先進材料在戰斗機發動機上的應用與研究趨勢

梁春華， 李曉欣

(沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015)

20世紀90年代末期，美國國防部負責研究與工程的副部長埃尼塔·約翰遜(Anita Jones)在FY97和FY98材料與工藝技術領域計劃中將材料、信息、傳感器和經濟可承受性列為美國國防部科技研究優先發展的四大技術［1，2］。在美國空軍2025年展望中，將材料與工藝列為空軍六大高效力技術之一［1，2］。航空技術發展在很大程度上依賴于材料進步，“一代材料、一代裝備”是材料推動航空技術進步的真實寫照。航空發動機推重比的提高、性能的提升同樣離不開材料的進步。因而，很多國家通過實施專項和綜合性研究計劃，來研發軍用發動機用先進材料及工藝，以提高其綜合性能。目前，戰斗機發動機材料正在向著密度更小、耐溫能力更高、費用更低、壽命更長、結構設計和材料工藝一體化等方向發展。

1 應用趨勢

1.1 第3代戰斗機發動機

20世紀70年代后期以來，美國PW和GE公司開始研制第3代戰斗機發動機F100，F110，F404和F414等發動機，俄羅斯開始研制AL31F發動機，歐洲共同體開始研制RB199，M88等發動機。這代發動機將第2代戰斗機發動機的推重比5.0～6.0提高到7.0～8.0、渦輪進口溫度由1400～1550K 提高到1600～1750K［3］。為了滿足這些挑戰，質量輕的樹脂基復合材料開始使用、鈦合金用量加大，耐更高溫度的高溫合金的用量也有所提升。下面為第3代戰斗機發動機典型部件用材情況。

風扇以鈦合金為主，為減輕外涵機匣質量，外涵機匣采用了樹脂基復合材料［4～6］。RB199，AL31F，F100發動機的風扇為全鈦結構，其中F100發動機的轉子葉片選用 Ti-6-6-2，盤選用 Ti-8-1-1，軸選用Ti-6-4;AL31F發動機的轉子葉片選用ВТ3-1鈦合金和 ВТ20鈦合金，盤選用 ВТ9鈦合金。F110-GE-132，F404，F414發動機外涵機匣采用了樹脂基復合材料。

壓氣機以鈦合金和高溫合金為主［4～6］。壓氣機的前部葉片、盤和機匣多數選用鈦合金，后部選用鋼、鎳鉻高溫合金或鎳基高溫合金。如:F100發動機1～3級盤為鈦合金，4級選用 PW1016，5，7，9級為高溫合金，6，8，10級為In100粉末高溫合金;轉子葉片1～4級為鈦合金，5～10級為高溫合金。又如F110發動機的前3級為鈦合金，后6級選用高溫合金。F414發動機的前2級轉子選用Ti17，后5級選用In718。

燃燒室以鎳基或鈷基高溫合金為主。AL31F發動機機匣選用ЭП708高溫合金，火焰筒選用ЭП648鎳基(高鉻含量)高溫合金。F100發動機選用Haynes 188鈷基高溫合金，F110，F404和F414發動機則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。

渦輪葉片最初主要選用空向凝固鎳基高溫合金加熱障涂層，后來更多選用單晶高溫合金加熱障涂層;盤最初主要選用鎳基高溫合金［4～6］，后來更多選用粉末高溫合金。如:AL31F發動機高壓渦輪工作葉片和導向葉片選用ЖС6У鎳基高溫合金，渦輪盤選用ЭП742鎳基高溫合金或粉末高溫合金，機匣選用ЭП708。F100-PW-220和F100-PW-229發動機渦輪轉子葉片選用PW1480或PW1484單晶高溫合金表層沉積熱障涂層，盤選用In100粉末高溫合金。F110發動機高壓渦輪轉子葉片選用ReneN5單晶合金表層沉積熱障涂層，低壓渦輪第1級轉子葉片選用Rene125，盤選用Rene95或Rene88DT粉末高溫合金;第2級轉子葉片選用Rene80，盤選用In718。

加力燃燒室多選擇用高溫合金［4～6］。AL31F，F100，F414分別選用ЭП199高溫合金、帶陶瓷涂層的Haynes 188和Hastelloy X高溫合金。

噴管外殼選用鈦合金，其余選用鎳基高溫合金。

1.2 第4代戰斗機發動機

20世紀80年代中期以來，美國PW和GE公司開始研制F119，F135，F136等第4代戰斗機發動機。這代發動機的推重比提高到9.0～10.0、渦輪進口溫度提高到1800～1950K［3］。為了滿足這些極具挑戰的要求，鈦合金用量更高，樹脂基復合材料開始大量使用，新型阻燃鈦合金、單晶鎳基合金和更耐高溫的陶瓷基復合材料應用到發動機部件上，獨特的冷卻技術(如:Lamilloy結構、超級冷卻和鑄冷等)也應用在發動機上。下面為第4代戰斗機發動機典型部件的用材情況。

外涵機匣均為樹脂基復合材料。F119發動機選用PMR-15基復合材料。風扇多為全鈦結構，F119和F135都采用實心結構，而F136發動機第1級風扇轉子葉片選用空心結構;最為特殊的F135發動機第1級空心靜子葉片采用樹脂基復合材料［4～6］。

高壓壓氣機轉子前幾級采用鈦合金，后幾級采用高溫合金;靜子葉片選用高強度阻燃鈦合金或高強度鎳基高溫合金，F119發動機采用高強度阻燃鈦合金Alloy C，F135和F136發動機的前部采用鈦合金，后部分別采用高溫合金。F135發動機的3號軸承可能選用氮化硅摻雜陶瓷材料。

燃燒室火焰筒主要為鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱障涂層，F119發動機和F135發動機采用了浮動壁結構，而F136發動機采用了Lamilloy結構。

渦輪轉子葉片采用第2代單晶鎳基高溫合金并沉積熱障涂層;靜子葉片采用第2代單晶合金或陶瓷，如F135發動機120個導向器葉片選用陶瓷，F136發動機選用Lamilloy結構的單晶鎳基合金;盤選用粉末合金或鎳基高溫合金，如F119發動機采用雙重熱處理的粉末高溫合金;隔熱支撐環選用低熱膨脹合金。

加力燃燒室隔熱屏選用鎳基高溫合金，筒體采用鈦合金或高強度阻燃鈦合金Alloy C。噴管主調節片選用高溫合金;外調節片為 SPECARBINOX A262碳纖維增強的陶瓷基復合材料。

1.3 第5代戰斗機發動機

第5代戰斗機發動機是目前準備研制的推重比12～15的小涵道比加力渦扇發動機，將以在空軍科技研究計劃、IHPTET、AMET、VAATE、UEET 等綜合性研究計劃［7～9］中的先進材料與工藝和在 HITEMP、TMCTECC、經濟型的樹脂基復合材料、DOD MANTECH、空軍科技等專項研究計劃下開發和驗證的先進材料為基礎。

第5代戰斗機發動機風扇和壓氣機葉片、支板、進氣機匣、外涵機匣等低溫部件更多地選用樹脂(如PMR15、AFR700B等)基復合材料。低壓軸、葉片、整體葉環、殼體結構等中溫部件將更多地選用耐溫816～982℃的鈦鋁金屬間化合物和連續纖維增強的金屬基復合材料。燃燒室火焰筒將更多地選用Lamilloy結構的高溫合金、耐溫1482℃陶瓷基復合材料和熱障涂層;擴壓器將更多地選用鈦鋁金屬間化合物;外機匣將更多地選用金屬基復合材料。渦輪葉片將更多地選用鎳基單晶高溫合金的超冷、鑄冷結構、耐溫1538～1649℃纖維增強的陶瓷基復合材料、高溫鉬基和鈮基合金、耐溫1093～1371℃金屬間化合物、耐溫1149℃熱障涂層;渦輪盤將更多地采用耐高溫的粉末合金和纖維增強的陶瓷基復合材料。加力燃燒室襯套將更多地選用耐1204℃陶瓷、金屬基復合材料、耐溫1538℃碳/碳復合材料。噴管將更多地選用樹脂基復合材料、耐溫1093℃金屬間化合物、耐溫1371℃無冷卻的非金屬材料、陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料。

2 發展趨勢

2.1 密度降低，強度提高

減輕發動機部件的質量對于增大戰斗機發動機的推重比非常重要，而其最直接且有效的途徑就是采用質量更輕的材料。因而，隨著先進輕質材料的開發成功，戰斗機發動機用材正在向低密度與高強度方向發展。

目前，樹脂基復合材料(PMC)、金屬(特別是鈦合金)基復合材料(MMC)［10～12］和鈦鋁金屬間化合物逐漸替代鋼、鈦合金和鎳基合金［13，14］用于制造風扇/包容機匣、風扇轉子/靜子葉片、發動機短艙和反推力裝置等低溫部件;樹脂基復合材料、金屬(鈦、鎳)基復合材料和鈦鋁/鎳鋁金屬間化合物將替代鈦合金和鎳基高溫合金用于壓氣機轉子葉片、壓氣機整體葉環、發動機低壓軸、壓氣機靜子葉片、機匣、排氣噴管作動筒與調節片的連桿等中溫部件;新一代高溫合金、鎳鋁金屬間化合物、先進熱障涂層和陶瓷基復合材料(CMC)［15～17］逐步替代鎳基高溫合金用于燃燒室、渦輪、加力燃燒室與噴管等高溫部件。這將使戰斗機發動機的推重比明顯增大。表1示出了這些先進材料相對被其替代材料的優勢。

表1 先進材料相對被其替代材料的優勢Table 1 Advantages on advanced materials compared to the original materials

據GEAE公司報道，TF39發動機采用了386個樹脂基復合材料零件，總質量為84.4kg，占發動機總質量的3%，替代了122.6kg的金屬零件，零件質量減輕35%，零件費用降低30%;CF6-6和CF6-50發動機采用了285個樹脂基復合材料零件，總質量為127.1kg，占發動機總質量的4%，替代了181.6kg的金屬零件，零件質量減輕35%，零件費用降低30%。之后研制的發動機，如GEAE公司的F404、F414增推、F110-GE-132、F136等軍用發動機和GE90-115B、GENX等民用發動機，PW公司的F119、F135等軍用發動機和PW4084、PW4168、PW8000等民用發動機，SNECMA公司的M88軍用發動機，RR公司的 TRENT700、TRENT800、TRENT900、TRENT 1000等民用發動機，采用了更多的樹脂基復合材料零件。在IHPTET研究計劃中，AFR700B基復合材料用于制造驗證機支板，并進行了驗證，將應用于F136發動機上;對由AFR700B基復合材料制造的IHPTET研究計劃驗證機外涵機匣等靜止部件進行了驗證，并準備用于F119發動機上。

鈦基復合材料在壓氣機靜子/轉子葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、尾部結構和作動桿等零部件上的應用研究已經取得重大進展，并已經在F414增推型、F100改進型、聯合渦輪先進燃氣發生器(JTAGG)驗證機上進行了試驗驗證。

2.2 耐溫能力增強

提高溫度是增大戰斗機發動機推重比非常重要的措施，而其最直接且有效的途徑就是采用耐更高溫度的材料、熱障涂層和散熱性好的結構。

戰斗機發動機用材呈現2個發展趨勢:(1)現有材料向更耐高溫度發展;(2)更耐高溫度的新材料取代現有材料。

渦輪葉片用單晶高溫合金［13，14］已經從20世紀80年代初PW公司成功研制的第1代單晶高溫合金—PW1480發展到第5代，平均換代時間為5年左右;每代耐溫能力提高接近30℃(每年提高大約6℃)，每代的蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性等都得到了不同程度的提高。

渦輪盤用粉末合金，已由1972年PW公司成功開發的第1代鎳基粉末高溫合金—IN100發展到第3 代(Alloy 10，ME3，LSHR，NR3)，耐溫能力由650℃提高到750℃以上;抗拉強度比第2代高，比第1代略低;但裂紋擴展速率較第2代更低。

高溫部件的熱障涂層［15～17］于20世紀50年代成功地應用于戰斗機發動機燃燒室上。20世紀80年代初，等離子噴涂熱障涂層PWA264成功地應用在JT9D戰斗機發動機渦輪葉片上;20世紀80年代中后期以來，已經廣泛地應用在戰斗機發動機高溫部件上。目前，已經發展了隔熱效果達到167℃的第4代陶瓷熱障涂層與環境障涂層，更高效的第5代納米熱障涂層也正在研制。

陶瓷基復合材料［10，12］具有低密度、耐高溫、耐腐蝕和耐燒蝕等優點，是戰斗機發動機燃燒室/加力燃燒室火焰筒、渦輪轉子/靜子葉片、加力燃燒室火焰穩定器、排氣噴管調節片等部件的極好候選材料。目前，GEAE、SNECMA、PW、RR 等公司集中研究具有二維或三維纖維增強的陶瓷基復合材料，如金屬纖維增強的陶瓷基復合材料、碳纖維增強的陶瓷基復合材料和陶瓷纖維或晶須增強的陶瓷基復合材料，其中SNECMA公司已將其應用于M53和M88發動機上。耐溫1370℃的陶瓷基復合材料，正在中等載荷發動機零件上試驗驗證;近期耐溫1480℃的陶瓷基復合材料將在美國NASA開發和驗證;遠期耐溫1650℃的陶瓷基復合材料將由美國NASA開發和驗證。

碳/碳復合材料［11］具有質量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕等優異性能，是世界戰斗機發動機先進國家為未來戰斗機發動機熱端部件研究和發展的新型高溫結構材料。美國已經將碳/碳復合材料應用于F100發動機的加力燃燒室噴嘴，還計劃將其應用于F119發動機的排氣噴管;法國已經將它應用于M53發動機加力燃燒室的噴油桿、隔熱屏和調節片。目前，人們正在研究和解決其高溫抗氧化性能差的問題。

2.3 材料、工藝與結構設計一體化

材料、工藝和設計研究人員針對特定部件，共同選擇和確定材料與工藝，甚至進行材料選擇、工藝設計與結構設計，使部件達到整體優化。

直到進入20世紀70年代，戰斗機發動機設計與制造商才開始開展材料與工藝的綜合研究。最為典型的就是鎳基高溫合金，通過不斷優化材料組分、增強材料特性開發先進的工藝，如柱晶、單晶、共晶、快速凝固和超單晶等，發展新型鎳基單晶合金和渦輪盤粉末高溫合金，進一步增強材料的特性。

20世紀80年代以來，世界戰斗機發動機設計與制造商對 AFll5，DTP In100，Alloyl0，ME3 以及LSHR等材料進行了單合金雙性能粉末盤研究。PW公司采用雙重熱處理工藝(DTP)制造了Inl00雙性能粉末盤，并成功地應用到F119發動機的高壓/低壓渦輪上。該盤輪緣部分的損傷容限能力提高，適應了榫槽可能出現的微裂紋;輪轂部分的強度提高，滿足了高強度和低循環疲勞的要求。在IHPTET研究計劃下，PW公司將AF2-1DA粉末合金進行熱等靜壓、擠壓制坯和超塑性鍛造，制成盤件，再進行真空定向熱處理;采取控制溫度梯度的方法，在輪緣和輪轂部分獲得不同的晶粒度和性能。

20世紀90年代，世界戰斗機發動機設計與制造商開始進行雙合金粉末盤和雙合金整體渦輪的研究。美國TRW公司和GE公司采用熱等靜壓預成形工藝，制造了AF115/Rene95雙合金粉末渦輪盤，并在IHPTET研究計劃第2階段的JTDE驗證機上驗證了“抗蠕變和抗疲勞特性較當時(2002年)材料提高167℃，輪緣工作溫度達到816℃”的特性。俄羅斯采用熱等靜壓擴散連接工藝，制造了雙合金粉末合金渦輪盤。日本從氣體霧化粉末開始，采用熱等靜壓成形和超塑性鍛造技術，制造了由TMP-3輪轂/AFll5輪緣構成的雙合金渦輪盤。美國在IHPTET研究計劃下，還驗證了將CMSX-4單晶葉片與NF3粉末盤相連接的整體渦輪和將Lamilloy單晶葉片與粉末合金盤連接的XTC16/1A核心機整體渦輪。

特別是在復合材料的開發與制造過程中，世界戰斗機發動機設計與制造商將結構設計工程師、材料人員與工藝人員等組成一體化小組，在設計之初進行全面合作，使構件的功能特性、材料的組分比例與取向的選擇和確定、制件的成形與加工過程、制件的形狀和質量實現了真正的融合，使部件的綜合性能實現了整體優化。例如:樹脂基復合材料風扇葉片/進口機匣、金屬基復合材料整體葉環、陶瓷基復合材料火焰筒/渦輪葉片/噴管調節片等部件已經陸續開發成功，并成功地在戰斗機發動機上應用。

3 結論

戰斗機發動機先進材料向密度更低、強度更高、耐溫能力更好、材料/工藝/設計全面一體化的方向發展，并促進發動機研制向推重比更高、機動性更好、可靠性更高、壽命更長等方向發展。

［1］Headquarters Air Force Material Command，Directorate of Science and Technology.FY97 Materials and Processes Technology Area Plan［R］.Ohio:Wright Patterson AFB.1997.

［2］AirForceResearch Laboratory. FY98 Materialsand Processes Technology Area Plan［R］.Ohio:Wright Patterson AFB.1997.

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