1 航空發動機關鍵材料技術的發展現狀與趨勢

航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，在各類武器裝備中，航空發動機對材料和制造技術的依存度最為突出，航空發動機高轉速、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。材料和工藝技術的發展促進了發動機更新換代，如：

第一、二代發動機的主要結構件均為金屬材料，第三代發動機開始應用復合材料及先進的工藝技術，第四代發動機廣泛應用復合材料及先進的工藝技術，充分體現了一代新材料、一代新型發動機的特點。

在航空發動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關鍵。從總體上看，航空發動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發展，航空發動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發展，發動機性能的改進一半靠材料。

據預測，新材料、新工藝和新結構對推重比12~15一級發動機的貢獻率將達到50%以上，從未來發展來看，甚至可占約2/3。因此，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，使發動機質量不斷減輕，發動機的效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高，可以說沒有先進的材料和制造技術就沒有更先進的航空發動機。

正是由于不斷提高的航空發動機性能對發動機材料與制造技術提出了更高的要求，各航空發達國家都投入了大量人力、物力和財力，對航空發動機用的材料與制造技術進行全面、深入的研究，取得了豐碩的成果，滿足了先進發動機的技術要求。從國外航空發動機材料與制造技術的發展情況來看，加強材料與制造技術工程化研究是縮短發動機研制周期、減少應用風險、增加研制投入產出比最有效的途徑之一。

因此從20世紀70年代至今，航空發達國家安排了一系列的發動機材料和制造技術工程化研究計劃，規劃了整個材料和制造技術領域的發展方向，為各種先進軍、民用發動機提供了堅實的技術基礎。如美國綜合高性能發動機技術(IHPTET)計劃、下一代制造技術計劃(NG-MTI)，美國空軍復合材料經濟可承受性計劃(CAI)等（見表1)。

通過這些國家層面的大型研究計劃，大大推動了一批新材料和新工藝在發動機上的應用，使得材料耐溫、強度水平不斷提高，滿足了部件的承溫承載要求；高可靠性輕量化結構和精密、高效、低成本制造技術迅速發展和應用，滿足了發動機新型整體結構的設計要求，使得發動機部件重量越來越輕；先進涂層技術和特種制造技術得到了廣泛應用，大大縮短了發動機研制周期、使得新型航空發動機的性能不斷提升。

2 先進航空發動機對材料技術的需求

先進航空發動機主要指第四代和新一代更高推重比／功重比的軍用渦扇／渦軸發動機，以及新一代干線客機用大涵道比渦扇發動機，這類先進發動機除具有更高的性能指標外，還要全面滿足可靠性、安全性、經濟性、適航性、環保性等要求，對材料和工藝提出了新的發展需求，主要包括：

(1)風扇和壓氣機

鈦合金／高溫合金雙性能（精鍛＋高速銑＋線性摩擦焊）整體葉盤，整體葉環（碳纖維樹脂固化環冠箍或SiC纖維增強鈦基復合材料），寬弦或小展弦空心掠形葉片（鈦合金超塑成形／擴散連接(SPF/DB)+線性摩擦焊），風扇／壓氣機軸和軸頸采用SiC纖維鈦基復合材料，整流葉片及機匣采用阻燃鈦或Ti2AlNb合金，風扇和壓氣機機匣采用增強纖維三維編織(OPC)技術，AlloyC阻燃鈦合金壓氣機機匣，有機復合材料機匣等。

(2)燃燒室

耐溫1450~1650℃的陶瓷基復合材料(CMCs)或MA956合金瓦片浮壁燃燒室，Lamilloy多孔層板火焰筒，抗氧化C/C復合材料或MA956合金Lamilloy多孔層板加力襯筒，精鑄γ-TiAl+HIP多通道擴壓器，Ti2AlNb合金或其復合材料燃燒室機匣等。

(3)渦輪

Rene88DT/N18渦輪盤，CMSX-4G/PWA1484+熱障涂層(TBCs)渦輪葉片，渦輪動葉和導葉采用熱障涂層，渦輪動葉采用單晶對開葉片或雙層壁發汗冷卻鑄冷葉片，導葉采用陶瓷基復合材料(CMCs)或NiAl,MA956多孔層板高效冷卻雙葉片，雙腹板盤、雙結構盤或輻條式盤雙性能粉末渦輪盤或含Nb的TiAl合金或SiC纖維增強金屬基復合材料(MMC),渦輪機匣采用超純高溫合金或Ti2AlNb合金或其復合材料，低壓渦輪軸采用SiC長纖維鈦基復合材料（比IN718軸減重30%、比鈦軸剛性增加40%)等。

(4)加力／噴管／機械系統

蜂窩或多孔層板結構鈦合金加力筒體，MA956合金多孔層板隔熱屏，陶瓷基復合材料或C/C復合材料噴管調節片／密封片，Ti2AlNb合金(SPF/DB)調節片支撐結構，高強高韌不銹鋼＋表面強化齒輪和軸承，潤滑系統為-50~220/250℃低揮發、高潤滑油（氟硅油），指尖＋刷封＋蜂窩低、中、高溫封嚴裝置，密封件為-50~350℃氟醚橡膠或金屬橡膠等。

(5)其他

特種涂層技術：熱障涂層(TBCs),抗氧化高溫涂層，低、中、高溫硬質、輕質封嚴涂層，低、中、高溫硬質、輕質耐磨涂層，鈦合金防應力腐蝕、抗沖刷涂層和隱身涂層等。

各類表面強化和光飾技術：激光沖擊強化，全方位離子注入，雙輝表面改性，磨粒流和超聲或振動光飾技術等。

高能焊接技術：電子束、離子束、激光、輝光和摩擦焊等。

3 幾點思考和建議

新中國建立以來，隨著我國航空發動機研制過程的開展，對于配套的材料研制和制造技術也進行了大量的型號攻關工作，先后完成了鋁合金、鈦合金、高強度鋼、鎳基高溫合金、樹脂基復合材料、各種涂層材料、非金屬材料等數百種材料仿制、研制，制定了一千余份材料和工藝標準，形成了航空發動機材料和制造技術生產能力。但由于種種原因，材料和制造技術仍是制約我國航空發動機發展的重要因素之一，應找準問題、統籌規劃、協調發展、重點突破。

對此，我有以下幾點看法和建議：

(1)進一步提高現役發動機關鍵材料的質量穩定性和工藝成熟度

國產現役航空發動機都是多年前仿制國外或自行研制和改進改型的發動機，經過較長時間的使用，迫切需要進一步延長使用壽命，保證我國空軍的戰斗力。

這些發動機采用的主要材料和制造技術，由于其研制時的認識和經費的限制，對材料和制造技術工程化的深入研究不夠，在發動機服役過程中，材料和制造技術的技術質量問題時有發生，如材料質量不穩定引起性能波動、工藝成熟度不高造成零件合格率較低、設計用材料性能數據缺失等，給定壽、延壽及排故工作帶來一些障礙，甚至嚴重影響了部隊的作戰訓練。

(2)進一步加強新研和在研材料的工程化應用研究和驗證

國外研究的經驗和國內研制的實踐表明：工程化應用研究是新材料與制造技術提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不經過工程化應用研究，材料與制造技術存在的各種問題就難以得到充分暴露，從而為后面的型號研制帶來很大的風險，甚至嚴重拖延型號的研制進度，大幅增加研制成本。

特別是部分已有預研成果的項目，由于缺乏工程化應用研究驗證，難以被發動機設計所選用，導致部分成熟發動機發展后勁不足、在研發動機研制缺乏有力的技術支持、新研發動機技術儲備不夠，部分型號無法按照節點完成研制任務。這些都需要通過新材料的工程化應用研究，盡快突破新材料、新結構的制造技術，穩定制造工藝流程和質量，提高技術成熟度。

(3)梳理材料體系，優選品種，完善數據，建立完善我國自主研制的發動機材料譜系和試驗數據庫

由于歷史原因，我國航空發動機材料重復仿制現象較嚴重，造成材料牌號多、生產批量少、材料標準兼容性差、材料性能數據不全且分散度較大等問題，如：提供給設計使用的數據有缺項；工業生產條件下毛坯的性能數據不足，數據的可信度不高；與制造技術相關聯的材料性能數據更顯不足等。有必要下大決心，進一步梳理材料體系，優選品種，完善數據，建立完善我國自主研制發動機必不可少的材料譜系和試驗數據庫。

(4)大力加強發動機用高性能復合材料的研究和驗證

復合材料構件具有材料／結構／制造一體化特征，是先進發動機突破輕量化和整體化的關鍵途徑之一。其中纖維增強樹脂基復合材料、纖維增強鈦基復合材料、纖維增強陶瓷基復合材料分別是支撐未來先進發動機低溫部件、中溫部件和高溫部件的三大關鍵新型材料。我國復合材料研究起步較晚，目前存在的主要問題有：缺乏復合材料構件一體化設計方法；對復合材料的損傷失效模式認識不清，尚未完全建立復合材料構件的設計準則；缺乏復合材料構件的驗證考核方法等。

(5)重視民用航空發動機材料的適航取證研究工作

在民用航空發動機用材料方面，我國現有發動機產品系列不全，適航取證經驗缺乏，大涵道比渦扇發動機和長壽命航改燃機剛剛起步，長壽命、高可靠性發動機材料和制造技術工程化應用研究還是空白，與型號的迫切需求還存在明顯的差距。需要在民用航空發動機材料的適航取證方面進行補課，盡快開展相關研究工作。