航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 三 ) 波音777|汽车

另一种替代加工锻件或加工板材的方法是一种新工艺，称为激光增材制造（laser Additional manufacturing）。在这个过程中，粉末被送入激光束，激光束将粉末熔化并将熔化的金属沉积在平坦的基板上，形成一个直立的肋。该肋不一定是直的，并且可以呈曲线形状，因为工件在激光下移动，并由计算机数控伺服机构引导，其方式与数控机床中的机床相同。这一工艺虽然仍在开发中，但在某些情况下，替代工艺需要去除高达80%的起始重量的情况下，展示了制造净形状的前景。
图21 由激光增材制造的带有深凹的钛合金形状。
关于该工艺还有一些尚未回答的问题，包括粉末的成本和控制孔隙率的能力，但这是一种提高输入材料利用率的有吸引力的方法，特别是对于那些必须通过机械加工产生深槽的设计。图21显示了通过激光添加制造制造的零件示例。
最后，直升机旋翼使用高强度钛合金，使得飞机的总重高于最初的预期。在一个例子中， Westland直升机的旋翼材料从Ti-6-4改为更高强度的Ti-10-2-3β合金，从而使飞机总重从约3860千克增加到5585千克。这通过避免开发全新的系统提供了主要的客户价值。这些转子由三个单独的锻件组成，如图22所示。直升机旋翼的疲劳敏感性极高，因此高强度β合金的可用性是该系统改造的关键因素。
图22 直升机旋翼总成图纸，显示了从Ti-6-4更改为Ti-10-2-3以增加总重的三个零件。
综上所述，随着每一代新产品的出现，相对于铝合金和钢，钛合金在飞机上的使用量（以空重百分比表示）正在增加。例如，最初的波音747-100含有约2.6%的钛，而波音777含有约8.3%的钛。这通常会增加初始飞机成本，从而需要证明对客户价值的相应贡献。因此，使用钛合金的决定必须通过成本和客户价值之间的权衡来确定。减轻重量、降低维护成本和提高可靠性都是客户价值的方面，可用于证明使用钛合金的合理性。
2.2.推进系统的演变和材料的作用
与机身设计方法的演变类似，飞机发动机的设计方法也在演变和改进。这些改进既基于从实地经验中吸取的经验教训，也基于更好的基于计算机的设计工具的可用性。为了充分发挥这些设计的潜力，还需要具有改进性能的材料。就发动机材料而言，驱动材料或加工方法变化的几个离散材料要求是：更高的强度、更好的损伤容限、无材料缺陷以及在某些情况下更高的温度能力。就重量百分比而言，燃气轮机发动机的主要结构材料是钛合金和镍基高温合金。高强度钢用于主轴和轴承，聚合物基碳纤维复合材料也有一些应用。由于篇幅的限制，本文的重点将是钛和镍合金。
用于客机或运输机的现代亚音速飞机发动机由离散的部分或模块组成：风扇、低压压缩机（LPC）、高压压缩机（HPC）、燃烧室、高压涡轮（HPT）和低压涡轮（LPT）。通常，风扇、LPC和大约2/3的HPC由钛合金制成，而HPC的其余部分、所有燃烧室以及HPT和LPT均由镍基合金制成。从钛合金到镍合金的转变取决于这些材料各自的工作温度能力。图23中示出了这种发动机的示例。这些发动机可能非常大；波音777-300LR上发动机的风扇直径>3米，发动机重量>7300千克。
图23 大型商用涡扇发动机显示六个模块。
虽然重量对飞机发动机很重要，但与飞机相比，可用于减轻重量的选项较少，这是因为在使用过程中，主要部件承受的载荷较高，并且工作温度较高。发动机最常见的重量相关优值是推力与重量之比，也称为比推力。因此，通过增加最大工作应力或温度来获得更高的比推力，通常被认为与重量减轻本身一样重要。
特别是在商用发动机中，可靠性和耐久性已成为关键的产品特性。大型商用飞机的趋势倾向于双引擎设计，如波音767、空客310、空客330和波音777 。这就对发动机的高度可靠性提出了要求，因为这些飞机都在长距离的水上航线上运行。美国联邦航空局（US Federal Aviation Agency）和欧洲联合航空管理局（EuropeanJoint Aviation Authority）对此类航线的飞机/发动机组合有明确的认证标准。该额定值称为扩展双引擎操作（ETOPS）。
ETOPS额定值以分钟表示， ETOPS额定值越高，整个飞行的水上部分时间越长。 ETOPS等级越高，飞行路线越直接。这会影响总燃油消耗量和飞行时间，这两者对航空公司都很重要。发动机在飞行中停机会对ETOPS额定值产生负面影响。因此，与飞行中停机相关的材料是不可接受的。这就要求在将新材料引入发动机之前具有高度的置信度。