航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾

期。在一个例子中，Westland直升机的旋翼材料从Ti-6-4改为更高强度的Ti-10-2-3β合金，从而使飞机总重从约3860千克增加到5585千克。这通过避免开发全新的系统提供了主要的客户价值。这些转子由三个单独的锻件组成，如图22所示。直升机旋翼的疲劳敏感性极高，因此高强度β合金的可用性是该系统改造的关键因素。

图22 直升机旋翼总成图纸，显示了从Ti-6-4更改为Ti-10-2-3以增加总重的三个零件。

 

综上所述，随着每一代新产品的出现，相对于铝合金和钢，钛合金在飞机上的使用量（以空重百分比表示）正在增加。例如，最初的波音747-100含有约2.6%的钛，而波音777含有约8.3%的钛。这通常会增加初始飞机成本，从而需要证明对客户价值的相应贡献。因此，使用钛合金的决定必须通过成本和客户价值之间的权衡来确定。减轻重量、降低维护成本和提高可靠性都是客户价值的方面，可用于证明使用钛合金的合理性。

 

 

与机身设计方法的演变类似，飞机发动机的设计方法也在演变和改进。这些改进既基于从实地经验中吸取的经验教训，也基于更好的基于计算机的设计工具的可用性。为了充分发挥这些设计的潜力，还需要具有改进性能的材料。就发动机材料而言，驱动材料或加工方法变化的几个离散材料要求是：更高的强度、更好的损伤容限、无材料缺陷以及在某些情况下更高的温度能力。就重量百分比而言，燃气轮机发动机的主要结构材料是钛合金和镍基高温合金。高强度钢用于主轴和轴承，聚合物基碳纤维复合材料也有一些应用。由于篇幅的限制，本文的重点将是钛和镍合金。

 

用于客机或运输机的现代亚音速飞机发动机由离散的部分或模块组成：风扇、低压压缩机（LPC）、高压压缩机（HPC）、燃烧室、高压涡轮（HPT）和低压涡轮（LPT）。通常，风扇、LPC和大约2/3的HPC由钛合金制成，而HPC的其余部分、所有燃烧室以及HPT和LPT均由镍基合金制成。从钛合金到镍合金的转变取决于这些材料各自的工作温度能力。图23中示出了这种发动机的示例。这些发动机可能非常大；波音777-300LR上发动机的风扇直径>3米，发动机重量>7300千克。

图23 大型商用涡扇发动机显示六个模块。

 

虽然重量对飞机发动机很重要，但与飞机相比，可用于减轻重量的选项较少，这是因为在使用过程中，主要部件承受的载荷较高，并且工作温度较高。发动机最常见的重量相关优值是推力与重量之比，也称为比推力。因此，通过增加最大工作应力或温度来获得更高的比推力，通常被认为与重量减轻本身一样重要。

 

特别是在商用发动机中，可靠性和耐久性已成为关键的产品特性。大型商用飞机的趋势倾向于双引擎设计，如波音767、空客310、空客330和波音777。这就对发动机的高度可靠性提出了要求，因为这些飞机都在长距离的水上航线上运行。美国联邦航空局（US Federal Aviation Agency）和欧洲联合航空管理局（EuropeanJoint Aviation Authority）对此类航线的飞机/发动机组合有明确的认证标准。该额定值称为扩展双引擎操作（ETOPS）。

 

ETOPS额定值以分钟表示，ETOPS额定值越高，整个飞行的水上部分时间越长。ETOPS等级越高，飞行路线越直接。这会影响总燃油消耗量和飞行时间，这两者对航空公司都很重要。发动机在飞行中停机会对ETOPS额定值产生负面影响。因此，与飞行中停机相关的材料是不可接受的。这就要求在将新材料引入发动机之前具有高度的置信度。

 

耐久性，尤其是涡轮部分的耐久性，决定了必须拆卸发动机进行维护之前发动机保持工作的小时数。在过去30年中，飞机发动机的耐用性有了显著提高，尤其是在商用产品方面。提高耐久性意味着更好地利用飞机，通常降低运营成本，这两者对运营商都很重要。当波音707在20世纪50年代首次投入使用时，发动机通常在运行约500小时后被拆下进行维护。移除的大部分需要与HPT的性能恶化有关。

 

今天，一架波音747级发动机仍在机翼上运行超过20000小时。这种显著的改进部分归功于更坚固的设计，部分归功于更好的材料。当考虑到发动机工作温度显著升高以提高燃油经济性时，更好的材料的影响变得更加明显。最后，发动机材料，尤其是发动机旋转部件中使用的材料，必须无任何熔化或锻造缺陷。从实际的角度来看，设计一台能够容纳爆裂转子的发动机在物理上是不可能的。因此，转子的完整性成为飞行安全的一个严重问题。

 

在过去的20年中，更好的损伤容限加上消除固有材料缺陷和制造缺陷的努力，已导致转子完整性的重大改善。消除材料缺陷的努力代表了从熔化和锻造到无损评估等许多专业的贡献。损伤容限的提高来自于对Ti和Ni合金微观结构-性能关系的进一步理解，其方式与之前对铝合金的描述相同。

 

 

由于钛合金具有优异的比强度、良好的耐损伤性能、高达600°C的温度能力以及成熟的制造工艺能力，因此钛合金是飞机发动机冷却部分的优质材料。特别是在风机中，圆盘上的应力非常高，因此必须使用优质钛合金，以尽量减少材料缺陷的发生。有几种类型的材料；与熔体相关的和锻造过程中产生的。其中，最严重的是熔体相关缺陷，尤其是间隙稳定夹杂物，称为硬α或I型缺陷。这些缺陷本质上是硬脆夹杂物，含氮量高达~10wt%，通常以锡的形式存在。

 

由于夹杂物的脆性和转子中的高工作应力，硬α本质上是一种初始裂纹，从发动机的第一个循环开始扩展。为了最大限度地减少这些缺陷的发生，已经付出了巨大的努力，现在的发生率大约为每生产一百万公斤转子级材料1次。这意味着比35年前减少了5-10倍。

 

钛合金的成本也很高，因此通常会重复使用锻件加工时产生的车削和切屑来制造最终的钛合金部件。这种做法在工业中很常见，也是一种经济必要的做法，可能会意外地将破碎机床中的WC夹杂物加入到最终材料中。这些WC熔体相关缺陷称为高密度夹杂物（HDI）。对车削和切屑的严格管理，包括100%射线照相检查，也将HDI的发病率降低到了相对较低的水平。

 

在对材料缺陷后果的担忧推动下，优质或转子级钛合金的生产方法在过去40年中经历了一系列渐进式的变化。这些变化包括海绵质量、废料处理、VAR电极制备、熔化过程中的热顶实践和熔化速率控制。伴随而来的材料可靠性的提高，使得设计人员能够使用比最初更高的操作应力。在过去5年中，钛合金熔炼实践发生了重大变化。历史上，转子级钛合金通过真空电弧再熔化（VAR）进行熔化，然后再熔化两次，以产生良好、均匀的铸锭。该工艺的产品称为三熔体VAR材料。

 

如今，一种被称为炉膛熔化的工艺正被用于生产喷气发动机的大部分转子级材料。炉缸熔化是在使用水冷铜炉缸和等离子炬或电子束枪作为熔化热源的熔炉中进行的。从炉缸中提取的热量经过精心管理，以确保保留一薄层固体钛合金，并与炉缸直接接触。其将熔化的钛合金和铜炉子分开。因此，被炉缸熔化的钛合金在其处于熔融状态期间仅与钛合金接触。待熔化的材料被送入炉膛的一端，由热源熔化，并流入炉膛另一端的水冷模具。使用车削时，任何WC颗粒下沉并被困在头骨中，不能包含在最终铸锭中。

 

锻造钛合金产品中也观察到其他类型的材料缺陷，无论是坯料还是最终锻件，都包括β斑点、应变诱导孔隙和块状α。其中每一种都有可能降低材料的疲劳寿命，转子级材料中不允许出现这种情况。其中，β斑点是由铸锭凝固过程中的溶质偏析引起的，应变诱发的孔隙是由铸锭转化为钢坯时的不当轧制操作引起的，块状α是最终锻造操作过程中不当再热操作的结果。上述缺陷基本上可以出现在任何常用的α+βTi合金中，尽管β斑点的倾向在含有β共析合金元素（如Cr、Fe或Cu）的合金中更为明显。钢锭凝固和钢坯转化过程的建模有助于确定消除这些缺陷的工艺参数。如果通过建模定义的流程窗口广泛实用，并且仔细遵循，则可以消除这些缺陷。这是提高喷气发动机和其他要求相对较高的应用材料可靠性的一项重要成就。

图24 一张大型商用航空发动机锻造和加工的钛合金风扇盘的照片。

 

喷气发动机转子由锻件或轧制环制成。风扇盘通常为大型单件锻件。最终加工后的风扇盘示例如图24所示。从重量的角度来看，风扇盘使用更高强度的合金是有益的，两种最常见的合金（除Ti-6-4外）是Ti-5Al-2Zr-2Sn-4Cr-4Mo（Ti-17）或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）。风扇盘（在给定强度下）的极限特性为低周疲劳（LCF）和疲劳裂纹扩展。注意加工可以优化这些特殊性能，β锻造现在常用于创建魏氏组织。这种结构