涡轮盘是航空发动机上一个十分重要的关键零件。涡轮盘工作温度虽然比叶片低,但工作环境异常复杂,且在轮心、轮缘、榫齿、槽底和腹板等各部位所受应力、温度、介质作用程度都不同。因此,对涡轮盘材料性能提出如下典型要求:高的屈服强度;足够的塑性储备;足够的蠕变、持久强度和塑性;高的疲劳强度和低周疲劳性能;良好的耐腐蚀性、组织稳定性与可加工性。一句话,材料的综合性能要好。
航空发动机用的机匣、转子封严环和蜂窝环零件国内外较多地采用低膨胀高温合金制备。低膨胀合金是发动机实现间隙控制技术,减少燃气损失和提高热效率的功能结构材料。
低膨胀高温合金的特点是综合性能好、强度较高、膨胀系数低、弹性模量几乎恒定,在约380℃(居里点)以下至室温,合金热膨胀系数几乎为常量。因此,采用低膨胀高温合金制备的压气机匣在飞机巡航飞行时,有利于间隙的封严,提高压气效率,加大推力。我国研制的低膨胀高温合金主要有GH2907、GH2909、GH4783等。我国新研制的GH4783是一种抗氧化新型低膨胀高温合金,膨胀系数比GH4169合金低20%,密度比GH4169低20%,只有7.789/cm3,工作温度可达750℃。对应的美国牌号的Inconel783合金已被用作F-22战斗机用发动机F119-PW的各种环形件。
我国应用的板材变形合金主要有20多个牌号。它们的共同特点是塑性好,具有中等强度,焊接性能,还有较好的抗氧化和抗腐蚀性能。主要用于制作发动机动力装置的燃烧室、加力燃烧室、飞机机尾罩、导流罩、衬筒和卫星毛细管等。航空发动机燃烧室零件大多采用固溶强化合金制造。近期,发动机生产中为了减轻结构重量,采用时效强化的板材合金来制造燃烧室零件,取得了良好效果。采用时效强化的变形高温合金制造加力燃烧室壳体,可大幅度减轻发动机重量,但其成形和焊接比固溶强化合金要困难。
从20世纪30年代后期起,英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间,为了满足新型航空发动机的需要,高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初,英国在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛,形成γ'相以进行强化,研制成种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期,美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要,开始用Vitallium钴基合金制作叶片。
虽然高温金属合金材料在我国已发展近60年,但行业发展仍处于成长期。由于高温金属合金材料领域具有较高技术含量,该行业企业拥有较深护城河。我国高温金属合金每年需求量在2万吨以上,国内年生产量在1万吨左右,市场容量超过80亿元,其中进口占比较大。未来20年我国各类军机采购需求在2800架左右,民用飞机采购数量在5400架左右,对应的高温合金需求在1500亿以上,再加上500亿的燃气轮机需求,仅高温合金空间一项就有2000亿的市场空间即将打开。