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钛在国外航空喷气发动机上应用

日期:2021-11-15 点击数: 返回列表

钛在国外航空喷气发动机上应用

航空工业是用钛的主要领域,而喷气发动机又是用钛主要领域中的重要部分。据美国有关方面的统计,1959年-1973年,美国喷气发动机制造业用钛占全国总消费量的 37%-50%,而小型亚声速喷气发动机的用钛量则占其总质量的 1/3。

在航空发动机中,用钛材制造中等温度构件比钢材具有更高的疲劳强度、屈服程度、蠕变强度、较低的弹性模量,因而能降低疲劳载荷时的应力。钛合金有很高的抗腐蚀性能,能大大舒缓喷气发动机的压缩性能。提高发动机压气机的增压比和涡轮进气口燃气温度,可以提高发动机的总效率,从而提高发动机推力,改善推重比和降低油耗。美国和英国发动机压气机的总压比由上世纪60年代初期的 10-13,增长到70年代的 20-27,并正在逐年上升,总压有望增大到 50。在未采取冷却技术条件下,多用途战斗机涡轮进气口温度早已超过 1650℃。

由于发动机工作条件的严酷和尺寸的加大,轻合金与不锈钢很难胜任,于是用量有所不降,而钛合金和高温合金由于其生产成本的下降,加工性能的不断提高,及采用新的工艺,它的优势更加显现和突出,在发动机中的应用逐年增多。1950年-1980年,美国几种主要航空发动机的用材概况见下表。

美国普拉特-惠特尼(Pratt & Whitney)公司生产的喷气发动机所用的钛材为总质量的 7%-15%,通用电气(GE)公司 J73喷气发动机使用的钛材为 6%,J79发动机转子原来 17 级为不锈钢的,后改 11 级钛合金的,J79-8 发动机用的钛材为 20%,J79-3 发动机用了 4% 钛材。

美国航空发动机用钛始于 1954 年,当时为 B52 轰炸机装备了 4 台钛的发动机 J57,用钛材 7%-15%,进气闸与低压闸用的是工业纯钛,低压压缩机的叶片、盘和盘隔板用的是 Ti-6Al-4V 合金。JT3D 涡轮风扇发动机的用钛量为 15%:低压压气机风扇叶片、叶片隔板和风扇阀用的都是 Ti-6Al-4V,风扇叶片长 406mm,比压气机叶片长 2 倍以上,由于这些构件都用钛合金制成,发动机性能有了较大提高。

JT9D发动机风扇叶片长 711 mm,比压气机叶片几乎长 10 倍。军用 JT3D 改型发动机和 TF33 发动机使用了 2% 钛材。JT9D 涡轮风扇发动机的用钛量占其总质量的 28%,约 1.035t,其 46 块风扇叶片都是用 Ti-6Al-4V 合金制的;低压压气机转子和11级高压压气机中的 9 级都是用 Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金打造的,后一种合金是一种高温合金,工作温度 480℃,用量 450kg,静子叶片采用 Ti-5AI-2.5Sn,改型的 JT9F 发动机用了 4.5t 钛材,钛材成本占发动机的 5%。TF39 风扇发动机用的钛材达 33%,装备于 C5A 军用运输机,重约 3t,压气机盘及叶片以 Ti-6Al-4V 及 Ti-5AI-2.5Sn 打造,压气机毛坯是锻造的,原重 312kg,后改用精锻,降至 126kg,叶片毛重原来为 21.5kg,锻后仅 5.7kg。

GE4 涡轮喷气发动机总重约 5t,使用 10% 钛,前四级空心压气机均用 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金,是一种高蠕变合金,工作温度可达 500℃,比 Ti-6Al-4V 合金的高 100℃。采用钛代替钢制造升力发动机的一些构件,可以提高推重比,例如,日本 JR100 发动机压气机及涡轮原为钢制的,改用钛合金及耐热铝合金制造的 JR200 发动机的推重比由 10 上升到 16。它的第一压气机叶片、前轴、压气机盘、涡车后轴及盘均改用日本的 KS150 合金(Ti-5AI-2Cr-1Fe)制造,压气机的静态叶片用 Ti-6Al-4V 合金代替 Cr12 不锈钢,质量减轻 43%。

在俄罗斯,装备伊尔-62 运输机的 HK8 涡轮风扇发动机约使用了占其质量 40% 的钛合金,装备图-144 超声速运输机的 HK144 涡轮发动机也用了不少钛合金。

英国 RR 公司(Rolls–Royce)的 RB172 型发动机的高压压气机鼓轮是用钛合金 IMI685(Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si)制造的,它有高的抗蠕变性、断裂韧性和优秀的可焊性。

空客 A320 和麦道 MD-90 型民机上用的 V2500 型发动机是双轴涡轮风扇喷气式,质量 2.2t,钛合金结构件占 31%,是英国、美国、德国、意大利和日本共同研发的。高压压气机是RR公司制造的,其 3 级 -6 级用的是有高抗蠕变性能的 IMl550(Ti-4Al-4Mo-2Sn-0.5Si)合金;日本制造的风扇和低压气机主要采用 Ti-6Al-4V 合金。


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