本篇文章给大家谈谈《发动机陶瓷叶片起什么作用》对应的知识点，希望对各位有所帮助。

本文目录一览：

• 1、飞机喷气发动机风扇叶片由什么制成？
• 2、国内汽轮机有用陶瓷叶片?
• 3、飞机发动机最难造的叶片，究竟是什么材料做的？
• 4、发动机陶瓷叶片起什么作用
• 5、飞机发动机里的叶片，为什么要设计成松动的？
• 6、钽做氮化硅陶瓷的骨架的复合材料能做航空发动机的叶片吗?

飞机喷气发动机风扇叶片由什么制成？

飞机喷气发动机风扇叶片由什么制成？

在一个典型的涡轮风扇发动机中有3种主要的叶片类型。风扇叶片，压缩机叶片和动力涡轮叶片。这些包括阶段之间的敬业。

风扇叶片通常很大。较小的是空心铝铸件，中等尺寸的风扇叶片通常是钛或特殊铝锻件焊接在一起。大型风扇叶片主要由碳纤维制成，配有钛轮毂和前缘。它们也是空洞的。风扇叶片不需要冷却。

压缩机叶片几乎都是铝制的，不需要冷却。然而，高压叶片可能是钛，因为它们在空气压缩造成的中等高温(约500-600华氏度)下工作。

动力涡轮叶片几乎都是镍合金，而不是钢或钛，它们在1,500至1,700华氏度的燃烧温度下会失去相当大的强度。它们必须冷却，因为即使是单晶镍合金也会融化。叶片铸有微小的内部通道和孔，冷却空气出口和保护金属。空气从高压压缩机部分排出，因为这是唯一有足够压力流过管道的地方。空气很热，华氏500-600度，但仍比废气低约1000度。

我所看到的是，没有人会去关注引擎的大小来驱动材料的选择。让我们以GE 90或类似的大型发动机为例，假设只有旋转部件。

风扇叶片：最先进的风扇叶片是复合材料。一些公司仍然使用空心钛，但复合材料可以显著减轻重量。

LPC:这些几乎都是钛制的，并且是由刀片和磁盘的一块组成的。这被称为Blisk或IBR。铝的强度甚至都比不上它。

HPC:在高压压缩机中，早期阶段是钛，后期阶段是镍基合金。早期的镍合金是低级合金，比如718，后期是发动机制造商拥有的专有合金。这些也是一次锻造而成的。非常昂贵和复杂的锻件。

HPT:高涡轮叶片是发动机中最复杂的叶片。它们是由非常专有的合金制成的单晶铸件。它们内部由hpc空气冷却，并涂上热障涂层。持有这些在同样复杂的磁盘，并有极端的加工公差。

LPT:低涡轮从早期的专利铸件到最后的标准镍铸件。有些在后期阶段开始使用钛铝，但这是罕见的。

未来的动力涡轮叶片将由陶瓷基体制成，可以承受1700华氏度的温度而不会冷却或失去强度。但要达到一个经济的制造速度是今天的一大挑战。

国内汽轮机有用陶瓷叶片?

没有，蒸汽轮机不同于燃气轮机，工作条件远远没有燃气轮机苛刻，陶瓷叶片也缺乏韧性，所以没有必要。

飞机发动机最难造的叶片，究竟是什么材料做的？

叶片是一类典型的自由曲面零件，加工这类零件时都有一个特点：薄，加工时易变形，并且材质通常为不锈钢、蒙乃尔合金、INCONEL、钛和镍为基础的难加工合金材料，更增添了加工的困难度，同时对加工工艺与加工用的刀具提出了更高的要求。

发动机陶瓷叶片起什么作用

发动机中完成对气体的压缩和膨胀，并且以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作的就是这众多的叶片。

叶片是一种特殊的零件，它数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件一直以来各发动机厂的生产的关键，因此对其投入的人力、物力、财力都是比较大的，而且国内外发动机厂家正以最大的努力来提高叶片的性能，生产能力及质量，以满足需要。

叶片的形状设计：

由于在流道中，不同半径上的圆周速度是不同的，那么就导致在不同的半径基元级中，气流的攻角相差极大；在叶尖，由于半径大，圆周速度大，就造成很大的正攻角，结果使得叶型叶背产生严重的气流分离；在叶根，由于半径小，圆周速度小，造成很大的负攻角，结果使得叶型的叶盆产生严重的气流分离。

因此，对于直叶片来说，除了最近中径处的一部分还能工作之外，其余部分都会产生严重的气流分离，也就是说，用直叶片工作的压气机或涡轮，其效率是极其低劣的，甚至会达到根本无法运转的地步。这也就是为什么叶片一定要扭的原因。

飞机发动机里的叶片，为什么要设计成松动的？

众所周知，航空发动机是整个飞机的核心所在，它的性能直接决定着飞机的整体性能，所以航空发动机也被称为“工业皇冠上的明珠”。而在航空燃气涡轮发动机中工作环境最为恶劣、应力最为复杂的就是涡轮叶片了，同时涡轮叶片也是航空发动机在尺寸小、重量轻的需求上获得高性能的关键之处。所以，如果说航空发动机是整个飞机的核心，那涡轮叶片则是整个飞机“核心中的核心”!

歼-20发动机尾喷口

对于航空发动机来说，温度的提升会带来热效率的提升的，相关研究表明，航空发动机涡轮前温度每提示55℃，在其他条件不变的情况下，发动机的推力可以提升10%左右。所以，在高性能航空发动机不断追寻大推力、高推重比的情况下，提升涡前轮温度自然成为了航空发动机大力发展的方向，而涡轮前温度的提升是要以高温下涡轮叶片材料性能(持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳等)的提升为基础的。

大涵道比涡扇发动机剖析图

不过，在航空发动机不断发展的过程中，涡前轮温度(叶片的工作温度)的发展速度是远快于涡轮叶片材料的承载温度的。以现在的技术水平来看，航空发动机中一个“裸”的涡轮叶片的承载温度最多也就是只有1100℃左右，而叶片的工作温度却已经达到了1700℃，两者相差能有如此之大也离不开涡轮叶片各种冷却技术的发展。

发动机涡轮部件结构与剖面图

高温合金的应用迎来涡轮叶片的第一次革命

航空发动机涡轮叶片材料的第一次革命始于高温合金的出现，在上世纪40年代第一块高温合金被研制出来，之后高温合金凭借其优异的高温性能全面代替曾经的高温不锈钢，并在上世纪50年代被应用到了第一代航空燃气涡轮发动机之上，此时高温合金涡轮叶片的使用温度达到了800℃，由于承载温度与工作温度相差不大，所以这那时的涡轮叶片还没有使用冷却技术。

航空发动机叶片

定向合金大幅提升叶片承载温度

到了上世纪60年代，

真空铸造技术的应用可以说就是高温合金发展史上最重大的事件之一，真空铸造大大减少有害于高温合金性能的杂质含量，提升了合金的纯净度，使得叶片的多种特性都得到提升。之后，为了解决合金中的“塑性低谷”问题，定向凝固合金技术也被发明了出来，因为定向凝固使合金的结晶方向平行于叶片的主应力轴方向，基本消除了垂直于应力轴的横向晶界，提高合金叶片的塑性和热疲劳性能。

不同工艺下的涡轮叶片性能对比

此时，采用定向铸造高温合金制造的涡轮叶片承载温度达到了1000℃(约合1273K)，相比于上一代的高温合金有了约200℃的提升，并且在结合简单的叶片气冷却技术之后，第二代航空燃气涡轮发动机的涡轮前温度达到了1300K-1500K，航空发动机性能进一步提升。

第一代单晶合金+气膜冷却技术

在上世纪70年代，合金化理论和热处理工艺得到突破，此时的工艺可以在定向凝固合金的基础上完全消除晶界，单晶合金涡轮叶片制造技术由此诞生，也掀起了涡轮叶片所用材料的第二次革命，使得合金叶片的热强性能有了进一步的提高(约30℃)，涡轮叶片的承载温度达到了1050℃(约合1323K)左右。

不同工艺叶片的微观对比

不过，第三代航空燃气涡轮发动机的要求也使得涡轮叶片的工作温度与承载温度进一步拉大，由此开始涡轮叶片的冷却技术得到重视。通过在叶片上设计冷却通道和冷却孔，然后把压气机里几百摄氏度的“低温气体”引到涡轮叶片内部，再从叶片表面的冷却孔中喷出来就形成一道气膜，拥有隔绝温度较低的涡轮叶片与其所在工作环境中的高温燃气，这也就是气膜冷却技术。

发动机叶片上的冷却孔特写

气膜冷却技术的应用，使得涡轮叶片的工作温度可以远大于叶片材料本身的承载的温度。所以在第一代单晶合金+单通道气膜冷却技术综合应用下，第三代航空发动机的涡轮前温度达到了1680K-1750K，推重比达到8的涡扇发动机开始出现(目前涡扇-10就处于这一代别)。

第二代单晶合金+复合冷却技术

到了上世纪末，第五代战机提出了“超音速巡航”的要求，发动机的推重比和推力需要进一步提升。第二代单晶合金通过增肌铼、钴、钼等元素，使得涡轮叶片合金的微观结构稳定性得到进一步提升，持久强度与抗氧化腐蚀能力达到了一个较好的平衡，使其承载温度再次提高了30℃左右，达到了1100℃(约合1370K)左右的水平。

涡轮叶片所用材料发展之路

此时，通过改善材料性能带来涡轮叶片工作温度的提升已经变得举步维艰，而单通道的气膜冷却技术也开始不够用了，多种冷却技术同时应用(对流、冲击式、气膜结构、发散冷却等)的复合冷却技术被研发了出来。目前通过对涡轮叶片进行复合冷却，可以使得叶片的工作温度(涡轮前温度)相比承载温度高出400K左右，达到1850K-1980K。

叶片冷却技术的发展

第二代单晶合金结合复合冷却技术的涡轮叶片，被应用到了目前主流第四代航空发动机之上(主要代表有F-119、EJ-200发动机)。

第三代单晶合金/陶瓷基复合材料+多通道双层空心壁冷却技术

目前，第六代战斗机研发已经被提上了日程，但有关第五代燃气涡轮发动机的信息还比较少，按照近些年在相关技术方面取得的突破来看，进一步优化合金元素成分而来的第三代单晶合金，和新型陶瓷基复合材料将成为第五代燃气涡轮发动机叶片的首选材料，其中陶瓷基复合材料的提升更为明显(承载温度可达1200℃，重量仅为镍基单晶合金的1/3)，但技术尚不成熟。

各代发动机涡轮叶片发展

而在下一代涡轮叶片冷却技术方面，将进一步增加涡轮叶片内部中的冷却通道，使得叶片的散射更为均匀;采用双层空心壁冷却技术，在涡轮叶片双层夹板增加中空的结构，可以进一步提升冷却效率。由于多通道双层空心壁冷却技术的研究较为复杂，目前国内在这一方面的研究还相对较少。

给涡轮叶片涂涂层

航空发动机涡轮叶片发展的总结与展望

总的来说，航空发动机涡轮叶片材料的制造与优化是一个极其复杂的过程，需要大量试验才能找到最优、或者接近最优的成分配比;而涡轮叶片冷却方案优化则是建立在设计和制造的基础上的，涡轮叶片每一次的冷却技术优化也是对叶片设计、制造的巨大考验。所以，说一个单晶叶片的价格超过同重量的黄金是毫不夸张的。

GE展出的陶瓷基复合材料涡轮叶片

而从航空发动机涡轮叶片的发展历程来看，研发更加耐高温的涡轮叶片是提升发动机性能的关键所在。而经过数十年的发展，单晶合金叶片的潜力似乎已经挖掘殆尽，想要进一步提升航空发动机性能，寻找新的方向已成为发展涡轮叶片不得不面对的选择;航空发动机涡轮叶片冷却技术虽然还有着不小的优化空间，但无疑会进一步增加叶片的加工制造难度。

钽做氮化硅陶瓷的骨架的复合材料能做航空发动机的叶片吗?

氮化硅是一种无机物，化学式为Si3N4。它是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。中国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。

亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和弗里德里希·维勒在1857年首次报道了氮化硅的合成方法。在他们报道的合成方法中，为减少氧气的渗入而把另一个盛有硅的坩埚埋于一个装满碳的坩埚中加热。他们报道了一种他们称之为硅的氮化物的产物，但他们未能弄清它的化学成分。1879年Paul Schuetzenberger通过将硅与衬料（一种可作为坩埚衬里的糊状物，由木炭、煤块或焦炭与粘土混合得到）混合后在高炉中加热得到的产物，并把它报道为成分是Si3N4的化合物。1910年路德维希·魏斯和特奥多尔·恩格尔哈特在纯的氮气下加热硅单质得到了Si3N4。1925年Friederich和Sittig利用碳热还原法在氮气气氛下将二氧化硅和碳加热至1250-1300℃合成氮化硅。

在后来的数十年中直到应用氮化硅的商业用途出现前，氮化硅未受到重视和研究。从1948年至1952年期间，艾奇逊开办在纽约州尼亚加拉大瀑布附近的金刚砂公司为氮化硅的制造和使用注册了几项专利。1958年联合碳化物公司生产的氮化硅被用于制造热电偶管、火箭喷嘴和熔化金属所使用的坩埚。英国对氮化硅的研究工作始于1953年，目的是为了制造燃气涡轮机的高温零件。由此使得键合氮化硅和热压氮化硅得到发展。1971年美国国防部下属的国防高等研究计划署与福特和西屋公司签订一千七百万美元的合同研制两种陶瓷燃气轮机。

虽然氮化硅的特性已经早已广为人知，但在地球自然界中存在的氮化硅（大小约为2×5µm）还是在二十世纪90年代才在陨石中被发现。为纪念质谱研究的先驱阿尔弗雷德·奥托·卡尔·尼尔将自然界中发现的此类氮化硅矿石冠名为“nierite”。不过有证据显示可能在更早之前就在前苏联境内的阿塞拜疆发现过这种存在于陨石中的氮化硅矿石。含有氮化硅矿物的陨石也曾在中国贵州省境内发现过。除存在于地球上的陨石中以外，氮化硅也分布于外层空间的宇宙尘埃中。

关于《发动机陶瓷叶片起什么作用》的介绍到此就结束了。