金属合金在现代航空发动机上的应用

王亮

摘要:航空发动机，被称作航空器的“心脏”。作为动力装置的，航空发动机对技术的需求，也达到了材料领域的巅峰，尤其是对与金属合金的要求极高，要有良好的抗腐蚀性能，同时能够耐高温，而且对于航空器来说质量轻是一个最重要的要求。航空发动机有三个重要的指标即推力、推重比和可靠性。发动机采用金属合金制作，并且构造复杂，对于零件的精度和性能要求极高，由于极高的性能和精度要求令我们必须达到更高的工艺水平和制造技术，同时研究新型的金属合金，最终达到让飞机质轻、高强、可靠的目的。

1. 航空发动机上的金属合金应用

1.1常见航空发动机金属合金材料特性

  随着航空航天事业的快速发展，要求结构材料具有更高的比强度、更高的耐久度，而且能够在恶劣环境下工作。钛合金材料密度小、比强度高，并且能够在高温高压环境下工作。所以钛合金广泛应用于航空产业并在产业占据主导。 

  铝合金是以铝为基，再添加一些其他合金元素的合金。一般这样制造出来的合金，拥有本身元素的特性，也拥有了其他添加的合金元素的综合特性。铝合金的密度一般为2.55～2.92g/cm，同时还具有不错的比强度，与高合金钢相当，在可加工性能优异的同时，其耐腐蚀性能也都较为出色，目前铝合金已经广泛应用于航空产业。

  镁是以镁为基，再添加一些其他的元素合金的合金。镁合金在近代得到了广泛的发展，并在航空航天领域上大放光彩，镁合金一般添加铝、锌、锰等各类合金元素。相比钛合金和钢铁，镁合金的密度更低，大约在（1.74-1.86）g/cm3之间。作为最轻的合金之一的镁合金与铝合金相比，虽然强度比铝合金稍低，比强度却与铝合金相同甚至略高一筹，同时承受冲击载荷能力也十分优秀并强于铝合金。并且镁合金加工难度较低，稳定性及加工精度高，适合大批量生产，且压铸成型性能较为良好。

1.2进气道金属合金材料的应用

  一般我们将发动机分为两个部分，分别为冷端和热端，一般冷端部件为：进气道、压气机等，而进气道便是航空发动机冷端的第一个部分了。进气道分为超音速进气道和亚音速进气道，而且两种进气道的金属合金材料有一定区别。

  我们先讨论亚音速进气道，亚音速进气道一般适用于飞行速度较低的飞机。一般来说，亚音速进气道一般都由整流锥和壳体两部分组成。在气流的入口处有圆形唇口，气体进入进气道后在内部进行扩张。总的来说在亚音速进气道中压力和温度还是比较高的，但还远远比不上超音速进气道的压力与温度。但是亚音速进气道需要接触较大的水汽和较高的温度，压力对比超音速进气道来说较小，所以对于亚音速进气道唇口部分我们需要选择耐腐蚀、耐高

温同时具有一定强度的金属合金，并且对于航空发动机来说需要达到质轻、高强的特点，也就是说我们需要选择比强度高的金属合金材料，所以铝合金就成了发动机亚音速进气道的不二选择，对于进气道唇口部分我们选择了Z114A铝合金。Z114A铝合金是由ZL101A铝合金再添加镁元素而制成的一种铝合金，它可以经过热处理强化，同时拥有良好的铸造性能。Z114A铝合金拥有比ZL101A铝合金更高的比强度，同时拥有和ZL101A铝合金相近的耐腐蚀性和其他工艺性能，可以说没有什么其他合金更能胜任亚音速进气道的唇口部分的合金了。ZL101A铝合金强度不如钛合金但是亚音速进气道的压力比超音速进气道要低得多，ZL101A铝合金完全能够满足亚音速进气道唇口部分的材料需求。

  亚音速发动机进气道的蒙皮会长期暴露再高腐蚀、高压环境下，并且对于航空发动机来说，推重比是十分重要的一项性能，所以我们必须选择能够耐腐蚀且密度较低，同时强度较高的金属合金。所以按照需求，一般亚音速航空发动机进气道的蒙皮使用铝合金，铝合金有着比强度较高同时耐腐蚀耐高温的特点。并且由于气流速度较低所以对于亚音速进气道的蒙皮，所需的强度比超音速进气道蒙皮的要低，所以我们可以选择2000系列高强度铝合金，2000系列的铝合金特点是硬度高，同时添加了铜元素，大约占合金的3％-5％左右，一般2000系列铝合金都是作为航空铝材使用。在这里，我们可以选用2024高强度铝合金。作为高强度硬铝，可以用作飞机的零件个结构件使用，该合金还可以进行热处理强化，由于抗腐蚀性不高，所以还需要通过阳极氧化处理和涂漆方法或表面加包铝层。

1.3压气机金属合金材料的应用

  压气机的功用是提高进气压力，满足发动机工作所需要的高压高温燃气，让燃烧后的能量能够得到更好的利用，从而达到增大发动机推力，增加经济性的要求。对于燃气涡轮发动机来说，压气机是它的重要构件之一，压气机对于发动机的性能及稳定性起着决定性作用。评价压气机的标准是：增压是否可靠，工作的稳定性；是否具有完善的防喘性能，能否可以为飞机各部分进行增压。在航空燃气轮机中，压气机一般有两种分别是离心式和轴流式。目前普遍使用轴流式压气机。

  机匣需要面临航空发动机的高温环境，需要一定的抗蠕变性能和高温强度。因此，我们一般选择钛合金作为机匣的材料。钛合金分类有α 型、近 α 型、β 型、近β 型和 α+β 型钛合金。我们一般不采用β型钛合金作为航空发动机的材料由于β型和近β型钛合金有一个极大的缺点，就是在高温环境下，稳定性和抗蠕变能力差。α型和近α型钛合金在高温环境下稳定性良好，同时有一定的抗蠕变能力，而α+β 型钛合金能够胜任中高温度的环境，并且可加工性能良好。所以，我们一般选用α 型、近 α 型和 α+β 型钛合金作为钛合金材料，TA19钛合金是一种近α型钛合金，可以在500℃的环境下长时间运作，同时强度高于TA11合金，可以选用TA19钛合金作为压气机匣和飞机蒙皮等部件。轴流式压气机的压气机叶片由于工作方式和工作环境的不同，各个部件所用的金属合金材料也不相同。

参考文献

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