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鈦合金在燃氣渦輪發動機上的應用

燃氣渦輪發動機起源于1930年,最早是作為航空發動機來研究的,目前在艦船上也廣泛使用。該發動機體積小,重量輕,輸出功率大,不受燃料種類的影響,且排氣干凈、震動小。
  日本川崎重工于1974年開始開發200kW級的備用發電機燃氣輪機,1994年以軸流壓縮機為結構的世界頂級的6 000kW級常備發電機用燃氣輪機投入市場。這些燃氣輪機都使用了鈦材。

  川崎重工生產的1 500kW級M1A—13燃氣輪機,有兩級使用了鈦合金葉輪,額定轉速22 000r/min。一級渦輪盤用Ti-6Al—4V鍛件(最大直徑450mm),二級渦輪盤用高溫鈦合金Ti—6AI-2Sn—4Zr-2Mo鍛件。6000kW級的M7A-01燃氣輪機的轉速14 000r/min。其軸流壓縮機前半段低溫部分的動葉片采用了比強度高、耐蝕性好的Ti-6Al-4V鍛件。
  航空用燃氣輪機要求盡可能輕,故開發了早期使用的Al合金和Mg合金。鈦合金批量生產最早的是50年代普拉特惠特尼公司的J—57噴氣發動機的壓縮機動葉片及渦輪盤。目前,鈦合金制的精密鑄件也被使用,鈦合金的重量在最新式的燃氣輪機中已達到36%。適用部位有發動機前部的大型風扇動葉片、壓縮機的動、靜葉片、壓氣機盤、容納旋轉部件的外殼等。V2500渦輪風扇發動機的鈦合金低壓壓氣機盤(最大直徑900mm),使用了Ti—6Al-4V三次真空熔煉材。
  該盤外圓鑲入的壓氣機動葉片也使用了Ti—6A1-4V。為追求輕量化,還用鈦合金制成了大型中空風扇動葉片,并已實用。V2500采用了Ti-6Al—4V風扇外殼,外殼用鈦材為直徑1700mm、高820mm的圓桶形。高溫鈦合金的開發擴大了零件的適用范圍,典型的高溫鈦合金有Ti—6242Si、IMl829、IMl834及Ti-1100等,這使得燃氣輪機壓氣機的大部分都使用了鈦材。
  鈦合金應用于燃氣輪機,其材料的缺陷必須予以重視。1989年一架DC—10飛機第二發動機的Ti-6A1-4V風扇盤破斷;1994年一架A300飛機起飛時第一發動機的Ti—6A1-4V-2Sn-4Zr-2Mo高壓壓氣機盤破斷。兩起事故都是叫做硬質α相的LDI(低密度氮化物夾雜)引起的疲勞龜裂發展所致。基于這種教訓,便謀求高質量的航空用鈦合金的熔煉技術的改進和無損檢測技術的改進。
  采用傳統的三次真空電弧熔煉(VAR)之外,再進行一次用電子束冷床爐或等離子冷床爐熔煉來去除LDI,這種熔煉技術巳被規定為熔煉方法的技術要求(美國航宇材料標準AMS4280)。
  今后燃氣輪機用鈦材要求高強高溫化。γ-TiAl金屬間化合物是一種耐氧化、剛度和比強度都優秀的輕質耐熱材料。在實用化方面主要是針對鑄件的研究,已有計劃從1997年起將航空燃氣輪機高溫部件的Ni基超合金非重要零件用γ-TiAl來代替。同時燃氣輪機動葉片的評價試驗也在進行中。T-TiAl若實用化,則不僅壓氣機全部,而且渦輪機部分也要使用鈦材。
鈦基復合材料(TMC)中,SiC長纖維強化的TMC的比強度和比剛度都非常優秀,現在正面向實用化進行各種零件的評價。這些TMC實用方面的最大問題是制造成本和無損檢測技術。

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