 的要 求 为此采用 涡轮叶 片冷 却技 术 是当前解 决需要 和可 能 间矛盾的 主要 途径 叶片冷却时 叶根的冷却效果比叶身 显 著 加上冷却技术也在涡轮盘上 应用 以及采取深根叶片的设计等 所以涡轮盘 的实际温度 在涡 轮入口温度大幅度提高的情况下 并未相应地增加 如 一 的 祸轮人口温度高达 分 而涡轮盘材料仍是只在 以 下使用 的 就是例证 因此 对选 择 涡轮盘材料 应从其实际温度出发考虑 也就是尽管涡轮入口温 度和叶片使用温 度不 断提高 而涡轮盘 的 实际温度一般不超过 按此合理选材 其次 分析涡轮盘在运转中的受力状况 从 涡轮 盘 正常运转条件下 的应力 计算 得知 轮心是受盘带着叶片高速旋转产生的离心应 力和 盘受热 不均匀引起 的热应 力 的合成应 力 而 主要是离心应力 轮缘也是受热 应 力和离心应 力 但二 者 方向相反 并以热应力为主 故 发 动机刚起动时 转速较小 温 差最大 轮缘受力很大 在正常运转达 到转速最大 和温 差稳定 时 轮心受 力最大 是危险截 面 等 较细致 地分 析盘的受 力状况 轮心受 力 比 较简单 随着起动过 程转速的增加 拉应力 不断增大 正常运转状态达 到最 大值 停车时应 力迅速降低 到完全停止时几乎没有残余应 力 但设计强度 如不够 拉应 力也 有可能超过 屈 服强 度 使涡轮盘胀 大变形 轮缘受力 比较复杂 起动状 态 受力最大 如接近或超过屈 服 强度 发生压缩变 形 停车后就 产生残余 应 力 变 形愈大 残余 应 力愈大 每一 开车停车循 环 轮缘 来 一次压缩变形 和拉伸变 形 包 括 弹性变形 和塑性变 形 就构成所谓大应力疲 劳 或称周 期疲劳 大应 力 疲劳 是产 生槽 底裂纹的最主 要原因 有时还会引起涡轮盘 炸 麦 国外航空涡轮喷气发动机的某些参数及其叶片和涡轮盘所用材料 国国国 发 动 机性能能 别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别别 推推推力力 翻修修涡翰入入涡翰盘材料 料 润翰叶片材料 料型 号号用 途途锡赫数 数 发动动 公公公斤斤寿命 命 口温度 度度度度度 机台台 小小小小时 时 数数 美美 一 歹 击机 机 埃埃埃饮 一 英英 坎培拉拉轰炸机机 八一 苏苏 歼击机机机 米格 美美 歼击机机 美美 歼击机机 美美 波音 远程客机机 康康康推尔尔英英 一 重型轰炸机机 苏苏 一 民航机机 一 巾 一 波音 歼击机 机机机 一 米格 美美 一 值察机机 斯斯斯只 英英 一 歼击机机机 三叉戟 戟 民航机 机机机 美美 鸽 鸽 一 远程战略运蝙机 机 美美 铸 铸波香 民航机机 斯斯斯只 一 英英 运推机 机 叼叼 斯斯斯只 一 英英 三叉戟 戟歼 击机机 奥奥奥林普斯 英英 鸽 鸽 一 民航机 机 5 5 5 4 4 4 P P P P P 1 66 6 6 苏苏 10 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 协和号 号 歼击机机 2 2 2 2 2 2 2 1 5 0 00 米格2 3 3 3 3 3 2 8 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 0 0 0 0 1 1 1 9 7 0 0 0 GE 4 4 4 美美 22 9 00 0 02 0 000 0 0 1 09 3 3 3 R ene 95 5 5R ene 50 鸽鸽波音2707 7 7民航机机 2 7 7 74 4 4 R R R R RB 211 1 1 英英 30 400 23 00 0 0 01 24 2 2 2 筷基合金 金M ar一 M 246 6 6 L 一 1 011 1 1 大型中程民航机机 0 8 8 8 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 17 一4 73 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 F F F 10 0 F 401 1 1 美美 11 000 0 0 0 0l 316 6 6 R ene 95 5 5R ene 50 锦锦 F15 歼击机机 2 5 5 5 2 2 2 F F F 1 0 1一G E E E 美美 13 600 0 0 0 0 1 350 0 0 R eoe 95 5 5R ene 1 00 0 0F14B B B 战略轰炸机机 2 2 4 4 4 一一1 0 0 0 0 美美 18 200 0 0 0 0 l 3 6 0 0 0 0 0 R ene 1 2 0 0 0 B 一l l l 运翰机 机 2 5 5 53 3 3 C C C F6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6R ene r 10 0 0 0D C 一1 0 0 0 0 0 0 8 8 8 8 8 注 推力栏中括号内数字是加力状态 裂 成碎 块飞掉 大应 力疲劳 裂纹 是随着发动机开车停车循 环次数 加多而恶化 量 变积累产 生质的飞跃 可能 发生盘的 灾害性破坏 因此 美 国在 1 96 0年就开始用周 期疲劳次 数作为限 制盘的使用条件 1 9 66年进一步规定 除用周期疲劳次数外 还有使用时间 以控制涡轮盘 的寿命 2 波音70了飞机的JT 3D 一3 B 发动机对涡轮盘使用寿命 就 作如下 规定 一 二 三 四级盘的最大寿命和最 大循环次 数分 别为24 000 16 000 16 000 16 000 小时和 8忍 000 20 000 8 000 10 000 次 大应 力疲 劳裂纹主要 由于设 计强度 不够 发动机超 转 材料存在冶金缺陷 抵抗裂纹扩展能力不高 或设计不 当等原因所引起 祸轮盘通过禅头 的禅齿将叶片联成一体 有必要再分析禅头的受力条件和可能 发 生的 故障 禅头的危险截面是桦齿和喉道 有些发动机的涡轮盘禅齿裂纹比较严 重 3 可能 主要 由于各齿受力不均匀 所致 齿的设计应 力并不很高 平均只有1 6 1 8公斤 毫米 2 远 低于 盘材的屈服强度 在运转一定时间后 往往在桦齿工作表面发生明显 的压陷 说明 压 应 力超过材料的屈服强度 又在事故调 查中发现桦齿裂纹多始于第一齿 逐步 发展到第 二 三齿 因第 一齿 不但负担静拉应力 还承受振动 弯 曲应 力 工作条件为最恶劣 周 期 性弯曲应 力使裂纹断口表现为疲劳特征 除了振 动 引起反复弯曲应 力外 可能也 受 大应 力 疲 劳的影响 产生疲劳的 周期 应 力是叶片的离心力所 造成 根据计算叶片齿距和盘齿 距 的 齿距 差如为正值时 第一齿主要受 一 力 为零或负值时 第 一齿不受力 只在禅头变 形 后 才 会受 力 在生产实践中验证了这个问题 为了减少第 一齿 发生裂纹 的 危险 盘齿距采用正 公 差 使齿距差为负值 为了消除禅齿裂纹 除 设计正 确 保证加工精度外 对材料必须提高 抗张塑性和持久塑性 抗张塑性直接影响抵抗大应力疲劳的能力 4 延缓 裂纹的 发 生 材料的持久塑性高 可在大应 力下通过变形使齿在使用过程中自动配合 应 力趋于均 匀 不 发生局部裂 纹以 松弛 外界应 力集中 喉道 桦槽 裂 纹也是常 见的故障 严重的 可以 引起整个桦头 脱落 主要与 材 料的 缺 口敏感性有 关 美国曾对J57发动机所用的 涡轮盘材料A 286和V5 7 进行过分析 5 将带有 缺口的试样在使用温度下 进行 周期持久试验 每周期 加荷 16 0 秒后卸荷2 0 秒 得知如 材料 持 久延伸率 7 时 使用过程中不至 发生桦槽 裂纹 否 则有 出现裂纹 的危 险 一种比较理想 的 涡轮盘材料应该具备什么 归纳 起来 大致是 l 在室 温 到使用温度 范围 65 0 70 0 o C 内具有较高的屈服强度 这是设计涡轮盘最主要的指标 2 有较 高的 抗疲劳能力 特别是大应 力 低周期疲劳性能是决定涡轮盘寿命的关键指标 之一 3 有较高 的断裂韧性 材料不可 能没 有缺陷 设计和制造过程中不可能没有应力集中 使用中也将不 断产生微裂纹 断 裂 韧 性便是衡量这种裂纹不发 展成为脆性断裂的指标 4 有在65 0 7 O0 o C 下较高的持久强度和抗蠕变能 力 有一定 的 5 1 0 持久塑性 在使用温 度和 应 力 范围内不能有缺口敏感性 5 有较好的组织稳定性 在长期使用条件下 保证强度 不 显著 降低 脆性不显著增加 6 有良好的工艺性能 如 冶炼 成型 切削性能 等 了 有较高 的导热系数 低的膨胀系数和高的弹性模量 以保证热应 力减小 和结构稳 定 8 有 较低的 密度 以减小高速旋转下的离心力 9 有一定的抗氧化 抗海 洋大气和含硫燃气腐蚀的 能 力 保证长期使用 1 0 考虑资源 条件 注意成本价格 涡蝙盘合金的成分 组织结构与性能的关系 现代涡 轮盘合金的 强化 涡轮盘用合 金材 料 可分 三大 类 见表2 12C r型马 氏体不锈钢 这类钢除含 1 2 左右 铬外 一 般加 人妮 钒 钨 铂等 元素 以增加 固溶体强度 细化 晶粒 并改善碳化物类型 增强抗蠕变和回火能力 一般1 2C r 钢在 回火过程中 生成细小 表2不同发动 机所用涡 国化学 类型 牌 号 1 I C S S P F C r 3 1如15 G reek A s c oloy 0 16 0 24 0 15 0 2 0 25 0 60 0 50 1 8 2 2 2 4 3 3 0 5012 0 14 0 H460 1 6 H5 3 0 07 1 1 6 10 5 S S AV 0 06 0 1 1 0 60八 15 0 025 0 2 0 819 一 8 1 1 2 余 余余余余苏美英英英 焉民类体 3 H434 16一2 5一6 3H3 9 5 19一g DL G 18 B N 一15 5 S 一5 9 0 0 3 2 0 4 2 0 10 0 12 0 3 0 3 2 0 48 0 10 0 4 0 5 1 1 0 0 5 1 0 5 0 7厂1 0 一 70 0 4 O 5 1 2 2 0 1 2 1 0 0 5 1 0 1 50 1 5 0 035 0 03 11八3 5 2 5 5 2 4 0 2 7 0 9 0 12 0广1 4 0 16 25 1 5 0 1 7 5 12 14 19 85 20 0 19 0 12 门4 20 75 20 0 余余余余余 余 苏美余苏英英美美 沮加 工强 化类 碳化 物强 化 3 H481 1 苏 一 一 l 一 一 7 一 一 一 一 余 7 9 111 5 13 5 l e s J 胜 l s e w e e s 月 月 卫 e e t 口 卫 p口 晓 n o n甘n n 余 余 余余 余 余余余 余 余 余 余余 A 一2 86 Dis e aloy U n itemP 2 1 2 W 5 45 V 5 7 M 3 0 8 M s l 3 3H 69 6 3 H 6 96 M 3H 787 CG 一2 7 I ne o l o y9 0 1 D 97 9 3 H 4 3 7。