一、航空發動機的關鍵材料有哪些

（一） 航空發動機上應用的先進金屬材料

1、鋁合金

鋁合金具有比模量與比強度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優點，因此被認為是航空航天工業中用量最起著至關重要的作用。主要應用位置：發動機艙、艙體結構、承載壁板、梁、儀器安裝框架、燃料儲箱等。

2、鈦合金

與鋁、鎂、鋼等金屬材料相比，鈦合金具有比強度很高、抗腐蝕性能良好、抗疲勞性能良好、熱導率和線膨脹系數小等優點，可以在350~450℃以下長期使用，低溫可使用到-196℃。主要應用位置：航空發動機的壓氣機葉片、機匣、發動機艙和隔熱板等。

3、超高強度鋼

超高強度鋼具有很高的抗拉強度和足夠的韌性，并且有良好的焊接性和成形性。主要應用位置：航天發動機殼體、發動機噴管、軸承和傳動齒輪。

如今，航空發動機性能不斷的提高，重量相比過去有了很大的減少，在依靠整體葉盤、整體葉環、空心葉片和對轉渦輪等新穎結構的同時，將會更看重高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的先進材料。傳統的航空發動機材料（鎳合金和鈦合金）雖然仍然可以進一步發展，但它的發展空間已經不大了，很難滿足未來航空發動機更加苛刻的溫度和重量要求。

現在，樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和C/C復合材料因為具有優良的低溫性能，已成為航空發動機風扇和壓氣機等部件的候選材料。

（二）航空發動機上應用的先進復合材料

1、金屬基復合材料

金屬基復合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復合材料。在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹。這類材料具有優良的橫向性能、低消耗和優良的可加工性，已成為在許多應用領域最具商業吸引力的材料，并且在國外已實現商品化。

其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強欽合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

在不久的將來，金屬復合材料將會取代鎳、鈦合金，成為未來航空發動機的主要材料。

2、陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料（CMC）由于其本身耐溫高、密度低的優勢，在航空發動機上的應用呈現出從低溫向高溫、從冷端向熱端部件、從靜子向轉子的發展趨勢。

CMC材料具有耐溫高、密度低、類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、不發生災難性損毀等優異性能，有望取代高溫合金滿足熱端部件在更高溫度環境下的使用，不僅有利于大幅減重，而且還可以節約甚至無須冷氣，從而提高總壓比，實現在高溫合金耐溫基礎上進一步提升工作溫度400～500℃，結構減重50%～70%，成為航空發動機升級換代的關鍵熱結構用材。

3、樹脂基復合材料

先進樹脂基復合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復合材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比，它的密度約為鋼的1/5，鋁合金的1/2，且比強度與比模量遠高于后二者。主要應用位置：航空發動機冷端部件（風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等）和發動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應用。

與常規的鈦合金風扇外涵機匣相比，在保證能夠執行所有功能和承受整臺發動機的靜態與飛行載荷的前提下，樹脂基復合材料制造的外涵機匣能減輕發動機的重量，減少發動機的研制成本。

與鈦合金的靜子葉片相比，樹脂基復合材料靜子葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上。同時，通過優化纖維取向，復合材料靜子葉片的固有頻率可以被修正，以加大其許用機械和氣動設計空間。

4、C/C復合材料

碳/碳復合材料是一種新型高溫材料，具有重量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3，僅為鎳基高溫合金的1/4，陶瓷材料的1/2，尤其是這種材料隨著溫度升高(可達2200℃)其強度不僅不降低，甚至比室溫還高，這是其它材料所無法比擬的獨特的性能。

早在80年代初，美國就開始研制碳/碳渦輪盤和渦輪葉片，以后又先后進行了F100飛機發動機的燃燒室和噴管試驗，JTD試驗機低壓整體渦輪盤及葉片試驗，還進行可1760地面超速試驗。德國、俄羅斯和日本已相繼成功研制渦輪外環和整體渦輪。

目前盡管都認為碳/碳材料是新型高性能航空發動機熱端部件的可選材料，但國內外都還沒有把碳/碳材料真正用于發動機的轉動部件，究其原因，關鍵是以下問題還未得到很好解決：

（1）抗氧化問題，由于航空發動機工作時間長、溫度高，而碳材料在400℃以上就會開始氧化，這是一個尖銳矛盾。

（2）碳/碳材料與傳統金屬材料在性能、結構等方面均不相同，傳統的設計將不適用于碳/碳材料，必須根據該材料的特點進行特殊、全新的結構設計，這方面的研究需要進一步深入。

（3）性能的穩定性、再現性是實用的前提，對于復合材料而言這是一個難點，要求有相應穩定的工藝、增強體質量、基體質量、均勻性等一系列問題，尚需深入研究。

隨著對復合材料研究工作的不斷深入和科學家們的不斷探索，加之輔以持續改進的生產和加工工藝，使復合材料應用的普遍性、實用性、高效性得到了巨大的提高，應用前景非常廣闊。但是不可忽視，現在復合材料在生產和應用領域還存在許多問題，而這些問題也在一定程度上限制了復合材料的發展。因此，對復合材料的研究仍將繼續下去。

二、航空發動機的五大部件是什么

航空發動機主要分為五大部件，分別是進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。

1、航空發動機進氣道主要的作用是在各種工作狀態下，能夠將足夠量的空氣，以最小的流動損失，引入壓氣機。亞音速進氣道是擴張型的管道。它由殼體和整流錐組成。

2、壓氣機是航空發動機的重要組成部分之一。它的主要作用是通過高速旋轉的葉片對空氣做功，對流過它的空氣進行壓縮，提高空氣的壓力，為之后在氣體在燃燒室中的燃燒創造條件，以改善發動機的經濟性，增加發動機的推力。

3、燃燒室是發動機的重要部件之一。燃燒室位于壓氣機和渦輪之間，其主要作用是高壓空氣和燃油充分混合燃燒，將化學能轉化為熱能，形成高溫高壓的燃氣。發動機的可靠性、經濟性和壽命很大程度由它決定。燃燒室有三種基本構型，分別是分管燃燒室、聯管燃燒室和環形燃燒室。無論那種燃燒室，為了滿足基本功能都采用了減速擴壓、分股進氣等技術。燃燒室由進氣裝置（擴壓器）、火焰筒、噴嘴、點火裝置和殼體組成。

4、渦輪是航空發動機的重要部件之一。安裝在燃燒室的后面，它的作用是將高溫燃氣中的熱能和壓力位能轉變為功，高溫高壓的氣體在渦輪中膨脹，推動渦輪旋轉，帶動風扇和壓氣機工作。航空燃氣渦輪的特點是功率大、燃氣溫度高、轉速高、效率高和重量輕。

5、尾噴管安裝在渦輪的后部，也是發動機的重要部件之一。主要作用是將從渦輪流出的燃氣膨脹加速，將燃氣部分的焓轉變為動能，提高燃氣速度，使燃氣以很大的速度排出，產生較大的推力。