航空發動機材料及工藝發展淺析

■ 劉巧沐 / 中國航發渦輪院 李園春 / 中國航發

航空發動機對材料、工藝有著極其嚴苛的要求。材料、工藝在某種程度上決定了發動機的性能和特性。發動機推重比的提高將更加依賴輕質、高強韌、耐高溫的戰略型、革命性先進材料及工藝。

航空發動機是人類有史以來最復雜、最精密的工業產品之一，集成了空氣動力學、結構強度、材料、工藝等相關專業的最高成就。經過幾代人的努力，我國已具備自主研制先進軍用航空發動機的能力[1]。為進一步提高發動機推重比以滿足作戰平臺的需求，必須大量采用輕質、高強韌、耐高溫的先進材料、工藝和結構布局[1-3]。

新材料和工藝需求對體系發展帶來挑戰與機遇

隨著先進航空發動機性能參數的提升，對新型高強鈦合金/鈦鋁（TiAl）系合金/變形高溫合金及其復合材料、新型鎳基/鎳鋁（Ni3Al）系單晶合金和粉末合金、鈮-硅（Nb-Si）系合金、高熵合金、碳化硅陶瓷基復合材料（CMC-SiC）、樹脂基復合材料（PMC）等新型結構材料的需求愈發迫切，也對我國材料及工藝體系提出了更高要求。

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）系合金伴隨著發動機輕質化需求而不斷發展。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650～950℃[4]，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，隨著發動機各截面工作溫度的提高，還需發展更耐溫、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、性能匹配控制及優化等關鍵技術，研制及應用水平基本實現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，重點突破了材料設計、制備工藝、組織優化與控制、塑韌性提高等關鍵技術，研發出多個代表性合金，但還需要深化研究高強韌性組織匹配、低塑韌性材料應用設計等技術，拓展其應用。隨著合金設計方法的進步、鑄-鍛設備及工藝的發展，多種新型變形高溫合金成功獲得應用，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、均勻變形等技術瓶頸，實現組織性能均勻穩定，實現性能、效率與成本的綜合平衡，加速研發和應用，為未來更高性能變形高溫合金的自主研發奠定基礎。

目前，冷端轉子采用整體葉盤結構的應用已趨設計極限，而整體葉環集先進結構、材料于一體，綜合性能優異且可實現輕量化，是下一代發動機輕質化轉子的標志性選擇。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（如圖1所示）、渦輪軸等試驗件，并進行了考核，輕質效果顯著[5]。據預測，未來發動機用材中Ti-MMC約占30%，TiAl-MMC約占15%。

圖1 羅羅公司研制的Ti-MMC整體葉環[5]

我國自20世紀90年代開始Ti-MMC及其構件研制，迄今先后突破了高性能單絲SiC纖維批產、高品質先驅絲制備、構件成形等關鍵技術，打通了Ti-MMC整體葉環一體化制造技術路線，但還需強化增強環芯形性控制、殘余應力調控等技術研究，充分發揮Ti-MMC的優勢。

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%。自普惠公司發明世界上第一個單晶合金PW1480至今，業界成功開發了多代鎳基、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用[6]。但隨著發動機發展，現用單晶合金受耐溫能力及鑄造工藝性限制，應用已趨于極限，急需發展初熔溫度更高、組織性能更優、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用以來，粉末合金渦輪盤已在多型發動機上累計安全工作數千萬小時，粉末合金已成為先進航空發動機渦輪盤的首選材料。業界已開發出服役溫度更高、綜合性能更優的高代次粉末合金，并根據渦輪盤不同部位對性能的側重，發展出雙性能/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，目前正在開發第三代、第四代粉末合金，但隨著發動機發展，還需在高品質粉末、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。

碳化硅陶瓷基復合材料

CMC-SiC兼具金屬材料、陶瓷材料和碳材料的優點，具有材料結構一體化和多尺度特征，綜合性能優異，是目前應用最成功的輕質高溫結構復合材料[7-9]，可用于發動機燃燒、渦輪和噴管等熱端部件（如圖2所示），被普遍視為發動機高溫結構材料的技術制高點。從20世紀90年代至今，歐美以第三代和第四代航空發動機為演示驗證平臺，逐步暴露材料、工藝和制造問題，建立對CMC-SiC構件的應用信心及極限壽命的認知，逐漸將CMC-SiC應用于先進發動機。噴管調節片/密封片、燃燒室火焰筒及內/外環等已完成全生命周期驗證并進入應用或批產階段，渦輪葉片等尚處于驗證階段[9]。

圖2 CMC-SiC在航空發動機中的應用[8-9]

迄今，我國CMC-SiC構件的研制與應用可分為3個階段。前兩個階段，初步驗證了可行性和可用性，形成了一定的技術儲備；現階段主要針對發動機多類構件需求進行典型件研制與應用研究。總體而言，國內基本突破了SiC纖維及其復合材料制備技術，初步完成了典型件設計、制備與考核，但針對不同部位CMC-SiC構件的制備技術路徑尚無定論，還需打破現有按原金屬結構設計和試制的模式，從全技術鏈路建立面向材料、工藝和制造的協同設計方法，突破結構、強度、冷卻、連接設計，以及低成本構件成形與加工、全生命周期檢測、評估與驗證等關鍵技術。

樹脂基復合材料

樹脂基復合材料（PMC）密度低，比強度和比模量高，可設計性強，用于發動機進氣機匣、外涵道機匣、風扇葉片/機匣等冷端部件可減質20%～40%，是發動機冷端部件先進性的重要實現手段。國際領先公司目前已將PMC廣泛用于發動機冷端和外部部件，并大規模實現了第一代和第二代碳纖維增強PMC的應用，尤其是PMC外涵機匣大多已進入工程生產階段，技術成熟度達到9級。目前，正在開展耐溫400℃及以上材料研究。

我國已開展了大量PMC構件的驗證工作，技術成熟度高于CMCSiC構件，但較領先水平仍存在差距，需突破耐溫或/和耐濕型PMC開發、高溫模具、構件設計與制造一體化、大型復雜構件成形、缺陷檢測與評估等關鍵技術，還需提高國產化關鍵生產裝備工藝能力及配套軟件技術，解決成本過高等問題。

航空發動機材料及工藝體系存在的問題與不足

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

表1 渦扇發動機典型材料和工藝

我國航空工業自20世紀50年代建立以來，便開始引進蘇聯航空產品，70年代又開始引進英、法、美等國航空產品，共生產了60余種型號、數萬架飛機和30余種型號、數萬臺發動機，發動機材料、工藝技術歷經引進、仿制、研仿到自主研制的發展歷程。迄今，我國基本建立起完備的材料工藝體系，建成多個發動機材料、工藝研制與生產基地，也成為具有完整高溫合金體系的四個國家之一。然而，大量的引進和仿制導致我國同代次、同水平發動機材料多國牌號并存，使有限的支持碎片化，限制了材料的研制和發展，制約了選材的標準化、通用化、繼承性及經濟性。

我國雖已能生產航空發動機用全部門類材料，但要實現未來先進航空發動機研制的自主保障，還需對我國航空發動機材料、工藝現狀進行梳理、分析和歸納，為應對新材料、新工藝需求提出的挑戰，還需解決以下幾個方面的問題和不足：未完全建立起科學統籌的基礎預研科技管理體系；未完全構建起我國特色的航空發動機主干材料體系；未真正實現設計與材料、制造的協同；無統一的性能數據庫，缺乏高可靠統計許用值；無統一、適用、通用的標準體系；不注重全供應鏈管理，產品穩定性、可靠性差；缺乏新材料、新工藝技術快速迭代機制；未明顯突破返回料利用，全流程成本偏高。

關于材料及工藝發展的思考與建議

針對上述材料及工藝發展中存在的問題與不足，從理念、布局、機制和標準體系的角度提出如下思考和建議。

建立面向材料—制造一體化設計的“新理念”

構建設計、材料、制造協同融合的研發流程，發展面向材料、制造的設計。充分利用預研形成的先進集成平臺，將其提升改造為新材料、新工藝專用驗證平臺，解決驗證資源問題。加強材料的“積木式”驗證和遞進式評價[10]，結合高精度與高置信度仿真技術[11]，面向全生命周期開展迭代與改進。

開展統籌全技術體系的“新布局”

系統梳理發動機材料、工藝技術樹，建立完整的技術體系，貫徹技術與產品開發異步、規劃互鎖的理念，科學全面、統籌精準制訂中長期發展專項規劃，制定技術地圖，集中投入，梯次發展，有序銜接。對標國際領先水平，梳理形成“卡脖子”技術清單，精準識別和瞄準當前技術短板、堵點和痛點，突破一批長期未有效解決的關鍵核心技術。

構建舉國協同、融合創新的科技管理“新機制”

面向發展重大需求，通過部委協同，加強政策供給的繼承性、聯動性、集成性；發揮行業主體作用，強化需求牽引，加強產學研用協同和軍民深度融合。兼顧不同利益訴求，形成各主體、各環節高效協同、深度融合的創新體系和利益共同體。由小團隊研發向產學研用多學科交叉團隊轉變，強化從規劃論證、項目生成、攻關研究、考核評價、成果應用的“一條龍”高效項目模式，促進成果集成開發和轉化應用，打通管理鏈路和創新鏈路。變革科技管理思想，既要“放”“管”“服”，也要“精”“細”“控”，建立切實有效的知識產權特別是國防知識產權的轉移、轉讓、交易機制，創新科技激勵機制，合理解決從研發到產業發展各環節的投入、貢獻和利益分配問題，充分調動各方積極性。

完善性能數據與標準的“新體系”

開展材料、工藝性能數據設計許用值統一管理，從全技術鏈、全產業鏈角度嚴控生產過程和質量細節，確保性能數據真實、可靠，盡快打造完成中國版標準化數據手冊。以研發流程為牽引，從使用者角度，統一標準架構，豐富技術要素，整合、建立、完善全行業標準體系。構建行業統一的考核評價和數據管理平臺。

結束語

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

（劉巧沐，中國航發渦輪院，研究員，主要從事航空發動機材料、工藝應用研究）