航空發(fā)動機技術的發(fā)展以材料和制造工藝技術的進步為基礎，并且對新材料、新工藝的依賴性將越來越大。航空發(fā)動機高轉速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對材料和制造技術的要求逼到了極限。未來先進航空發(fā)動機推重比的提高，材料和制造技術的貢獻將占到50％~70％。

    航空發(fā)動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發(fā)展；材料向著高溫、高強、低密度的方向發(fā)展；新工藝技術不斷涌現(xiàn)，向優(yōu)質、高效、低成本方向發(fā)展。

    整體葉環(huán)

    RR1000雙性能粉末渦輪盤

    渦輪葉片結構由實心發(fā)展到空心簡單冷卻、復合氣膜冷卻、雙層壁超級冷卻；葉片材料工藝由高溫合金等軸晶鑄造發(fā)展為無余量定向柱晶-單晶-金屬間化合物合金精密鑄造。單晶合金渦輪葉片在控制冷卻效果和隔熱涂層防護下，已經(jīng)滿足了推比10發(fā)動機F119-PW-100的渦輪前溫度和循環(huán)壽命的要求，并可能通過進一步優(yōu)化葉片的冷卻結構，應用于更大推比的先進發(fā)動機。渦輪盤由變形高溫合金普通鍛造盤發(fā)展到第一、二、三代粉末高溫合金盤。第一代粉末盤Rene，95，使用溫度為650℃，用于GE公司第三代發(fā)動機如：F404、F110、T700系列等；第二代粉末盤如：Rene，88DT（抗損傷容限型），使用溫度750℃，已逐步替代Rene，95應用于第三代、第四代軍用發(fā)動機；第三代粉末盤使用溫度800℃以上，為雙組織/雙性能渦輪盤，擬用于第五代發(fā)動機。GEAE與PWA聯(lián)合研制的René104（ME3）合金是第三代合金的典型代表，據(jù)報道，René104合金的熱時壽命是第二代粉末高溫合金的20～30倍，該合金已經(jīng)在GP7200等發(fā)動機得到了應用，并在空客A380、波音787等大型客機上獲得應用。

    風扇和壓氣機葉片、盤的材料由鋼發(fā)展到400℃鈦合金、500℃阻燃鈦合金、600℃高溫鈦合金、760℃~800℃TiAl、Ti3Al金屬化合物。第三代發(fā)動機鈦合金用量約占30％；第四代發(fā)動機廣泛應用了阻燃鈦合金和高溫鈦合金，高溫鈦合金逐步取代鎳基高溫合金。

    在第四代發(fā)動機F119和EJ200上，風扇、壓氣機和渦輪采用了整體葉盤結構，減輕重量30％；壓氣機和渦輪整體葉盤或整體葉輪結構在第二代渦軸發(fā)動機已開始采用。其制造方法包括：電子束焊接、超塑成形擴散焊接、線性摩擦焊接、五坐標數(shù)控銑削加工或電解加工、“鍛接法”及熱等靜壓等。壓氣機整體葉環(huán)由于采用復合材料，葉片直接固定在承力環(huán)上，取消了輪盤，使結構重量減輕70％。

    第四代發(fā)動機F119、EJ200采用了寬弦空心風扇葉片，普遍采用真空擴散連接-超塑成型工藝、精密加工和光整工藝。

    中介機匣和渦輪后機匣是發(fā)動機的關鍵承力部件，歐美等發(fā)達國家生產(chǎn)的鈦合金整體結構精鑄中介機匣最大重量100kg左右，最大尺寸1300mm以上，精度達到CT6~CT7級；高溫合金渦輪機匣的整體精密鑄造外廓尺寸達1500mm、最小壁厚0.8mm，缺陷少，性能高，產(chǎn)品合格率高，在第三代發(fā)動機上廣泛采用，結構簡化、重量減輕、可靠性大大提高。

    樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料及其構件制造技術是推重比15~20高性能發(fā)動機必須的技術，美英等國加大力度支持優(yōu)先發(fā)展。

    樹脂基復合材料在第三、四代大中型渦扇發(fā)動機上廣泛應用。RTM工藝被用于第四代發(fā)動機F119進氣機匣、風扇出口機匣等部件。高損傷容限、使用溫度更高的新型樹脂基復合材料是未來研究的重點。

    金屬基（Ti和Al）、金屬間化合物基（TiAl）等復合材料將成為推重比15~20發(fā)動機的結構材料。GE公司采用連續(xù)碳化硅纖維增強的鈦金屬基復合材料通過超塑成形/擴散連接工藝制造出空心風扇葉片。SiC纖維增強的鈦基復合材料工作溫度可達700℃，已用于低壓渦輪軸、鼓筒等發(fā)動機部件，可減輕結構重量的20％~40％。

    陶瓷基復合材料（CMC）的使用溫度高達1650℃，而密度為2.4g/cm3，與鋁合金相當，已經(jīng)成為高溫材料的發(fā)展重點，噴口魚鱗板已在歐洲第四代EJ200發(fā)動機上應用。

    碳/碳復合材料工作溫度可達1500~2000℃，將被用于燃燒室、渦輪葉片等結構件。目前研究的重點是改善其抗氧化特性，其中噴口調節(jié)片等零件已用于法國M88發(fā)動機。美國早在八十年代就在F100發(fā)動機上進行了碳/碳復合材料燃燒室和噴管試驗，在JTD驗證機上進行了渦輪盤及葉片的超轉試驗。

    先進涂層技術已在第三代、第四代航空發(fā)動機關鍵零件的隔熱、高溫防護、耐磨、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面起了重要的作用。

    以高能束流加工為代表的特種加工技術在難切削材料加工、復雜構件的型腔、型面、型孔、微小孔、細微槽及縫的加工中顯示出突出優(yōu)點，解決了常規(guī)加工很難解決的難題。

    特殊材料和結構的特種焊接技術在航空發(fā)動機焊接結構件中的應用越來越廣泛。激光快速原型制造技術在先進航空發(fā)動機復雜零件坯料的直接快速成形、零件修復等方面，是非常有前景的制造技術。

    先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結構的實現(xiàn)，使發(fā)動機重量不斷減輕，發(fā)動機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。（中國航發(fā)貴陽所 楊升）

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責任編輯：劉洋

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