先进涡轮材料与工艺的发展[转]

ssaweee

目前涡轮部件选用的材料基本还是以镍或钴为基础的高温耐热合金。国外高温高强度低密度材料在过去几年取得了重要进展，金属间化合物、复合材料、碳-碳复合材料、陶瓷和陶瓷基复合材料正在研究之中，并且取得了很多成果。
       涡轮叶片材料的发展经历了从锻造高温合金、多晶铸造高温合金、定向凝固柱晶、单晶和定向共晶高温合金的发展历程，今后将进一步发展金属间化合物、人造纤维增强高温合金以及定向再结晶氧化物弥散强化合金，未来的涡轮材料将采用非金属材料。几十年来，高温合金的工作温度每年提高8K左右，比最初使用的合金工作温度增加了300K。
       定向凝固技术可消除合金晶粒垂直于主应力轴的晶界，减少铸造冶金缺陷，使热强度和热稳定性显著改善，仅材料本身就可使涡轮进口温度提高20-60°C，使叶片具有更高的强度和抗蠕变性能。定向柱晶高温合金、单晶高温技术和定向共晶高温合金和机械合金化高温合金技术的发展进一步提高了叶片的工作温度。
        单晶涡轮叶片是80年代以来航空发动机的重大技术之一。过去15年，相继发展和应用了第一代、第二代和第三代单晶合金。使航空发动机涡轮叶片的耐温能力比定向柱晶高了90°C，目前推重比8一级发动机普遍应用了单晶技术。在通常情况下，常规制造涡轮叶片的合金工作温度为880°C，采用了定向凝固或单晶技术后工作温度可达940°C-980°C，定向凝固共晶制成的涡轮叶片的工作温度为1040°C。第一代单晶比定向凝固合金的使用温度高25-50°C，第二代单晶合金（PWA1484、CMSX-4、Rene￠N4）比第一代单晶合金使用温度又提高28°C。第三代单晶合金（CMSX-10）可使耐温能力再提高28-56°C，达到1100°C，这种材料是未来十年的发动机涡轮叶片候选材料。
       涡轮盘材料也有重大改进，真空熔炼、真空铸造以及粉末冶金技术的应用，能更精确地控制材料和消除有害杂质，材料性能改善大，轮盘强度成倍提高。
目前，推比10一级发动机涡轮采用的是单晶叶片材料和隔热涂层，这几种发动机均采用第三代单晶叶片材料，本身耐热能力已达1320-1370K。采用先进隔热涂层可提供100-150K的隔热效果。
        涡轮部件的制造工艺在过去的几十年经历了模锻、铸造和空心无余量精铸几个阶段。自从JT9D-7R4D发动机一级涡轮叶片采用单晶空心精铸叶片并于1982年投入航线使用以来，到现在已有二十多种发动机采用了空心精铸叶片。现在国外又在探索更高性能水平的单晶对开和扩散连接的叶片和多孔层板叶片制造技术，这种加工技术可使涡轮进口温度进一步提高。为小孔加工发展的铸造冷却技术使得在涡轮叶片上铸造出0.25mm的气膜孔成为可能，单晶精密铸造、真空扩散焊和优良的表面防护及处理等工艺技术的发展保证了涡轮叶片经过设计越来越精细。
         国外在涡轮叶片制造工艺方面也有很大发展，美国普惠公司70年代末到80年代初就已建成用计算机控制的定向凝固精铸叶片自动生产线，F100发动机涡轮叶片的定向凝固精铸工艺就采用了这种方法。
        涡轮材料近期的发展方向是：定向共晶合金、超单晶合金、机械合金化高温合金，远期的是人工纤维增强高温合金、定向再结晶氧化物弥散强化合金以及新的能承受高温度的材料如金属间化合物及复合材料，碳－碳复合材料，陶瓷和陶瓷基复合材料。未来的发动机将大量采用非金属材料。21世纪航空发动机涡轮进口温度要求为2000°C，到那时叶片将采用新型高温结构材料。以Si3N4为代表的高温结构陶瓷是最有前途的材料之一。

hu7215

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Xearo

好贴！麻烦请解惑：人类制造的最高转速的轴承，是如何能够工作在几十万转，如何解决高温差，高应力、重载的环境下的？强度之高，鸟弹轰炸都不解体？
大家应该都看过军事图片，检修工程师站在进气口上的照片比例，叶片＋涡轮轴那可是相当以及特别地重啊。
说说我们周围的轴承：牙医的气动磨牙器最高可以达到30000／分；硬盘7200／分；小电磨也在16000以内。这些都用滚珠轴承。

ssaweee

回复【2楼】whtom  总是被人骗
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这篇文章是转的。

不过好像航空涡轮发动机轴承一般只用到7000来转。通过google，说国外航空主轴寿命一般只高于1000小时.

skf有的航空轴承是氮化硅的。

http://wenku.baidu.com/view/47400763ddccda38376baf63.html

几十万转我记得是空气轴承。

Xearo

陶瓷轴承也可以，我记得有德国的广告，能耐300度高温，可那是轻载精密的。7000转？我表示无法相信，玩具涡喷都是十几万转，德国轴承就是干这事的。
记得有本书上看到过：涡发用箔片油膜轴承，类似多个对称电刷支撑的直流电机换向器的样子，没看过实物图，也想不出这样的结构有多高的支承强度…

majesty

轴流压气机用的涡轮转子这辈子还没见过真的。。印象中都是米级别上的怪兽。。自己车上倒有个小的，最多也就900度几万转。。

涡轮要保持寿命无非是润滑和冷却手段，否则这么高转速随时完蛋。。各使用场合的轴承来说原理也都不太一样，各有各的用意，硬盘的液态轴承如果放大了扔车上也没法正常使用。硬盘里也不会需要车上那套水冷或油冷的复杂结构。因地制宜，即便都是涡轮，都是轴承。是轴承，就会有磨坏的一天，只是价格决定了天数。