航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 四 ) 波音777|汽车

耐久性，尤其是涡轮部分的耐久性，决定了必须拆卸发动机进行维护之前发动机保持工作的小时数。在过去30年中，飞机发动机的耐用性有了显著提高，尤其是在商用产品方面。提高耐久性意味着更好地利用飞机，通常降低运营成本，这两者对运营商都很重要。当波音707在20世纪50年代首次投入使用时，发动机通常在运行约500小时后被拆下进行维护。移除的大部分需要与HPT的性能恶化有关。
南非航空波音747-400于伦敦希斯洛机场

今天，一架波音747级发动机仍在机翼上运行超过20000小时。这种显著的改进部分归功于更坚固的设计，部分归功于更好的材料。当考虑到发动机工作温度显著升高以提高燃油经济性时，更好的材料的影响变得更加明显。最后，发动机材料，尤其是发动机旋转部件中使用的材料，必须无任何熔化或锻造缺陷。从实际的角度来看，设计一台能够容纳爆裂转子的发动机在物理上是不可能的。因此，转子的完整性成为飞行安全的一个严重问题。
在过去的20年中，更好的损伤容限加上消除固有材料缺陷和制造缺陷的努力，已导致转子完整性的重大改善。消除材料缺陷的努力代表了从熔化和锻造到无损评估等许多专业的贡献。损伤容限的提高来自于对Ti和Ni合金微观结构-性能关系的进一步理解，其方式与之前对铝合金的描述相同。
2.2.1.航空发动机用钛合金的进化改进
由于钛合金具有优异的比强度、良好的耐损伤性能、高达600°C的温度能力以及成熟的制造工艺能力，因此钛合金是飞机发动机冷却部分的优质材料。特别是在风机中，圆盘上的应力非常高，因此必须使用优质钛合金，以尽量减少材料缺陷的发生。有几种类型的材料；与熔体相关的和锻造过程中产生的。其中，最严重的是熔体相关缺陷，尤其是间隙稳定夹杂物，称为硬α或I型缺陷。这些缺陷本质上是硬脆夹杂物，含氮量高达~10wt% ，通常以锡的形式存在。
由于夹杂物的脆性和转子中的高工作应力，硬α本质上是一种初始裂纹，从发动机的第一个循环开始扩展。为了最大限度地减少这些缺陷的发生，已经付出了巨大的努力，现在的发生率大约为每生产一百万公斤转子级材料1次。这意味着比35年前减少了5-10倍。
钛合金的成本也很高，因此通常会重复使用锻件加工时产生的车削和切屑来制造最终的钛合金部件。这种做法在工业中很常见，也是一种经济必要的做法，可能会意外地将破碎机床中的WC夹杂物加入到最终材料中。这些WC熔体相关缺陷称为高密度夹杂物（HDI）。对车削和切屑的严格管理，包括100%射线照相检查，也将HDI的发病率降低到了相对较低的水平。
在对材料缺陷后果的担忧推动下，优质或转子级钛合金的生产方法在过去40年中经历了一系列渐进式的变化。这些变化包括海绵质量、废料处理、VAR电极制备、熔化过程中的热顶实践和熔化速率控制。伴随而来的材料可靠性的提高，使得设计人员能够使用比最初更高的操作应力。在过去5年中，钛合金熔炼实践发生了重大变化。历史上，转子级钛合金通过真空电弧再熔化（VAR）进行熔化，然后再熔化两次，以产生良好、均匀的铸锭。该工艺的产品称为三熔体VAR材料。
如今，一种被称为炉膛熔化的工艺正被用于生产喷气发动机的大部分转子级材料。炉缸熔化是在使用水冷铜炉缸和等离子炬或电子束枪作为熔化热源的熔炉中进行的。从炉缸中提取的热量经过精心管理，以确保保留一薄层固体钛合金，并与炉缸直接接触。其将熔化的钛合金和铜炉子分开。因此，被炉缸熔化的钛合金在其处于熔融状态期间仅与钛合金接触。待熔化的材料被送入炉膛的一端，由热源熔化，并流入炉膛另一端的水冷模具。使用车削时，任何WC颗粒下沉并被困在头骨中，不能包含在最终铸锭中。
锻造钛合金产品中也观察到其他类型的材料缺陷，无论是坯料还是最终锻件，都包括β斑点、应变诱导孔隙和块状α 。其中每一种都有可能降低材料的疲劳寿命，转子级材料中不允许出现这种情况。其中， β斑点是由铸锭凝固过程中的溶质偏析引起的，应变诱发的孔隙是由铸锭转化为钢坯时的不当轧制操作引起的，块状α是最终锻造操作过程中不当再热操作的结果。上述缺陷基本上可以出现在任何常用的α+βTi合金中，尽管β斑点的倾向在含有β共析合金元素（如Cr、Fe或Cu）的合金中更为明显。钢锭凝固和钢坯转化过程的建模有助于确定消除这些缺陷的工艺参数。如果通过建模定义的流程窗口广泛实用，并且仔细遵循，则可以消除这些缺陷。这是提高喷气发动机和其他要求相对较高的应用材料可靠性的一项重要成就。