航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展以材料和制造工藝技術(shù)的進(jìn)步為基礎(chǔ)，并且對(duì)新材料、新工藝的依賴性將越來越大。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長(zhǎng)壽命、高可靠性的工作要求，把對(duì)材料和制造技術(shù)的要求逼到了極限。未來先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，材料和制造技術(shù)的貢獻(xiàn)將占到50％~70％。

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)向著輕量化、整體化、復(fù)合化的方向發(fā)展；材料向著高溫、高強(qiáng)、低密度的方向發(fā)展；新工藝技術(shù)不斷涌現(xiàn)，向優(yōu)質(zhì)、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(jié)構(gòu)由實(shí)心發(fā)展到空心簡(jiǎn)單冷卻、復(fù)合氣膜冷卻、雙層壁超級(jí)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(hù)下，已經(jīng)滿足了推比10發(fā)動(dòng)機(jī)F119-PW-100的渦輪前溫度和循環(huán)壽命的要求，并可能通過進(jìn)一步優(yōu)化葉片的冷卻結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于更大推比的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)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(yīng)用于第三代、第四代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)；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(dòng)機(jī)。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(bào)道，René104合金的熱時(shí)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(dòng)機(jī)得到了應(yīng)用，并在空客A380、波音787等大型客機(jī)上獲得應(yīng)用。

    風(fēng)扇和壓氣機(jī)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(dòng)機(jī)鈦合金用量約占30％；第四代發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)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(dòng)機(jī)F119和EJ200上，風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)，減輕重量30％；壓氣機(jī)和渦輪整體葉盤或整體葉輪結(jié)構(gòu)在第二代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已開始采用。其制造方法包括：電子束焊接、超塑成形擴(kuò)散焊接、線性摩擦焊接、五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工或電解加工、“鍛接法”及熱等靜壓等。壓氣機(jī)整體葉環(huán)由于采用復(fù)合材料，葉片直接固定在承力環(huán)上，取消了輪盤，使結(jié)構(gòu)重量減輕70％。

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

    中介機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵承力部件，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的鈦合金整體結(jié)構(gòu)精鑄中介機(jī)匣最大重量100kg左右，最大尺寸1300mm以上，精度達(dá)到CT6~CT7級(jí)；高溫合金渦輪機(jī)匣的整體精密鑄造外廓尺寸達(dá)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(dòng)機(jī)上廣泛采用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕、可靠性大大提高。

    樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料及其構(gòu)件制造技術(shù)是推重比15~20高性能發(fā)動(dòng)機(jī)必須的技術(shù)，美英等國(guó)加大力度支持優(yōu)先發(fā)展。

    樹脂基復(fù)合材料在第三、四代大中型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。RTM工藝被用于第四代發(fā)動(dòng)機(jī)F119進(jìn)氣機(jī)匣、風(fēng)扇出口機(jī)匣等部件。高損傷容限、使用溫度更高的新型樹脂基復(fù)合材料是未來研究的重點(diǎn)。

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

    陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的使用溫度高達(dá)1650℃，而密度為2.4g/cm3，與鋁合金相當(dāng)，已經(jīng)成為高溫材料的發(fā)展重點(diǎn)，噴口魚鱗板已在歐洲第四代EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。

    碳/碳復(fù)合材料工作溫度可達(dá)1500~2000℃，將被用于燃燒室、渦輪葉片等結(jié)構(gòu)件。目前研究的重點(diǎn)是改善其抗氧化特性，其中噴口調(diào)節(jié)片等零件已用于法國(guó)M88發(fā)動(dòng)機(jī)。美國(guó)早在八十年代就在F100發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了碳/碳復(fù)合材料燃燒室和噴管試驗(yàn)，在JTD驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行了渦輪盤及葉片的超轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

    先進(jìn)涂層技術(shù)已在第三代、第四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的隔熱、高溫防護(hù)、耐磨、封嚴(yán)以及鈦合金零件的防微動(dòng)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(shù)在難切削材料加工、復(fù)雜構(gòu)件的型腔、型面、型孔、微小孔、細(xì)微槽及縫的加工中顯示出突出優(yōu)點(diǎn)，解決了常規(guī)加工很難解決的難題。

    特殊材料和結(jié)構(gòu)的特種焊接技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用越來越廣泛。激光快速原型制造技術(shù)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件坯料的直接快速成形、零件修復(fù)等方面，是非常有前景的制造技術(shù)。

    先進(jìn)的材料和制造技術(shù)保證了新材料構(gòu)件及新型結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)重量不斷減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高。（中國(guó)航發(fā)貴陽所 楊升）

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責(zé)任編輯：劉洋

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