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钛合金在燃气涡轮发动机上的应用

燃气涡轮发动机起源于1930年,最早是作为航空发动机来研究的,目前在舰船上也广泛使用。该发动机体积小,重量轻,输出功率大,不受燃料种类的影响,且排气干净、震动小。
  日本川崎重工于1974年开始开发200kW级的备用发电机燃气轮机,1994年以轴流压缩机为结构的世界顶级的6 000kW级常备发电机用燃气轮机投入市场。这些燃气轮机都使用了钛材。

  川崎重工生产的1 500kW级M1A—13燃气轮机,有两级使用了钛合金叶轮,额定转速22 000r/min。一级涡轮盘用Ti-6Al—4V锻件(最大直径450mm),二级涡轮盘用高温钛合金Ti—6AI-2Sn—4Zr-2Mo锻件。6000kW级的M7A-01燃气轮机的转速14 000r/min。其轴流压缩机前半段低温部分的动叶片采用了比强度高、耐蚀性好的Ti-6Al-4V锻件。
  航空用燃气轮机要求尽可能轻,故开发了早期使用的Al合金和Mg合金。钛合金批量生产最早的是50年代普拉特惠特尼公司的J—57喷气发动机的压缩机动叶片及涡轮盘。目前,钛合金制的精密铸件也被使用,钛合金的重量在最新式的燃气轮机中已达到36%。适用部位有发动机前部的大型风扇动叶片、压缩机的动、静叶片、压气机盘、容纳旋转部件的外壳等。V2500涡轮风扇发动机的钛合金低压压气机盘(最大直径900mm),使用了Ti—6Al-4V三次真空熔炼材。
  该盘外圆镶入的压气机动叶片也使用了Ti—6A1-4V。为追求轻量化,还用钛合金制成了大型中空风扇动叶片,并已实用。V2500采用了Ti-6Al—4V风扇外壳,外壳用钛材为直径1700mm、高820mm的圆桶形。高温钛合金的开发扩大了零件的适用范围,典型的高温钛合金有Ti—6242Si、IMl829、IMl834及Ti-1100等,这使得燃气轮机压气机的大部分都使用了钛材。
  钛合金应用于燃气轮机,其材料的缺陷必须予以重视。1989年一架DC—10飞机第二发动机的Ti-6A1-4V风扇盘破断;1994年一架A300飞机起飞时第一发动机的Ti—6A1-4V-2Sn-4Zr-2Mo高压压气机盘破断。两起事故都是叫做硬质α相的LDI(低密度氮化物夹杂)引起的疲劳龟裂发展所致。基于这种教训,便谋求高质量的航空用钛合金的熔炼技术的改进和无损检测技术的改进。
  采用传统的三次真空电弧熔炼(VAR)之外,再进行一次用电子束冷床炉或等离子冷床炉熔炼来去除LDI,这种熔炼技术巳被规定为熔炼方法的技术要求(美国航宇材料标准AMS4280)。
  今后燃气轮机用钛材要求高强高温化。γ-TiAl金属间化合物是一种耐氧化、刚度和比强度都优秀的轻质耐热材料。在实用化方面主要是针对铸件的研究,已有计划从1997年起将航空燃气轮机高温部件的Ni基超合金非重要零件用γ-TiAl来代替。同时燃气轮机动叶片的评价试验也在进行中。T-TiAl若实用化,则不仅压气机全部,而且涡轮机部分也要使用钛材。
钛基复合材料(TMC)中,SiC长纤维强化的TMC的比强度和比刚度都非常优秀,现在正面向实用化进行各种零件的评价。这些TMC实用方面的最大问题是制造成本和无损检测技术。

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