航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 五 ) 波音777|汽车

图24 一张大型商用航空发动机锻造和加工的钛合金风扇盘的照片。
喷气发动机转子由锻件或轧制环制成。风扇盘通常为大型单件锻件。最终加工后的风扇盘示例如图24所示。从重量的角度来看，风扇盘使用更高强度的合金是有益的，两种最常见的合金（除Ti-6-4外）是Ti-5Al-2Zr-2Sn-4Cr-4Mo（Ti-17）或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）。风扇盘（在给定强度下）的极限特性为低周疲劳（LCF）和疲劳裂纹扩展。注意加工可以优化这些特殊性能， β锻造现在常用于创建魏氏组织。这种结构减少了裂纹扩展，而不会对LCF寿命造成不可接受的损失。
图25 锻造、惯性焊接和最终加工后的钛合金七级HPC滑阀照片。
相比之下，压缩机转子（也称为滑阀）是一个多级部件，通常由多个锻件或轧制环制成，并在加工前连接在一起。压缩机滑阀可将多达7个压缩机级合并到单个部件中，如图25所示。压缩机阀芯在前5级中通常为Ti-6-4 ，后2级为更高蠕变强度的合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo+Si（Ti-6-2-4-2S）。滑阀的前两级为LCF限制级，最后两级为蠕变限制级。此处， Ti-6-4级为α+β锻造， Ti-6-2-4-2S级为β锻造，并且通过惯性（摩擦）焊接连接。阀芯结构的优点是各阶段之间没有螺栓接头，从而降低了螺栓孔处疲劳裂纹萌生的风险。高压压缩机转子的最后一级由镍基合金制成，因为工作温度超过了钛合金的能力。镍基合金在喷气发动机中的应用将在后面的章节中讨论。
除高应力转子外，风扇叶片和至少6–8级（取决于特定发动机）压缩机空气箔通常也由钛合金制成。这些部件的寿命通常受到高周疲劳（HCF）的限制，尽管抵抗异物的冲击损伤也很重要。钛合金的HCF强度通常与屈服应力成正比，因此原则上使用比Ti-6-4更高强度的合金是有吸引力的。在实践中，使用高强度合金制造净形状空气箔的难度要大得多，使用高强度合金的决定代表了最终基于客户价值的经济权衡。因此，目前商用发动机中使用的大多数风扇和压缩机空气箔均由Ti-6-4制成。
有些例外情况是由严重的疲劳敏感性或气动弹性激励引起的。在前一种情况下，使用高强度合金Ti-4Al-4Mo-2Sn（称为IMI-550），在后一种情况下，使用高模量合金Ti-8Al-1Mo-1V（Ti-8-1-1）。增加Al含量会提高α+βTi合金的杨氏模量，从而改变铝箔的固有共振频率。波音777最新一代超大型发动机（见图23）的风扇如此之大，以至于重量成为一个问题。因此，这些风扇叶片要么是通过超塑成型和扩散连接制成的空心钛合金零件，要么是由固体聚合物基碳纤维复合材料制成的。这两种解决方案都是对设计要求的昂贵响应，但却是制造超大直径涡扇发动机的唯一可用方法。
图26 两个铸造钛合金发动机机架的照片显示了通过铸造工艺可以实现的细节。
钛合金也用于喷气发动机的静态部件。包括框架、外壳、歧管、导管和管道。目前最大的用途是铸造框架，因为它们可以以近净形状生产，并且可以替代由几十个单独零件组成的装配组件。尽管铸件相对昂贵，但与制造零件相比，它们显著降低了成本。典型的铸造钛合金前车架如图26所示。正如在机身案例中所讨论的，这些铸件经过HIPd处理以消除任何气孔。在许多情况下，发动机支架是这些框架的一个组成部分，因此具有可再现的特性值对于确保设计的完整性非常重要。
2.2.2.新型推进系统用改进钛合金
与铝合金相比，在开发和商业化新钛合金方面投入的精力较少，在将新合金引入飞机发动机方面几乎没有成功。这有几个原因。首先，与铝合金相比，钛合金的使用量较小，因此非晶化开发成本更高。其次，由于转子故障的固有风险，新转子合金的鉴定成本非常高。这种成本-风险组合成为引入新合金不可避免的障碍。第三，应用要求通常排除了从改善单一财产中获得的任何利益。这种情况的一个可能例外是，可获得具有显著更高温度性能的合金。这种合金可以取代压缩机后部的一个或多个镍合金级，具有显著的重量优势。
英国已开发出一种相对较新的合金Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.7Nb-0.35Si-0.06C（IMI 834），具有50℃的升温能力。这种合金在技术上很有吸引力，但全世界只有一家IMI834生产商，这使得它在商业上没有吸引力。因此，尽管它具有诱人的特性，但并未被广泛采用。
除了传统的α+βTi合金外，人们还致力于开发用于高温应用的Ti基金属间化合物。这些化合物基于Ti3Al、Ti2AlNb和TiAl相。虽然每种材料都有可能在更高的温度下使用，但目前仍存在与低延展性、环境敏感性和成本相关的问题，阻碍了它们的应用。这种情况类似于前面描述的革命性铝合金技术。有理由相信，当对高温、低密度合金的需求足够大时， TiAl基材料的应用将受到限制。市场吸引力和客户价值将是这里的决定因素，而不是材料技术。