导语

 

 

INTRODUCTION

航空航天发动机发展水平是一国综合国力、工业基础和科技水平的集中体现，它的研制集中了现代工业最尖端的技术、最先进的工业成果。这篇文章就为你揭秘，航空航天发动机上所用的材料。

 

1 铝合金

 

 

铝合金具有比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点，因此被认为是航空航天工业中用量最起着至关重要的作用。

 

主要应用位置：发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等。

 

2 钛合金

与铝、镁、钢等金属材料相比，钛合金具有比强度很高、抗腐蚀性能良好、抗疲劳性能良好、热导率和线膨胀系数小等优点，可以在350~450℃以下长期使用，低温可使用到-196℃。

 

主要应用位置：航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等。

 

 

3 超高强度钢

 

 

超高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性，并且有良好的焊接性和成形性。

 

主要应用位置：航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿轮。

 

4 镁合金

 

 

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗震能力强、可承受较大冲击载荷等特点。

 

主要应用位置：航天发动机机匣、齿轮箱等。

 

复合材料

 

 

航空发动机的发展之快，尤其是越来越严苛的温度和重量要求，渐进提高的传统材料已然不能满足，转而呼唤材料科学开辟新的体系，那就是复合材料。根据复合材料各自的特点，可用于发动机不同的零部件上。

 

 

1 碳碳复合材料

 

 

C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在 1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。最显著的优点是耐高温（大约2200℃）和低密度，可使发动机大幅度减重，以提高推重比。

 

主要应用位置：碳碳复合材料如果能够解决表面以及界面在中温时的氧化问题，并能在制备时提高致密化速度，并降低成本，则有望在航空发动机中得到大量的实际应用。

 

目前已有部分应用，例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

 

2 陶瓷基复合材料

 

陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。

 

CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

 

主要应用位置：短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。

 

3 树脂基复合材料

 

 

先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。

 

主要应用位置：航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。

 

4 金属基复合材料

 

 

金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。

 

主要应用位置：适合用作发动机的中温段部件。

 

随着科学技术的快速发展，一些尖端的科学技术突飞猛进，因此对于材料性能提出了更高的要求，传统的单一的材料已经远远不能满足实际的生产需求。就是在这样一个大环境下，复合材料应运而生。

 

就拿复合材料在航空发动机上的应用为例。传统的航空发动机材料（镍合金和钛合金）虽然仍然可以进一步发展，但它的发展空间已经不大了，很难满足未来航空发动机更加苛刻的温度和重量要求。如今，航空发动机性能不断的提高，重量相比过去有了很大的减少，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，将会更看重高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进材料。现在，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和C/C复合材料因为具有优良的低温性能，已成为航空发动机风扇和压气机等部件的候选材料。

复合材料在航空发动机的应用

 

航空发动机上应用的先进复合材料

 

树脂基复合材料

树脂基复合材料具有较高的强度和刚度，低的密度和良好的缺陷容限。可考虑在发动机压气机部分以及排气热回收系统的零件上采用。这种材料的缺点是在大气中易吸潮变形，不能抗高温，使用温度一般不超过280℃。   

 

树脂基复合材料

 

现在这种材料的加工工艺比较成熟，已经应用于航空发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵机匣、静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱等部件上得到大量应用。

 

外涵机匣

与常规的钛合金风扇外涵机匣相比，在保证能够执行所有功能和承受整台发动机的静态与飞行载荷的前提下，树脂基复合材料制造的外涵机匣能减轻发动机的重量，减少发动机的研制成本。

复合材料与钛合金机匣

 

GE公司的F404发动机最早由钛合金的外涵机匣改进为PMR15复合材料的外涵机匣，达到了重量减轻30%和成本减少30%的效果。之后，GE公司又进一步将这一技术应用到F414增推型发动机、GenX发动机等发动机上。

 

美国的普惠公司的F191和F135发动机以及法国的斯奈克玛公司的M88发动机都采用树脂基复合材料制造的外涵机匣。其减轻重量和降低成本的效果都很明显。

F404发动机

 

F135发动机

GenX的复合材料机匣

 

静子叶片

与钛合金的静子叶片相比，树脂基复合材料静子叶片能减轻重量50%，降低成本50%以上。同时，通过优化纤维取向，复合材料静子叶片的固有频率可以被修正，以加大其许用机械和气动设计空间。

 

树脂复合基叶片

 

普惠的PW4084和PW4168发动机风扇静子叶片采用PR500环氧树脂基复合材料，其中，PW4084发动机直径为3.04米的静子重量减轻39%、成本减少38%。德国MTU公司在PW8000发动机的高速低压压气机的进口导流叶片和第一级或第二级可调静子叶片采用PMC复合材料。这些叶片的抗外损伤能力、抗振动特性、抗腐蚀性和结构完整性已经得到了验证。

 

PW4084发动机

 

 

 

转子叶片

复合材料的低密度和高强度特性不仅能减轻重量，而且能使转子叶片具有3维气动设计形状，像掠形叶片、弓形叶片。除了能降低制造成本外，复合材料转子叶片还具有脱落事故中表现出来的非破坏特性，进而降低了包容要求。

 

碳纤维树脂基转子叶片

 

风扇叶片采用复合材料不但可以明显的减轻叶片本身的重量，还能减轻其包容系统、盘以及整个转子系统的重量，具有低成本、抗振性能好、抗损伤能力强等特点。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B发动机采用了高流量弯掠复合材料风扇叶片和有机物基材料风扇机匣，还计划将进一步研究复合空心叶型高压比风扇。

 

GE90发动机复合材料叶片

 

金属基复合材料

和树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维，如不锈钢、钨、被、妮、镍铝金属间化合物等;陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化钦等。

 

金属基复合材料

 

金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。

 

金属基材料

 

GE公司为联合技术验证机发动机计划研究了钛基复合材料的低压轴，重量比inco合金减轻30%，刚性比钛合金提高40%，且寿命和耐用性均有所改善。若F110发动机采用这种复合材料轴，重量可减轻68kg。在不久的将来，金属复合材料将会取代镍、钛合金，成为未来航空发动机的主要材料。

 

陶瓷基复合材料

 

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻、硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并且在很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的材料。

 

陶瓷基复合材料发动机

 

陶瓷基复合材料的密度仅为高温合金的1/3～1/4，其耐高温和低密度特性是金属和金属间化合物无法比拟的，因此，一些发达国家一直把陶瓷基复合材料作为新一代航空发动机材料的发展重点。

 

陶瓷基复合材料提高发动机效率

 

目前世界各国针对下一代先进发动以及对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料。取得了较大的发展，有的已经开始应用在现代航空发动机中。如美国的验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置、燃烧室的部分高温零件，均采用陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

 

M88-2型发动机

 

GE研制的陶瓷基材料叶片

 

陶瓷基复合材料主要应用在以下两方面。

 

燃烧室部件：

早在90年代，GE公司和P&W公司就已经使用陶瓷基复合材料制备燃烧室衬套，该衬套在1200℃环境下工作可以超过1000h。美国综合高性能涡轮发动机技术计划用碳化硅基复合材料制备火箭筒，现已在第一阶段得到验证。

 

Sic制备的燃烧室衬套

CMC制备火焰筒

 

涡轮部件：

作为发动机重要的零件之一，涡轮叶片工作在燃烧室出口，是发动机中承受热冲击最严重的零件，其耐温能力直接决定着高性能发动机推重比的提升。陶瓷基复合材料密度低、耐高温，对减轻涡轮叶片重量和降低涡轮叶片冷气量意义重大。目前，国外已成功运用陶瓷基复合材料制备出耐高温的涡轮叶片。

 

CMC涡轮叶片叶身

 

C/C复合材料

碳/碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度不到2.0g/cm3,仅为镍基高温合金的1/4,陶瓷材料的1/2,尤其是这种材料随着温度升高(可达2200℃)其强度不仅不降低,甚至比室温还高,这是其它材料所无法比拟的独特的性能。

 

碳纤维复合材料

 

早在80年代初，美国就开始研制碳/碳涡轮盘和涡轮叶片，以后又先后进行了F100飞机发动机的燃烧室和喷管试验，JTD试验机低压整体涡轮盘及叶片试验，还进行可1760地面超速试验。德国、俄罗斯和日本已相继成功研制涡轮外环和整体涡轮。

 

碳纤发动机叶片

 

目前尽管都认为碳/碳材料是新型高性能航空发动机热端部件的可选材料,但国内外都还没有把碳/碳材料真正用于发动机的转动部件,究其原因,关键是以下问题还未得到很好解决：

 

1、抗氧化问题,由于航空发动机工作时间长、温度高,而碳材料在400℃以上就会开始氧化,这是一个尖锐矛盾。

 

2、碳/碳材料与传统金属材料在性能、结构等方面均不相同,传统的设计将不适用于碳/碳材料,必须根据该材料的特点进行特殊、全新的结构设计,这方面的研究需要进一步深入。

 

3、性能的稳定性、再现性是实用的前提,对于复合材料而言这是一个难点,要求有相应稳定的工艺、增强体质量、基体质量、均匀性等一系列问题,尚需深入研究。

碳纤维叶片

 

新材料和工艺需求对体系发展带来挑战与机遇

 

随着先进航空发动机性能参数的提升，对新型高强钛合金/钛铝（TiAl）系合金/变形高温合金及其复合材料、新型镍基/镍铝（Ni3Al）系单晶合金和粉末合金、铌-硅（Nb-Si）系合金、高熵合金、碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）、树脂基复合材料（PMC）等新型结构材料的需求愈发迫切，也对我国材料及工艺体系提出了更高要求。

 

新型高强韧钛合金/钛铝系合金/变形高温合金及复合材料

 

钛合金、钛铝（TiAl）系合金伴随着发动机轻质化需求而不断发展。钛合金目前的最高使用温度为600～650℃，TiAl系合金的使用温度范围为650950℃，但其突出的室温脆性、缺口敏感等问题，使其只能部分替代高温合金或单晶合金。另外，随着发动机各截面工作温度的提高，还需发展更耐温、更高强韧的新型变形高温合金。

 

我国自20世纪80年代开始自主研制高温钛合金，目前已掌握了合金成分、组织、性能匹配控制及优化等关键技术，研制及应用水平基本实现了与国际先进水平同步，但还需要进一步提高组织性能均匀性，挖掘合金潜力。针对TiAl系合金，重点突破了材料设计、制备工艺、组织优化与控制、塑韧性提高等关键技术，研发出多个代表性合金，但还需要深化研究高强韧性组织匹配、低塑韧性材料应用设计等技术，拓展其应用。随着合金设计方法的进步、铸-锻设备及工艺的发展，多种新型变形高温合金成功获得应用，但随着合金化程度的提高，合金熔铸与热加工艺难度大增，需突破大尺寸锭重熔精炼、均匀变形等技术瓶颈，实现组织性能均匀稳定，实现性能、效率与成本的综合平衡，加速研发和应用，为未来更高性能变形高温合金的自主研发奠定基础。

 

目前，冷端转子采用整体叶盘结构的应用已趋设计极限，而整体叶环集先进结构、材料于一体，综合性能优异且可实现轻量化，是下一代发动机轻质化转子的标志性选择。SiC纤维增强钛基（Ti-MMC）、TiAl基（TiAl-MMC）和镍基复合材料（Ni-MMC）应用趋势急速上升，MTU公司与罗罗公司等已造出Ti-MMC整体叶环（如图1所示）、涡轮轴等试验件，并进行了考核，轻质效果显著。据预测，未来发动机用材中Ti-MMC约占30%，TiAl-MMC约占15%。

 

 

罗罗公司研制的Ti-MMC整体叶环

 

我国自20世纪90年代开始Ti-MMC及其构件研制，迄今先后突破了高性能单丝SiC纤维批产、高品质先驱丝制备、构件成形等关键技术，打通了Ti-MMC整体叶环一体化制造技术路线，但还需强化增强环芯形性控制、残余应力调控等技术研究，充分发挥Ti-MMC的优势。

 

新型单晶合金与粉末合金

 

随着涡轮前温度的提高，涡轮叶片材料从变形、铸造高温合金发展到定向、单晶高温合金，涡轮盘材料由合金钢、变形高温合金发展为粉末高温合金。过去五六十年间，涡轮前温度提高了约600K，材料与铸造工艺贡献了30%～40%。自普惠公司发明世界上第一个单晶合金PW1480至今，业界成功开发了多代镍基、镍铝（Ni3Al）系单晶合金。中国是世界上较早研究单晶合金的国家之一，至今多个牌号已逐步获得应用。但随着发动机发展，现用单晶合金受耐温能力及铸造工艺性限制，应用已趋于极限，急需发展初熔温度更高、组织性能更优、铸造及焊接工艺性良好、成本可接受的新型单晶合金。

 

20世纪60年代初，美国率先研制粉末高温合金并在涡轮盘上成功应用以来，粉末合金涡轮盘已在多型发动机上累计安全工作数千万小时，粉末合金已成为先进航空发动机涡轮盘的首选材料。业界已开发出服役温度更高、综合性能更优的高代次粉末合金，并根据涡轮盘不同部位对性能的侧重，发展出双性能/双合金、双辐板涡轮盘。我国已成功研制出第一代、第二代粉末合金，目前正在开发第三代、第四代粉末合金，但随着发动机发展，还需在高品质粉末、双性能/双合金/双辐板涡轮盘制备及低成本工艺等方面深入开展研究。

 

碳化硅陶瓷基复合材料

 

CMC-SiC兼具金属材料、陶瓷材料和碳材料的优点，具有材料结构一体化和多尺度特征，综合性能优异，是目前应用最成功的轻质高温结构复合材料，可用于发动机燃烧、涡轮和喷管等热端部件（如图2所示），被普遍视为发动机高温结构材料的技术制高点。从20世纪90年代至今，欧美以第三代和第四代航空发动机为演示验证平台，逐步暴露材料、工艺和制造问题，建立对CMC-SiC构件的应用信心及极限寿命的认知，逐渐将CMC-SiC应用于先进发动机。喷管调节片/密封片、燃烧室火焰筒及内/外环等已完成全生命周期验证并进入应用或批产阶段，涡轮叶片等尚处于验证阶段。

CMC-SiC在航空发动机中的应用

 

迄今，我国CMC-SiC构件的研制与应用可分为3个阶段。前两个阶段，初步验证了可行性和可用性，形成了一定的技术储备；现阶段主要针对发动机多类构件需求进行典型件研制与应用研究。总体而言，国内基本突破了SiC纤维及其复合材料制备技术，初步完成了典型件设计、制备与考核，但针对不同部位CMC-SiC构件的制备技术路径尚无定论，还需打破现有按原金属结构设计和试制的模式，从全技术链路建立面向材料、工艺和制造的协同设计方法，突破结构、强度、冷却、连接设计，以及低成本构件成形与加工、全生命周期检测、评估与验证等关键技术。

 

树脂基复合材料

树脂基复合材料（PMC）密度低，比强度和比模量高，可设计性强，用于发动机进气机匣、外涵道机匣、风扇叶片/机匣等冷端部件可减质20%～40%，是发动机冷端部件先进性的重要实现手段。国际领先公司目前已将PMC广泛用于发动机冷端和外部部件，并大规模实现了第一代和第二代碳纤维增强PMC的应用，尤其是PMC外涵机匣大多已进入工程生产阶段，技术成熟度达到9级。目前，正在开展耐温400℃及以上材料研究。

 

我国已开展了大量PMC构件的验证工作，技术成熟度高于CMC-SiC构件，但较领先水平仍存在差距，需突破耐温或/和耐湿型PMC开发、高温模具、构件设计与制造一体化、大型复杂构件成形、缺陷检测与评估等关键技术，还需提高国产化关键生产装备工艺能力及配套软件技术，解决成本过高等问题。

 

发动机材料及工艺体系存在的问题与不足

 

航空发动机材料工艺体系是一个以材料、工艺技术为核心，遵循技术发展规律，围绕技术发展和产品应用，按照基础研究、应用研究、工程应用等展开，由基础、制备、应用、分析、保障等技术要素构成的系统有机整体。从航空发动机材料体系的历史沿革来看，主体材料已由第一代发动机的钢，发展到第三代发动机的钛、高温合金和复合材料，辅以各种新工艺、新结构又演进出第四代发动机的主体材料、工艺（见表1）。世界领先的航空发动机公司持续推出了各具特色的品牌材料或工艺，并建立了各自的发动机材料及工艺体系。

 

涡扇发动机典型材料和工艺

 

我国航空工业自20世纪50年代建立以来，便开始引进苏联航空产品，70年代又开始引进英、法、美等国航空产品，共生产了60余种型号、数万架飞机和30余种型号、数万台发动机，发动机材料、工艺技术历经引进、仿制、研仿到自主研制的发展历程。迄今，我国基本建立起完备的材料工艺体系，建成多个发动机材料、工艺研制与生产基地，也成为具有完整高温合金体系的四个国家之一。然而，大量的引进和仿制导致我国同代次、同水平发动机材料多国牌号并存，使有限的支持碎片化，限制了材料的研制和发展，制约了选材的标准化、通用化、继承性及经济性。

 

我国虽已能生产航空发动机用全部门类材料，但要实现未来先进航空发动机研制的自主保障，还需对我国航空发动机材料、工艺现状进行梳理、分析和归纳，为应对新材料、新工艺需求提出的挑战，还需解决以下几个方面的问题和不足：未完全建立起科学统筹的基础预研科技管理体系；未完全构建起我国特色的航空发动机主干材料体系；未真正实现设计与材料、制造的协同；无统一的性能数据库，缺乏高可靠统计许用值；无统一、适用、通用的标准体系；不注重全供应链管理，产品稳定性、可靠性差；缺乏新材料、新工艺技术快速迭代机制；未明显突破返回料利用，全流程成本偏高。

 

关于材料及工艺发展的思考与建议

 

针对上述材料及工艺发展中存在的问题与不足，从理念、布局、机制和标准体系的角度提出如下思考和建议。

 

建立面向材料—制造一体化设计的“新理念”

 

构建设计、材料、制造协同融合的研发流程，发展面向材料、制造的设计。充分利用预研形成的先进集成平台，将其提升改造为新材料、新工艺专用验证平台，解决验证资源问题。加强材料的“积木式”验证和递进式评价，结合高精度与高置信度仿真技术，面向全生命周期开展迭代与改进。

 

开展统筹全技术体系的“新布局”

 

系统梳理发动机材料、工艺技术树，建立完整的技术体系，贯彻技术与产品开发异步、规划互锁的理念，科学全面、统筹精准制订中长期发展专项规划，制定技术地图，集中投入，梯次发展，有序衔接。对标国际领先水平，梳理形成“卡脖子”技术清单，精准识别和瞄准当前技术短板、堵点和痛点，突破一批长期未有效解决的关键核心技术。

 

构建举国协同、融合创新的科技管理“新机制”

 

面向发展重大需求，通过部委协同，加强政策供给的继承性、联动性、集成性；发挥行业主体作用，强化需求牵引，加强产学研用协同和军民深度融合。兼顾不同利益诉求，形成各主体、各环节高效协同、深度融合的创新体系和利益共同体。由小团队研发向产学研用多学科交叉团队转变，强化从规划论证、项目生成、攻关研究、考核评价、成果应用的“一条龙”高效项目模式，促进成果集成开发和转化应用，打通管理链路和创新链路。变革科技管理思想，既要“放”“管”“服”，也要“精”“细”“控”，建立切实有效的知识产权特别是国防知识产权的转移、转让、交易机制，创新科技激励机制，合理解决从研发到产业发展各环节的投入、贡献和利益分配问题，充分调动各方积极性。

 

完善性能数据与标准的“新体系”

 

开展材料、工艺性能数据设计许用值统一管理，从全技术链、全产业链角度严控生产过程和质量细节，确保性能数据真实、可靠，尽快打造完成中国版标准化数据手册。以研发流程为牵引，从使用者角度，统一标准架构，丰富技术要素，整合、建立、完善全行业标准体系。构建行业统一的考核评价和数据管理平台。

 

结束语

 

轻质、高强韧、耐高温的战略型、革命性先进材料及工艺是未来先进航空发动机的标志性选择。应进一步聚焦基础瓶颈、聚焦工程应用、聚焦资源投入、聚焦双链完整，强化需求牵引、强化行业抓总、强化体系布局、强化协同融合、强化集中投入，走出中国特色的发动机材料及工艺自主、自立、自强之路。