[科普中国]-航空发动机材料

发展历程

航空发动机材料是制造航空发动机气缸、活塞、压气机、燃烧室、涡轮、轴和尾喷管等主要部件所用的结构材料。航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造；后期为适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要，钛合金、高温合金和复合材料相继得到应用。在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。1

涡轮叶片材料发展20世纪40年代，喷气式发动机原理早已提出，但没有合适的高温材料用于制造涡轮，发展迟缓。

五六十年代，英国的White公司开发出了镍基高温合金。此外，真空熔炼方法制造高温合金纯度得到提高，性能更好。航空发动机涡轮叶片采用变形高温合金和铸造高温合金。

70年代，随着航空发动机不断追求高推重比，开发出定向凝固、单晶铸造等高温部件制造工艺，使叶片的最高工作温度和耐疲劳性能进一步提高。国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。这些单晶合金由于富铼易产生脆性相，近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向，开发出第四代单晶合金。叶片技术发展的趋势是将结构一材料一工艺统一考虑，采用铸造及激光打孔工艺直接制造发散冷却孔道。

80年代，开始研制陶瓷叶片材料，除提高叶片材料的耐温等级外，将由金属间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的“热障涂层”受到重视。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Nb - Cr2Nb、NB - Nbs Si3以及NB - MoSi2等。微叠层纳米热障涂层可望将叶片的耐温能力提高260C°，除用于叶片外，微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用机遇。

我国发动机叶片材料发展态势良好，仅铸造涡轮叶片材料就超过20种，并开展了单晶镍基高温合金、金属间化合物、陶瓷和C/C复合材料的研制。我国低密变、低成本的第一代单晶合金DD3性能与国外同代合金相当，已用于直升机小发动机涡轮叶片；第二代单晶高温合金DD6正在推广应用于先进的涡轮发动机叶片，其承温能力相当于国外同代合金，而成本更低。就涡轮盘材料而言，除广泛使用的粉末盘及其发展成的双性能粉末盘、三性能粉末盘外，细晶变形盘由于成本低也被看好。俄罗斯制造业坚持认为采用传统熔铸变形盘完全可满足第四、五代发动机的需要。作为一种新的涡轮盘方案，近年来开发了无夹杂的喷射盘。该技术与粉末冶金工艺相比具有工序简化、成本降低的优势，其快凝组织特性又奠定了其性能优势，包括远优于铸锻工艺、相当或高F粉末冶金工艺的强度与持久寿命，优于粉末冶金工艺的塑性、韧性及低周疲劳寿命，因晶粒细化而改善的热加工性能等。由于传统变形盘的工艺设备均能使用，且材料利用率高，成本明显低于粉末盘，因此，喷射盘有可能成为粉末盘的强劲对手。1

涡轮盘材料发展20世纪40年代的涡轮进口温度约为800~ 900C°，其采用16 -25 -6铁基合金。

50年代，随着涡轮进口温度提高到950℃，出现了沉淀硬化合金，应用沉淀强化原理使合金具有更高的高温强度。

70年代，进口温度提高到了1240℃，出现了Rene95合金和粉末冶金高温合金。

在这些先进航空发动机中，高温材料仍属于核心技术。如军用发动机中的高温钛合金（压气机盘和叶片）、高温合金板材（燃烧室）和粉末冶金材料以及单晶叶片材料（涡轮）等，民用发动机中使用的单晶叶片材料和粉末高温合金涡轮盘材料。1

发展趋势发动机热端部件的材料主要以高温合金为主，如钛合金的应用就始于发动机，且至今仍是发动机压气机的主打材料。真空熔炼、定向凝固以及单晶铸造的引入使发动机涡轮进口温度从1940年的700℃增加到2000年的1 650°C，发动机的寿命也大为上升。下一步，涡轮进口温度将从1650℃增加到1715℃，2020年以后可能上升到1977°C。为实现这些苛刻的要求，还要依靠材料、工艺与冷却技术的完美结合。

航空发动机材料的一个重要发展趋势是继续开发新的三、四代单晶合金，美国NASA开发的第四代单晶合金工作温度比第三代高出27～42℃俄罗斯正在开发的ⅨC-55也属于第4代单晶，在1100℃、100h的持久强度高达180～190MPa。美国NASA还打算将工作温度比第四代单晶再提高56℃，这已十分接近合金的熔点了。此外，镍铝型合金也是发展方向之一。

目前，较先进的发动机上高温合金占55%～65%，钛合金用量25%～40%，发动机推重比已达到10，涡轮进口温度达到1650℃。要将发动机的推重比进一步提高，首先要发展高温结构材料，如金属间化合物材料、金属基复合材料、陶瓷及C/C基复合材料等，因此，这些材料也一直是航空发动机材料研究的重点。2

航空发动机材料特点航空发动机的特点是体积小,功率大,各部件的工作条件严酷，特别是转动件在不同的温度、载荷、环境介质（空气，燃气）下工作，大多须用比强度高、耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造。航空发动机的使用期限不尽相同,军用飞机发动机一般为100～1000小时；民用机发动机甚至要求1万小时以上,所用材料的组织和性能须保持长时间稳定。航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造；后期为适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要，钛合金、高温合金和复合材料相继得到应用。

使用铸铝合金、合金钢制造的活塞式航空发动机，在1903年装备了第一架螺旋桨式飞机。40年代到50年代初有了高温合金，涡轮喷气发动机才得以研制成功，使飞机的飞行速度超过了音速。60年代由于铸造高温合金和钛合金的应用和发展，涡轮风扇发动机得以研制成功。70年代定向凝固高温合金空心涡轮叶片、粉末高温合金涡轮盘和新的钛合金的出现，使涡轮进口温度提高到1370°C，使涡轮风扇发动机的推重比达到8以上。

活塞式航空发动机 汽缸一般用强度达 1000 兆帕(约100公斤/毫米)的中碳铬-钼-铝钢制做,以便表面渗氮,提高耐磨性和耐蚀性。活塞用强度为300兆帕（约30公斤/毫米）的锻造铝合金制作，再嵌装上合金铸铁涨圈，起耐磨和封严的作用。联杆和曲轴用优质的铬－镍合金钢制造，有耐磨要求的部位还经过渗碳或氮化处理。

涡轮喷气发动机压气机的零部件工作温度一般低于650℃，要求用比强度和疲劳强度高、抗冲击和耐腐蚀的材料制造。离心式压气机的叶轮使用高强度铝合金。轴流式压气机的前风扇叶片用钛合金。低压转子的轮盘和叶片用钢和铝合金，发展趋势是全部用钛合金。高压转子的轮盘和叶片用耐热钢，发展趋势是用高温合金。前机匣用钢或钛合金制造，有的机匣为了隔音还需要用吸音材料。燃烧室内燃烧区的温度高达1800～2000°C，尽管引入气流冷却，燃烧室壁温一般仍在900°C以上,常用易成形、可焊接的高温合金(新型镍基和钴基合金)板材制造。为了防止燃气冲刷、热腐蚀和隔热，常喷涂防护涂层。弥散强化合金不需涂层即可用于制造耐1200°C的燃烧室。燃烧室用的材料均可用于制造加力燃烧室和尾喷管。制造涡轮叶片和涡轮盘的材料是影响发动机性能的重要材料。适宜于制造涡轮叶片的材料有铸造镍基合金。现代试验型发动机的涡轮进口温度已达到1650°C，更高的要求达到1930°C。正在研制定向单晶、定向共晶、钨丝增强镍基合金和陶瓷材料，研制弥散强化镍基合金和新型粉末涡轮盘合金，以适应更先进发动机的涡轮叶片和涡轮盘的需要。3