摘要 綜述了航空發(fā)動機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)以及高溫合金在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展過程與研究應(yīng)用現(xiàn) 狀。詳細(xì)對比了DD9、TA29和優(yōu)質(zhì)GH4738合金在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。通過分析指出，高溫合金應(yīng)向著 低成本、高強(qiáng)度、高抗熱腐蝕性、低密度的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞 高溫合金,航空發(fā)動機(jī),TA29,DD9,GH4738

1 引言

航空工業(yè)的發(fā)展主要體現(xiàn)在航空渦輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)、制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)是否達(dá)到先進(jìn)水平，能否生產(chǎn)出先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)體現(xiàn)著國家科技程度、軍事力量和綜合國力。現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)必須滿足超高速、大升限、長航時(shí)、遠(yuǎn)航程的要求，因此，航空渦輪發(fā)動機(jī)推力勢必增大，燃燒室的溫度隨之升高，航空發(fā)動機(jī)的工作性能和可靠性主要取決于其零部件能否有效承受熱沖擊、高溫腐蝕、高熱變和復(fù)雜應(yīng)力。為達(dá)到航空發(fā)動機(jī)在高溫環(huán)境下可靠運(yùn)行的目的，航空零部件大量使用高溫合金制造，以此保證航空發(fā)動機(jī)在高溫工作時(shí)的安全性和各項(xiàng)性能達(dá)標(biāo)。本文主要介紹現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的制造材料、內(nèi)部構(gòu)造及加工特點(diǎn)和高溫合金在航空工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展過程與研究應(yīng)用的現(xiàn)狀，綜合目前國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展近況，對中國航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)高溫合金的發(fā)展提出建議。

2 航空發(fā)動機(jī)制造材料、內(nèi)部構(gòu)造及加工特點(diǎn)

衡量一款先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的性能是否優(yōu)越，其推力和推重比大小是關(guān)鍵之一，因此，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)大量采用輕量化、整體化結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動機(jī)的零部件制造普遍使用高溫鈦合金、鎳基高溫合金等材料，由于航空發(fā)動機(jī)的制造材料和內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的制造工藝難度主要表現(xiàn)在制造材料加工困難、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜、加工精度要求高等方面。

2.1 制造材料加工

航空發(fā)動機(jī)的主要高溫零部件普遍使用高溫鈦合金和其他高溫合金材料制造，這類材料擁有很高的熱硬度、熱強(qiáng)度和動態(tài)切變強(qiáng)度，加工十分困難，加工過程中容易導(dǎo)致刀具與工件產(chǎn)生劇烈磨損，降低工件表面加工質(zhì)量和表面完整性。為保證航空發(fā)動機(jī)工作時(shí)零部件的性能和安全，其核心轉(zhuǎn)子部件通常使用整體鍛造毛坯生產(chǎn)，導(dǎo)致加工過程中材料切除率超過90%。因此，現(xiàn)代航空工業(yè)致力于改善航空發(fā)動機(jī)零部件制造過程中的加工精度、加工工藝和表面完整性。

2.2 內(nèi)部構(gòu)造

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)采用輕量化結(jié)構(gòu)以增加工作效率，其零部件普遍設(shè)計(jì)為復(fù)雜曲面和高效率結(jié)構(gòu)整體，因此航空發(fā)動機(jī)零部件的制造需要更加先進(jìn)的制造工藝和制造設(shè)備。大涵道發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜，以現(xiàn)有的制造工藝與制造設(shè)備無法生產(chǎn)出符合要求的零部件。因此，面對復(fù)雜的零件構(gòu)造，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上應(yīng)積極研究先進(jìn)制造工藝和先進(jìn)制造技術(shù)，提高復(fù)雜航空零部件的制造水平并有效控制制造成本。

2.3 加工精度

航空發(fā)動機(jī)的工作性能和運(yùn)行安全性取決于其零部件的精度，因此航空發(fā)動機(jī)零部件制造要求極高的加工精度。由于航空發(fā)動機(jī)制造材料加工困難、內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，目前的加工工藝無法滿足其高精度制造的要求，導(dǎo)致國產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)零部件一致性差、合格率低等問題，生產(chǎn)工藝的落后極大地阻礙了我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)度。

為了保證先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的推力、推重比以及可靠性，生產(chǎn)過程中普遍采用大量高溫合金，內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，零部件加工精度要求十分苛刻，使得航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)制造需要更加先進(jìn)的制造工藝和設(shè)備。為了達(dá)到新一代航空發(fā)動機(jī)的性能提升、輕量化結(jié)構(gòu)的目的，制造技術(shù)與制造材料起著關(guān)鍵作用。

3 高溫合金在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展過程

我國在高溫合金領(lǐng)域的研發(fā)已有60年，根據(jù)2012年出版的《中國高溫合金手冊》，列入高溫合金牌號205個(gè)，成為繼美、英、俄后第四個(gè)擁有自主高溫合金體系的國家，使我國航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展逐漸突破了高溫合金材料的瓶頸。

我國高溫合金的研發(fā)始于1956年，經(jīng)過前蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)，我國生產(chǎn)了高溫合金GH3030。1960年后，前蘇聯(lián)專家撤華，我國需要自主研發(fā)一批新型高溫合金材料來滿足當(dāng)時(shí)在研航空發(fā)動機(jī)WP-5、WP-6、WP-7和WP-8的性能需求，因此，我國自主的高溫合金生產(chǎn)工廠和研究基地陸續(xù)成立并完善，同時(shí)裝備了完整的生產(chǎn)、檢測和科研儀器設(shè)備。起初我國主要仿制生產(chǎn)了一系列前蘇聯(lián)高溫合金，如GH4033、GH4037、GH4049、GH2036、GH3030、GH3039、GH3044、K401、K403和K406等，同時(shí)自主研制出一系列鐵鎳基高溫合金，如GH1140、GH2135、GH2130、GH2302等。

1964年，我國在研制WP-7發(fā)動機(jī)時(shí)，為了達(dá)到渦輪前溫度提高100℃的需求，研發(fā)了低密度、高強(qiáng)度鎳基鑄造高溫合金K417，并在此后30多年使用該高溫合金累計(jì)生產(chǎn)41萬片空心鑄造渦輪葉片裝備WP-6、WP-7航空發(fā)動機(jī)，這類發(fā)動機(jī)在服役期間未曾發(fā)生重大事故，證明了K417的可靠性。

20世紀(jì)70年代初至90年代初，在研制新型高溫合金用以裝備WS-9、WZ-6、WZ-8等發(fā)動機(jī)的過程中，我國引進(jìn)了一系列歐美國家的先進(jìn)高溫合金與制造技術(shù)，并按照國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自主研發(fā)生產(chǎn)，極大提高了材料綜合性能。在此過程中，我國的生產(chǎn)工藝取得進(jìn)步，同時(shí)建立并完善了高溫合金質(zhì)量管理體系，并成功研發(fā)了一系列高性能變形合金、鑄造合金、定向凝固及單晶合金。

20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初，我國各型號軍機(jī)發(fā)動機(jī)面臨更新?lián)Q代，第三代戰(zhàn)斗機(jī)和某型無人機(jī)研制項(xiàng)目啟動，各項(xiàng)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研發(fā)項(xiàng)目提上日程，包括WP-14、WS-9、WS-10等。因此，我國研發(fā)了一批滿足以上航空發(fā)動機(jī)性能要求的新型高溫材料，并在研發(fā)過程中建立和完善了旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝粉末高溫合金生產(chǎn)線，研制了粉末渦輪盤材料FGH4095和FGH4096；采用機(jī)械合金化工藝技術(shù)，研制了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金MGH4754和FGH2756；研制了第一代、第二代單晶高溫合金DD3、DD402、DD408、DD406等，新型定向凝固柱晶合金DZ4125、DZ4125L、DZ604M、DZ417G，低膨脹系數(shù)合金GH2907、GH2909以及耐熱腐蝕高鉻合金GH4648等。在這一階段，GH2132、GH4169、GH738、GH4141、GH605、GH706等多種高溫合金被用于各型渦扇發(fā)動機(jī)制造。

回顧我國60年高溫合金發(fā)展歷史，可見，航空發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的提高推動著新型高溫合金的發(fā)展。

4 高溫合金在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

21世紀(jì)初至今，為應(yīng)對復(fù)雜的國際環(huán)境和加強(qiáng)國防建設(shè)，我國航空工業(yè)開展了一系列新型航空器的研制工作，其中包括第四代戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目、航空母艦艦載機(jī)項(xiàng)目、新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)項(xiàng)目、通用型中型直升機(jī)項(xiàng)目與軍用大型運(yùn)輸機(jī)項(xiàng)目。為了達(dá)到上述航空器整機(jī)國產(chǎn)化、脫離受制進(jìn)口俄制發(fā)動機(jī)的目的，我國同時(shí)開展了一批先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制工作，其中包括WS-12、WS-13、WS-14、WS-15、WS-17、WS-18、WS-20等一系列發(fā)動機(jī)。為了達(dá)到先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)超高速、大升限、長航時(shí)、遠(yuǎn)航程的要求，燃燒室溫度進(jìn)一步升高，現(xiàn)有高溫合金制造的零部件無法滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的性能要求，因此，新型高溫合金的研發(fā)與生產(chǎn)是我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵之一。

4.1 第三代單晶高溫合金DD9

現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對于葉片的制造材料有極高的要求，因此，我國自主研發(fā)了第三代單晶高溫合金DD9。DD9單晶高溫合金以Ni為基，由Co、W、Ta、Al、Cr、Mo、Re、Nb、Hf、C等合金元素組成。實(shí)驗(yàn)表明，DD9單晶高溫合金的熔化溫度范圍達(dá)到1360℃-1411℃，因?yàn)镈D9中含有較多W、Mo、Ta、Re等高熔點(diǎn)元素，顯著提高了DD9在高溫環(huán)境下的拉伸性能。在980℃以上的高溫條件下，DD9合金表現(xiàn)出很高的屈服強(qiáng)度；在1100℃的高溫條件下，DD9合金表現(xiàn)出的屈服強(qiáng)度更加顯著。目前，DD9主要應(yīng)用于太行改進(jìn)型發(fā)動機(jī)的葉片制造。

4.2 新一代600℃高溫鈦合金TA29

由北京航空材料研究院研發(fā)的新一代600℃高溫鈦合金TA29在620℃仍具有良好的蠕變抗力，滿足其他性能指標(biāo)的同時(shí)，可在620℃高溫環(huán)境下長時(shí)間使用。TA29高溫鈦合金由Ti、Al、Sn、Zr、Nb、Ta、Si、C等元素組成，其主要成分特點(diǎn)是通過Nb與Ta元素進(jìn)行合金化，以此達(dá)到固溶強(qiáng)化增強(qiáng)的作用，由此提高了TA29在高溫環(huán)境下的抗氧化能力，并提高了其熱穩(wěn)定性。TA29經(jīng)過成分控制后擁有低Fe低O的成分特點(diǎn)，因此，TA29擁有較好的高溫蠕變性能。此外，TA29在750℃-800℃高溫環(huán)境下?lián)碛休^高的抗拉強(qiáng)度。

4.3 優(yōu)質(zhì)GH4738合金

在GH4738合金及其盤鍛件研制的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化冶煉工藝、成分控制、開坯工藝、鍛造工藝及熱處理工藝，成功研制了滿足航空發(fā)動機(jī)盤鍛件要求的GH4738合金，并命名為優(yōu)質(zhì)GH4738合金。優(yōu)質(zhì)GH4738的合金成分與普通的GH4738的合金成分最顯著的區(qū)別在于其具有低碳、高Al高Ti、低S低O的特點(diǎn)。受成分特點(diǎn)影響，優(yōu)質(zhì)GH4738合金的強(qiáng)度、合金純凈度顯著提高。通過優(yōu)化GH4738合金的開坯工藝、鍛造工藝及其熱處理工藝，優(yōu)質(zhì)GH4738合金航空渦輪盤的組織得到有效控制，使得其盤體部分晶粒度普遍達(dá)到ASTM8-9級，軸部晶粒度更是達(dá)到了ASTM5級甚至更細(xì)，實(shí)現(xiàn)了對合金力學(xué)性能的提升。

5 結(jié)論

目前我國的高溫合金產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段，無論在軍事領(lǐng)域或是民用領(lǐng)域，高溫合金都有廣泛應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用。我國目前自主設(shè)計(jì)制造的航空發(fā)動機(jī)與俄羅斯和歐美國家生產(chǎn)的航空發(fā)動機(jī)性能上仍然存在較大差距。通過分析航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，高溫合金必定向著低成本、高強(qiáng)度、高抗熱腐蝕性、低密度的方向發(fā)展。綜合我國目前航空發(fā)動機(jī)高溫合金的研究發(fā)展?fàn)顩r提出以下建議：

（1）在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上，繼續(xù)改善高溫合金在各溫度下的承受載荷能力，進(jìn)一步延長合金工作壽命。應(yīng)進(jìn)一步加大對高溫合金領(lǐng)域的科研資金投入，研發(fā)新型高溫合金，使其具有更加優(yōu)異的關(guān)鍵性能，致力于提高其表面耐高溫的能力，使高溫合金材料的適用范圍進(jìn)一步涉及到更多領(lǐng)域。

（2）開發(fā)低密度單晶高溫合金，航空發(fā)動機(jī)對動葉片工作時(shí)具有非常大的離心力，因此，低密度合金有助于改善發(fā)動機(jī)性能。積極借鑒國外的先進(jìn)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上探索研發(fā)新工藝、新技術(shù)，降低高溫合金材料的生產(chǎn)成本。

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第一作者：秦琴，碩士，講師，四川大學(xué)錦城學(xué)院機(jī)械工 程學(xué)院，611731成都市 First Author：Qin Qin，Master，Lecturer，College of Mechanical Engineering，Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 61173J．China