航空航天發(fā)動機需要哪些合金材料

1 鋁合金

鋁合金具有比模量與比強度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優(yōu)點，因此被認為是航空航天工業(yè)中用量最起著至關(guān)重要的作用。

主要應(yīng)用位置：發(fā)動機艙、艙體結(jié)構(gòu)、承載壁板、梁、儀器安裝框架、燃料儲箱等。

2 鈦合金

與鋁、鎂、鋼等金屬材料相比，鈦合金具有比強度很高、抗腐蝕性能良好、抗疲勞性能良好、熱導率和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，可以在350~450℃以下長期使用，低溫可使用到-196℃。

主要應(yīng)用位置：航空發(fā)動機的壓氣機葉片、機匣、發(fā)動機艙和隔熱板等。

3 超高強度鋼

超高強度鋼具有很高的抗拉強度和足夠的韌性，并且有良好的焊接性和成形性。

主要應(yīng)用位置：航天發(fā)動機殼體、發(fā)動機噴管、軸承和傳動齒輪。

4 鎂合金

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、抗震能力強、可承受較大沖擊載荷等特點。

主要應(yīng)用位置：航天發(fā)動機機匣、齒輪箱等。

復合材料

航空發(fā)動機的發(fā)展之快，尤其是越來越嚴苛的溫度和重量要求，漸進提高的傳統(tǒng)材料已然不能滿足，轉(zhuǎn)而呼喚材料科學開辟新的體系，那就是復合材料。根據(jù)復合材料各自的特點，可用于發(fā)動機不同的零部件上。

1 金屬基復合材料

金屬基復合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復合材料。在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國外已實現(xiàn)商品化。

主要應(yīng)用位置：適合用作發(fā)動機的中溫段部件。

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，一些尖端的科學技術(shù)突飛猛進，因此對于材料性能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的單一的材料已經(jīng)遠遠不能滿足實際的生產(chǎn)需求。就是在這樣一個大環(huán)境下，復合材料應(yīng)運而生。

就拿復合材料在航空發(fā)動機上的應(yīng)用為例。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機材料（鎳合金和鈦合金）雖然仍然可以進一步發(fā)展，但它的發(fā)展空間已經(jīng)不大了，很難滿足未來航空發(fā)動機更加苛刻的溫度和重量要求。如今，航空發(fā)動機性能不斷的提高，重量相比過去有了很大的減少，在依靠整體葉盤、整體葉環(huán)、空心葉片和對轉(zhuǎn)渦輪等新穎結(jié)構(gòu)的同時，將會更看重高比強度、低密度、高剛度和耐高溫能力強的先進材料?，F(xiàn)在，樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和C/C復合材料因為具有優(yōu)良的低溫性能，已成為航空發(fā)動機風扇和壓氣機等部件的候選材料。

復合材料在航空發(fā)動機的應(yīng)用

航空發(fā)動機上應(yīng)用的先進復合材料

涵機匣

與常規(guī)的鈦合金風扇外涵機匣相比，在保證能夠執(zhí)行所有功能和承受整臺發(fā)動機的靜態(tài)與飛行載荷的前提下，樹脂基復合材料制造的外涵機匣能減輕發(fā)動機的重量，減少發(fā)動機的研制成本。

復合材料與鈦合金機匣

GE公司的F404發(fā)動機最早由鈦合金的外涵機匣改進為PMR15復合材料的外涵機匣，達到了重量減輕30%和成本減少30%的效果。之后，GE公司又進一步將這一技術(shù)應(yīng)用到F414增推型發(fā)動機、GenX發(fā)動機等發(fā)動機上。

美國的普惠公司的F191和F135發(fā)動機以及法國的斯奈克瑪公司的M88發(fā)動機都采用樹脂基復合材料制造的外涵機匣。其減輕重量和降低成本的效果都很明顯。

F404發(fā)動機

F135發(fā)動機

GenX的復合材料機匣

靜子葉片

與鈦合金的靜子葉片相比，樹脂基復合材料靜子葉片能減輕重量50%，降低成本50%以上。同時，通過優(yōu)化纖維取向，復合材料靜子葉片的固有頻率可以被修正，以加大其許用機械和氣動設(shè)計空間。

樹脂復合基葉片

普惠的PW4084和PW4168發(fā)動機風扇靜子葉片采用PR500環(huán)氧樹脂基復合材料，其中，PW4084發(fā)動機直徑為3.04米的靜子重量減輕39%、成本減少38%。德國MTU公司在PW8000發(fā)動機的高速低壓壓氣機的進口導流葉片和第一級或第二級可調(diào)靜子葉片采用PMC復合材料。這些葉片的抗外損傷能力、抗振動特性、抗腐蝕性和結(jié)構(gòu)完整性已經(jīng)得到了驗證。

PW4084發(fā)動機

轉(zhuǎn)子葉片

復合材料的低密度和高強度特性不僅能減輕重量，而且能使轉(zhuǎn)子葉片具有3維氣動設(shè)計形狀，像掠形葉片、弓形葉片。除了能降低制造成本外，復合材料轉(zhuǎn)子葉片還具有脫落事故中表現(xiàn)出來的非破壞特性，進而降低了包容要求。

碳纖維樹脂基轉(zhuǎn)子葉片

風扇葉片采用復合材料不但可以明顯的減輕葉片本身的重量，還能減輕其包容系統(tǒng)、盤以及整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重量，具有低成本、抗振性能好、抗損傷能力強等特點。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B發(fā)動機采用了高流量彎掠復合材料風扇葉片和有機物基材料風扇機匣，還計劃將進一步研究復合空心葉型高壓比風扇。

GE90發(fā)動機復合材料葉片

金屬基復合材料

和樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有良好的韌性，不吸潮，能夠耐比較高的溫度。金屬基復合材料的增強纖維有金屬纖維，如不銹鋼、鎢、被、妮、鎳鋁金屬間化合物等;陶瓷纖維，如氧化鋁、氧化硅、碳、硼、碳化硅、硼化欽等。

金屬基復合材料

金屬基復合材料的基體材料有鋁、鋁合金、鎂、欽及欽合金、耐熱合金、鉆合金等。其中以鋁鏗合金、欽及鐵合金為基的復合材料是目前主要選擇對象。如以碳化硅纖維增強欽合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件。

金屬基材料

GE公司為聯(lián)合技術(shù)驗證機發(fā)動機計劃研究了鈦基復合材料的低壓軸，重量比inco合金減輕30%，剛性比鈦合金提高40%，且壽命和耐用性均有所改善。若F110發(fā)動機采用這種復合材料軸，重量可減輕68kg。在不久的將來，金屬復合材料將會取代鎳、鈦合金，成為未來航空發(fā)動機的主要材料。

新型高強韌鈦合金/鈦鋁系合金/變形高溫合金及復合材料

鈦合金、鈦鋁（TiAl）系合金伴隨著發(fā)動機輕質(zhì)化需求而不斷發(fā)展。鈦合金目前的最高使用溫度為600～650℃，TiAl系合金的使用溫度范圍為650950℃，但其突出的室溫脆性、缺口敏感等問題，使其只能部分替代高溫合金或單晶合金。另外，隨著發(fā)動機各截面工作溫度的提高，還需發(fā)展更耐溫、更高強韌的新型變形高溫合金。

我國自20世紀80年代開始自主研制高溫鈦合金，目前已掌握了合金成分、組織、性能匹配控制及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，研制及應(yīng)用水平基本實現(xiàn)了與國際先進水平同步，但還需要進一步提高組織性能均勻性，挖掘合金潛力。針對TiAl系合金，重點突破了材料設(shè)計、制備工藝、組織優(yōu)化與控制、塑韌性提高等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出多個代表性合金，但還需要深化研究高強韌性組織匹配、低塑韌性材料應(yīng)用設(shè)計等技術(shù)，拓展其應(yīng)用。隨著合金設(shè)計方法的進步、鑄-鍛設(shè)備及工藝的發(fā)展，多種新型變形高溫合金成功獲得應(yīng)用，但隨著合金化程度的提高，合金熔鑄與熱加工藝難度大增，需突破大尺寸錠重熔精煉、均勻變形等技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)組織性能均勻穩(wěn)定，實現(xiàn)性能、效率與成本的綜合平衡，加速研發(fā)和應(yīng)用，為未來更高性能變形高溫合金的自主研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

目前，冷端轉(zhuǎn)子采用整體葉盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已趨設(shè)計極限，而整體葉環(huán)集先進結(jié)構(gòu)、材料于一體，綜合性能優(yōu)異且可實現(xiàn)輕量化，是下一代發(fā)動機輕質(zhì)化轉(zhuǎn)子的標志性選擇。SiC纖維增強鈦基（Ti-MMC）、TiAl基（TiAl-MMC）和鎳基復合材料（Ni-MMC）應(yīng)用趨勢急速上升，MTU公司與羅羅公司等已造出Ti-MMC整體葉環(huán)（如圖1所示）、渦輪軸等試驗件，并進行了考核，輕質(zhì)效果顯著。據(jù)預(yù)測，未來發(fā)動機用材中Ti-MMC約占30%，TiAl-MMC約占15%。

羅羅公司研制的Ti-MMC整體葉環(huán)

我國自20世紀90年代開始Ti-MMC及其構(gòu)件研制，迄今先后突破了高性能單絲SiC纖維批產(chǎn)、高品質(zhì)先驅(qū)絲制備、構(gòu)件成形等關(guān)鍵技術(shù)，打通了Ti-MMC整體葉環(huán)一體化制造技術(shù)路線，但還需強化增強環(huán)芯形性控制、殘余應(yīng)力調(diào)控等技術(shù)研究，充分發(fā)揮Ti-MMC的優(yōu)勢。

新型單晶合金與粉末合金

隨著渦輪前溫度的提高，渦輪葉片材料從變形、鑄造高溫合金發(fā)展到定向、單晶高溫合金，渦輪盤材料由合金鋼、變形高溫合金發(fā)展為粉末高溫合金。過去五六十年間，渦輪前溫度提高了約600K，材料與鑄造工藝貢獻了30%～40%。自普惠公司發(fā)明世界上第一個單晶合金PW1480至今，業(yè)界成功開發(fā)了多代鎳基、鎳鋁（Ni3Al）系單晶合金。中國是世界上較早研究單晶合金的國家之一，至今多個牌號已逐步獲得應(yīng)用。但隨著發(fā)動機發(fā)展，現(xiàn)用單晶合金受耐溫能力及鑄造工藝性限制，應(yīng)用已趨于極限，急需發(fā)展初熔溫度更高、組織性能更優(yōu)、鑄造及焊接工藝性良好、成本可接受的新型單晶合金。

20世紀60年代初，美國率先研制粉末高溫合金并在渦輪盤上成功應(yīng)用以來，粉末合金渦輪盤已在多型發(fā)動機上累計安全工作數(shù)千萬小時，粉末合金已成為先進航空發(fā)動機渦輪盤的首選材料。業(yè)界已開發(fā)出服役溫度更高、綜合性能更優(yōu)的高代次粉末合金，并根據(jù)渦輪盤不同部位對性能的側(cè)重，發(fā)展出雙性能/雙合金、雙輻板渦輪盤。我國已成功研制出第一代、第二代粉末合金，目前正在開發(fā)第三代、第四代粉末合金，但隨著發(fā)動機發(fā)展，還需在高品質(zhì)粉末、雙性能/雙合金/雙輻板渦輪盤制備及低成本工藝等方面深入開展研究。

發(fā)動機材料及工藝體系存在的問題與不足

航空發(fā)動機材料工藝體系是一個以材料、工藝技術(shù)為核心，遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律，圍繞技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用，按照基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、工程應(yīng)用等展開，由基礎(chǔ)、制備、應(yīng)用、分析、保障等技術(shù)要素構(gòu)成的系統(tǒng)有機整體。從航空發(fā)動機材料體系的歷史沿革來看，主體材料已由第一代發(fā)動機的鋼，發(fā)展到第三代發(fā)動機的鈦、高溫合金和復合材料，輔以各種新工藝、新結(jié)構(gòu)又演進出第四代發(fā)動機的主體材料、工藝（見表1）。世界領(lǐng)先的航空發(fā)動機公司持續(xù)推出了各具特色的品牌材料或工藝，并建立了各自的發(fā)動機材料及工藝體系。

渦扇發(fā)動機典型材料和工藝

結(jié)束語

輕質(zhì)、高強韌、耐高溫的戰(zhàn)略型、革命性先進材料及工藝是未來先進航空發(fā)動機的標志性選擇。應(yīng)進一步聚焦基礎(chǔ)瓶頸、聚焦工程應(yīng)用、聚焦資源投入、聚焦雙鏈完整，強化需求牽引、強化行業(yè)抓總、強化體系布局、強化協(xié)同融合、強化集中投入，走出中國特色的發(fā)動機材料及工藝自主、自立、自強之路。

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