軍用渦軸發動機材料技術及發展趨勢

何建 唐湘林 唐小天 吳學深 李俊霖 葉飛

摘要：本文分析了現役渦軸發動機的主要材料技術及其特點、發展過程和生產工藝，包括單晶葉片、熱障涂層、粉末高溫合金和增材制造技術等，根據當前軍用直升機的需求，介紹了軍用渦軸發動機材料技術未來的發展趨勢。

關鍵詞：渦軸；航空發動機；材料技術；發展趨勢

渦軸發動機屬于航空燃氣渦輪發動機的主要種類之一，是直升機或旋翼無人機的動力裝置，為其旋翼提供扭矩，廣泛運用于軍用領域。渦軸發動機的核心機與渦扇、渦噴、渦槳發動機一致，由壓氣機、燃燒室和渦輪構成，不同之處在于渦軸發動機通過自由渦輪將高溫燃氣的熱能轉化為機械能，產生扭矩，驅動旋翼轉動。

軍用渦軸發動機對高功重比、高可靠性、高耐久性和低油耗率有著極致的追求。各國工程師圍繞其結構、材料和工藝進行精益求精的探索，發現航空渦軸發動機的性能改進一半依靠材料技術，從未來趨勢看，甚至會達到三分之二。當前，材料技術已經成為了渦軸發動機性能提升的關鍵之一[ 1 ]。

一、軍用渦軸發動機主要材料技術

隨著渦軸發動機對性能要求的不斷提升，功重比和渦輪前溫度持續升高[ 2 ]，對發動機材料是一個極大的考驗。

1.單晶空心葉片

單晶空心葉片具有優良的抗高溫、抗蠕變、抗熱疲勞、抗氧化以及抗腐蝕性能，在渦軸發動機上廣泛應用。與其他葉片顯著的不同之處在于單晶葉片只保留一顆晶粒，消除了多晶葉片存在的缺陷，提升了葉片基體性能，葉片孔洞結構可以通過引低溫氣體對葉片表面進行高效冷卻。

葉片材料經歷了鍛造高溫合金、普通鑄造等軸晶高溫合金、定向凝固高溫合金和單晶高溫合金等四個階段，材料性能不斷提升，每個階段材料組織差異顯著，單晶合金組織結構優異。單晶合金首次應用于20世紀80年代，普惠公司研制的PW1480合金是第一代單晶合金的典型代表。各國工程師通過調整成分配比，添加錸、鈷、鉭、鎢、鉬、釕等多種難熔元素，使其合金性能不斷提升。當前美國已研制出第四代單晶合金，新一代單晶合金工作溫度比上一代提升約30～40℃。

先進單晶葉片的生產，工業上通常采用在定向凝固技術的基礎上，加上選晶技術或籽晶技術。通過定向凝固技術可控制晶體生長取向，選取平行于主應力軸<001>取向的晶粒，可獲得具有更好綜合性能的定向單晶葉片。如圖1所示，選晶技術即在定向凝固技術的裝置下加裝螺旋選晶器。

2.熱障涂層

熱障涂層技術是一種熱防護手段，在提高耐溫能力和延長熱端部件壽命方面效果顯著，已成為高性能發動機研制的關鍵技術之一。

熱障涂層是將具有耐高溫、耐腐蝕、低導熱率的陶瓷材料覆蓋在熱端部件的基體表面，從而在一定程度上減少燃氣溫度向基體擴散，降低基體的工作溫度，延長基體工作壽命。當前熱障涂層主要有三種結構類型[3]，包括雙層結構、多層結構和梯度結構。

工業制備陶瓷層的典型工藝有等離子噴涂和電子束物理氣相沉積，工業制備粘結層的主要制備工藝有真空電弧離子鍍、低壓等離子噴涂、化學氣相沉積[4]。羅羅公司應用等離子噴涂熱障涂層技術研發出第1代熱障涂層，該涂層可使基體溫度下降50℃，零部件壽命增長近1倍。當前，普惠公司已研發出第3代技術PWA266涂層，其陶瓷材料采用ZrO2-7Y2O3。

3.粉末高溫合金

渦軸發動機的渦輪盤等熱端部件屬于發動機工作環境最惡劣的部位。渦輪盤既承受著高溫高壓環境，也承受著徑向載荷和橫向載荷。

歐美制造商先后研制出4代粉末高溫合金[5]。前3代分別是高強型、損傷容限型、高強度損傷容限型，第1代耐溫可達650℃，第2代和第3代分別比上一代提高約100℃。第4代是通過優化工藝、精細調控成分，使其能獲得更好的高溫性能。

粉末高溫合金的工藝主要包括粉末制備、粉末熱固結成型、熱處理等流程。

（1）粉末制造主要有氬氣氣霧法制粉和等離子旋轉電極法制粉等兩種方法，其中氬氣氣霧法的粉末顆粒度更細，制坯后組織更均勻，夾雜物更少。典型氣霧法制粉的設備根據功能可分為熔煉系統、真空系統、氣源系統、霧化系統和粉末收集系統。

母合金在真空熔煉爐中加熱至熔融狀態；在重力和霧化氣流的吸力作用下，通過導流管進入霧化室，在導流管的末端，受到高速氣流的剪切力影響，克服表面張力形成毫米級或微米級的熔滴，熔滴在氣流、重力、慣性等影響下在霧化室內分散飛行，與氣流發生強烈的熱交換后，快速凝固為不同粒徑的粉末顆粒，再通過粉末收集系統，分級收集。

（2）粉末熱固結成型工藝主要采用熱等靜壓成型、真空熱壓成型和熱擠壓等工藝。熱等靜壓工藝應用最廣泛，在高溫和高壓的條件，促使材料致密化和元素擴散，從而減少缺陷提高整體力學性能。

（3）熱處理工藝主要是固溶和時效兩種。固溶處理使合金中各種分布不均的析出相充分溶解至基體中。時效處理使高溫合金的強化相均勻地析出，實現析出強化，提高合金的綜合性能。

4.增材制造技術

增材制造是一種變革性的材料制備技術，可以實現一體化成型，顯著提高生產效率、降低制造成本。目前該技術在渦軸發動機的工藝上已有運用，包括鑄造型芯和樹脂模的快速打印、直接成型部分零部件以及大型復雜構建的修復。

當前主要的工藝有光固化立體成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、激光直接沉積（LMD）、選區激光熔化（SLM）、電子束選區激光熔化（EBM）。通用公司利用選區激光熔化技術，對航空發動機燃油噴嘴開展試制，相比于通過傳統鍛造、機加工及焊接等工藝，增材制造技術可以減少大量的零件焊接組裝工序。

二、軍用渦軸發動機材料技術的發展趨勢

未來軍用直升機需要具備更高的機動性、更高的可靠性、更高的安全性、更好的維修性以及更遠的續航能力。軍用渦軸發動機必須將功重比增加、油耗率降低，可靠性、安全性、維修性同步增強。材料將朝著質量更輕、性能更強、工藝性更好以及一體化成型等趨勢發展。

1.先進復合材料

復合材料是未來渦軸發動機使用的趨勢。未來渦軸發動機上將有30%的材料使用復合材料，甚至高達50%。復合材料可以結合兩種或多種材料的優勢，通過工藝優化后，使其達到所需要的最佳性能。

先進陶瓷基復合材料是高溫部件的優良材料，其強度是傳統鎳基合金的兩倍，但密度只有鎳基合金的1/3，具有更好的耐高溫、耐腐蝕性能。如新型碳化硅陶瓷纖維，具有密度小、可以承受1315℃高溫的特點，是未來燃燒室、導向葉片、工作葉片的選材方向。

樹脂基復合材料是冷端部件的重要結構材料，其相比于傳統的金屬基復合材料，具有明顯的輕量化和可設計性優勢。如樹脂基復合材料葉片可比金屬基葉片減重10%～15%，通過設計可達到更高效的氣動外形，具備更好的進氣效率。通過調整材料成分和工藝，可使樹脂基復合材料的結構強度、耐溫能力進一步優化。

碳纖維增強碳基復合材料是碳基復合材料的代表，也是現階段研究最多的一種耐高溫材料，其具有熱穩定性和熱傳導性好的優點。在歐美先進渦扇發動機上已有試驗，未來一定有更廣泛的應用。

2.先進增材制造技術

先進增材制造技術是實現一體化高效成型的顛覆性技術。目前增材制造技術在很多方面還存在局限性，一些指標不能完全滿足渦軸發動機的需求。

增材制造技術將朝著以下方向發展。第一，提升工藝技術，突破技術瓶頸。工藝優化后，增材制造逐步應用到關重件、復雜件的一體成型工藝。其二，加強對新材料的研發和現有原材料的改進，包括高分子材料、金屬粉末材料和陶瓷材料，如金屬粉末的顆粒度、均勻性和純度等都是關鍵要素。其三，建立材料特性及成型工藝標準體系。 其四，與傳統制造技術融合，實現混合加工，將雙方的優勢進行互補。第五，與拓撲優化等創新技術融合，形成設計到制造的閉環，可以在成型前通過拓撲優化使產品進一步輕量化以及提高性能。

三、結語

材料技術是航空發動機的關鍵要素。當前，單晶空心葉片、熱障涂層、粉末高溫合金和增材制造技術為渦軸發動機的發展提供了關鍵動力。未來，先進復合材料和先進增材制造技術將為下一代渦軸發動機提供有力支撐。

參考文獻：

[1]蔡建兵，吳施志.渦軸發動機技術發展[J].航空動力，2018（5）：37-39.

[2]鄒望之，鄭新前.航空渦軸發動機發展趨勢[J].航空動力學報，2019，34（12）：2577-2588.

[3]倪嘉，史昆，薛松海，等.航空發動機用熱障涂層陶瓷材料的發展現狀及展望[J].材料導報，2021（A1）：163-168.

[4]彭睿，常振東，孫莉莉.航空發動機新型熱障涂層研究進展[J].航空工程進展，2020，11（3）：308-305.

[5]張國慶，張義文，鄭亮，等.航空發動機用粉末高溫合金及制備技術研究進展[J].航金屬學報，2019（9）：1133-2544.

（作者單位：陸軍裝備部駐株洲地區航空軍事代表室）