涡扇机的扇叶 使用的是镍铬铁合金制造的 还是碳纤维

提起涡扇发动机的扇叶大家都知道,目前制造涡轮叶片的材料一般是镍铬铁合金,但是另一种材料——碳纤维,碳纤维作为一种复合材料强度高且质量小,为什么在对重量极为敏感的航空工业的涡扇机的涵道扇叶仍使用的是传统金属?

涡扇机的扇叶 使用的是镍铬铁合金制造的 还是碳纤维

复合材料轻,强度高,非常适合应用于热负荷不大的发动机冷端部件叶片的制造。就目前最新研制的先进大涵道比民用涡扇发动机来说,复合材料风扇叶片的应用是呈普遍化趋势的。但是综合来说以下几个因素限制了它的应用:

涡扇机的扇叶 使用的是镍铬铁合金制造的 还是碳纤维

1.碳纤维复合材料是各向异性材料,在不同方向上表现的力学性能是不一样的。现代大涵道比涡扇发动机的风扇叶片为了追求气动性能都采用弯扭复合等复杂的叶型设计,同时风扇叶片在工作时需要承受相当大的气动载荷和离心载荷,对于形状不规则的叶片来说其可能的失效形式就更加复杂。对于尺寸相对较大的风扇叶片来说,对碳纤维的编织方法和叶片的制造工艺提出了很高的要求。

2.碳纤维复合材料虽然强度大,但是抗外物打击能力要弱于当前用于制造风扇叶片主要的金属材料,发动机在适航过程中要进行一系列极端条件下的测试,包括发动机吞鸟、吞冰以及包容性测试等,纯复合材料叶片很难扛得住。所以包括GE90、Leap等使用复合材料叶片的发动机都是采用钛合金包边形式的

涡扇机的扇叶 使用的是镍铬铁合金制造的 还是碳纤维

3.碳纤维复合材料产能有限,价格偏高,目前来说普遍情况是这样。

4.还有就是空心钛合金叶片的不断发展。虽然重量上碳纤维复合材料仍然优势明显,但是对于中小风扇尺寸的发动机来说,空心钛合金叶片仍然有很大的吸引力。罗罗早在上世纪60年代就开始研发空心钛合金叶片,但难度极大,性能不稳定,生产工艺达不到要求,前后发展了至少两代,空心钛合金叶片在很长一段时间一直是罗罗的独门绝技,随着SPF/ DB技术的发展,直到上世纪八九十年代,普惠和GE先后研制了各自的空心钛合金叶片。包括罗罗最新推出的Advance和UltraFan,使用了碳/钛合金(CTi)复合材料的风扇叶片和机匣,也代表了先进复合材料的发展趋势,以兼顾碳纤维轻量和金属材料可靠耐用的优点。

涡扇机的扇叶 使用的是镍铬铁合金制造的 还是碳纤维

我国大型客机发动机验证机CJ-1000AX去年底在上海装配成功,该台验证机就使用了航空工业制造院研制的钛合金宽弦空心风扇叶片,对于复合材料技术尚处于落后地位的我国来说发展空心钛合金叶片也不失为极其明智的选择。

但是总的来说,碳纤维复合材料风扇叶片的上述缺点随着技术的发展会被不断克服,复合材料风扇叶片仍然代表了未来先进航空发动机风扇叶片的发展方向,这是不容否认的。


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