航空制造是制造業(yè)中高新技術(shù)最集中的領(lǐng)域，屬于先進制造技術(shù)。世界先進水平的高性能航空發(fā)動機卑雁，它們的共同特點是普遍采用了新材料、新工藝和新技術(shù)绪囱。今天就來看看那些高性能航空發(fā)動機上的新材料测蹲。

1、高溫合金

高溫合金是為了滿足噴氣發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的鬼吵，至今已成為軍用和民用燃氣渦輪發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料扣甲。目前，在先進的航空發(fā)動機中齿椅，高溫合金用量所占比例已高達50%以上琉挖。

高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動機的技術(shù)進步密切相關(guān)，尤其是發(fā)動機熱端部件渦輪盤涣脚、渦輪葉片材料和制造工藝是發(fā)動機發(fā)展的重要標志示辈。由于對材料的耐高溫性能和應力承受能力提出很高要求寥茫，早期英國研制了Ni3（Al、Ti）強化的Nimonic80合金矾麻，用作渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片材料纱耻，同時，又相繼發(fā)展了 Nimonic系列合金仁墅。美國開發(fā)了含鋁刺盏、鈦的彌散強化型鎳基合金，如普惠公司冲倡、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel锡迅、Mar-M和 Udmit等合金系列。

在高溫合金發(fā)展過程中顺良，制造工藝對合金的發(fā)展起著極大的推進作用韭拙。由于真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)沙诅，合金中有害雜質(zhì)和氣體的去除些栅，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高草仪。隨后至沸，定向凝固、單晶生長振害、粉末冶金盖扔、機械合金化、陶瓷型芯缘缚、陶瓷過濾勾笆、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展桥滨。其中定向凝固技術(shù)最為突出窝爪，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金齐媒，其使用溫度接近初熔點的90%蒲每。因此，目前各國先進航空發(fā)動機葉片都采用定向喻括、單晶合金制造渦輪葉片邀杏。從國際范圍來看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶唬血、定向凝固柱晶和單晶合金體系望蜡。粉末高溫合金也由第一代650℃發(fā)展到750℃、850℃粉末渦輪盤和雙性能粉末盤拷恨，用于先進高性能發(fā)動機泣特。

我國高溫合金隨航空發(fā)動機的發(fā)展研制和生產(chǎn)需求而發(fā)展浩姥。我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起步于20世紀70年代前，由于我國第一谆威、二代發(fā)動機的需求簸眼，我國研制和發(fā)展了GH系列的變形高溫合金以及K 系列的鑄造高溫合金，同時發(fā)展了許多新的制造技術(shù)婉饼，如真空熔煉和鑄造疤削、空心葉片鑄造、等溫鍛造等序敷。

70年代后撬彭，在高溫合金的研制中，我國引進了歐美技術(shù)赋昔，按國外的技術(shù)標準進行研制和生產(chǎn)据钱，對材料的純潔度和綜合性能提出了更高要求，研制了高性能變形高溫合金亮绢、鑄造高溫合金箭谴。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的單晶合金的研究與發(fā)展，使我國高溫合金在生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制上了一個新臺階俘戈。

2溉潭、超高強度鋼

超高強度鋼作為起落架材料應用在飛機上。第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼少欺，抗拉強度為1700MPa喳瓣，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時赞别。

第三代戰(zhàn)機設(shè)計要起落架求壽命超過5000飛行小時畏陕，同時由于機載設(shè)備增多，飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降仿滔，對起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求惠毁。美國和我國的第三代戰(zhàn)機均采用300M鋼（抗拉強度1950MPa）起落架制造技術(shù)。

應該指出的是堤撵，材料應用技術(shù)水平的提高也在推動起落架壽命的進一步延長和適應性的擴大仁讨。如空客A380飛機起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)实昨，使得起落架壽命滿足設(shè)計要求洞豁。由此，新材料和制造技術(shù)的進步確保了飛機的更新?lián)Q代荒给。

飛機在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設(shè)計對材料提出了更高要求掐抢，AerMet100鋼較300M鋼而言，強度級別相當，而耐一般腐蝕性能和耐應力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼统扔，與之相配套的起落架制造技術(shù)已應用于F/A-18E/F琅芍、F-22、F-35等先進飛機上馁筷。更高強度的Aermet310鋼斷裂韌性較低甸垄，正在研究中。損傷容限超高強度鋼AF1410的裂紋擴展速率極慢芥吧，用作B-1飛機機翼作動筒接頭疤嘴，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%漾衅，成本降低 30.3%住卿。俄羅斯米格-1.42上高強度不銹鋼用量高達30%。PH13-8Mo是唯一的高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼楞便，廣泛用作耐蝕構(gòu)件矫迹。國內(nèi)探索超高強度不銹鋼取得初步效果。

國外還發(fā)展了超高強度齒輪（軸承）鋼呈野，如CSS-42L低矮、GearmetC69等，并在發(fā)動機际跪、直升機和宇航中試用商佛。國內(nèi)發(fā)動機喉钢、直升機傳動材料技術(shù)十分落后姆打，北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強度軸承齒輪鋼。

3肠虽、金屬間化合物

高性能幔戏、高推重比航空發(fā)動機的研制，促進了金屬間化合物的開發(fā)與應用税课。如今金屬間化合物已經(jīng)發(fā)展成為多種多樣的族闲延，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結(jié)構(gòu)應用方面具有巨大的潛力韩玩，它具有高的使用溫度以及比強度垒玲、導熱1率，尤其是在高溫狀態(tài)下找颓，還具有很好的抗氧化参七，高腐蝕性和高的蠕變強度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料狱诊，它填補了這兩種材料之間的空檔村次，因而成為航空發(fā)動機高溫部件的理想材料之一度秘。

目前在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，致力于研究開發(fā)的主要是以鈦鋁和鎳鋁等為重點的金屬間化合物珍喘。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同堡脱，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃仆扰。金屬間化合物原子間的結(jié)合力強瘫啦，晶體結(jié)構(gòu)復雜，造成了它的變形困難祟放，在室溫下顯現(xiàn)出硬而脆的特點扭妖。目前經(jīng)過多年的試驗研究，一種具有高溫強度和室溫塑性與韌性的新型合金已經(jīng)研制成功荡明，并已裝機使用捆革，效果很好。例如美國的高性能F119型發(fā)動機的外涵機匣着茸、渦輪盤都是采用的金屬間化合物壮锻，驗證機F120型發(fā)動機的壓氣機葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。

4涮阔、陶瓷基復合材料

說到陶瓷猜绣，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前敬特，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件掰邢，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復合材料伟阔，也可能還會有些人不清楚辣之，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后皱炉，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化怀估，這就是陶瓷基復合材料。

陶瓷基復合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料合搅，特別是在航空發(fā)動機制造應用中多搀，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕画了，硬度高的優(yōu)點以外虾驰，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料嫌或，并具有很好的力學性能和化學穩(wěn)定性伊了，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。

目前世界各國針對下一代先進發(fā)動機對材料的要求桐夭，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料稼掏，并取得了較大進展，有的已開始應用在現(xiàn)代航空發(fā)動機中。例如美國驗證機的F120型發(fā)動機憾牵，它的高壓渦輪密封裝置讳帆，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料印脓。法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料置狠。

05、碳/碳復合材料

C/C基復合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料崇磁。到目前為止黄鳍，只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料平匈，是美國21世紀重點發(fā)展的耐高溫材料框沟，世界先進工業(yè)國家竭力追求的最高目標。C/C基復合材料增炭，即碳纖維增強碳基本復合材料忍燥，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞隙姿。由于它具有重量輕梅垄、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導性输玷，是當今最理想的耐高溫材料队丝，特別是在 1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降欲鹏，反而有所提高机久。在1650℃以下時依然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途貌虾。

C/C基復合材料在航空發(fā)動機上應用的主要問題是抗氧化性能較差蕴莉，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施翰蛔，使這一問題不斷得到解決革秩，逐步應用在新型發(fā)動機上。例如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管痰汰，F(xiàn)100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管焦赋，F(xiàn)120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復合材料制造。法國的M88-2發(fā)動機凑戏，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿鲁磺、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料裆机。

06跋园、樹脂基復合材料

樹脂基復合材料在航空渦扇發(fā)動機上的應用研究始于20世紀50年代，經(jīng)過60余年的發(fā)展，GE息栖、PW益命、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力進行樹脂基復合材料研發(fā)鹿蜀，取得了很大進展箕慧，已經(jīng)將其工程化應用到現(xiàn)役航空渦扇發(fā)動機，并且還有進一步擴大應用量的趨勢茴恰。

樹脂基復合材料的服役溫度一般不超過350℃颠焦。因此，樹脂基復合材料主要應用于航空發(fā)動機的冷端往枣。樹脂基復合材料在國外先進航空發(fā)動機上的主要應用部位如圖所示伐庭。

風扇葉片：發(fā)動機風扇葉片是渦扇發(fā)動機最具代表性的重要零件，渦扇發(fā)動機的性能與它的發(fā)展密切相關(guān)分冈。與鈦合金風扇葉片相比似忧，樹脂基復合材料風扇葉片具有非常明顯的減重優(yōu)勢。除具有明顯的減重優(yōu)勢之外丈秩，樹脂基復合材料風扇葉片受撞擊后對風扇機匣的沖擊較小盯捌，有利于提升風扇機匣包容性。

目前蘑秽，國外已進行商業(yè)化應用的復合材料風扇葉片的主要代表有為B777配套的GE90系列發(fā)動機饺著，為B787配套的GEnx發(fā)動機，還有為中國商飛C919配套的LEAP-X發(fā)動機肠牲。1995年煞精，裝配樹脂基復合材料風扇葉片的GE90-94B發(fā)動機正式投入商業(yè)運營，標志著樹脂基復合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機上正式實現(xiàn)工程化應用厌棵。在綜合考慮空氣動力學因郁、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動機研制了新的復合材料風扇葉片醇票。

進入21世紀加鄙，航空發(fā)動機對高損傷容限復合材料的強烈需求牽引著復合材料技術(shù)進一步發(fā)展，而通過不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求速郑。在此背景下溜盾，3D編織結(jié)構(gòu)復合材料風扇葉片應運而生。

風扇機匣：風扇機匣是航空發(fā)動機最大的靜止部件溃皮，它的減重將會直接影響航空發(fā)動機的推重比與效率盔却。因此，國外先進航空發(fā)動機OEM也一直致力于風扇機匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作熬皮。如圖所示為國外先進航空發(fā)動機風扇機匣發(fā)展趨勢奖锦。

風扇帽罩：因為是非主承力構(gòu)件吉恍，風扇帽罩是航空發(fā)動機上最先使用的復合材料制造的部件之一，使用復合材料制造的風扇帽罩可以提供更輕的重量景殷、簡化的防冰結(jié)構(gòu)章办、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。

目前滨彻，在R.R公司RB211發(fā)動機藕届、PW公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹脂基復合材料制備風扇帽罩亭饵。

相比航空發(fā)動機主機休偶，樹脂基復合材料在航空發(fā)動機短艙具有更廣闊的應用空間，如圖所示辜羊。根據(jù)資料踏兜，國外廠商已經(jīng)在短艙進氣道、整流罩八秃、反推裝置碱妆、降噪聲襯部位大規(guī)模使用樹脂基復合材料。

其他部位根據(jù)資料昔驱，在航空發(fā)動機風扇流道板疹尾、軸承封嚴蓋、蓋板等部位也在不同程度的應用樹脂基復合材料榄湿。

07宽酣、金屬基復合材料

和樹脂基復合材料相比，金屬基復合材料具有良好的韌性宛扒，不吸潮优麻，能夠耐比較高的溫度。金屬基復合材料的增強纖維有金屬纖維治队，如不銹鋼胯绢、鎢、鎳鋁金屬間化合物等鼻肉；陶瓷纖維瓦式，如氧化鋁、氧化硅猛珍、碳砰普、硼、碳化硅等陕匿。

金屬基復合材料的基體材料有鋁、鋁合金克锣、鎂茵肃、鈦及鈦合金腔长、耐熱合金等。其中以鋁鎂合金验残、鈦及鐵合金為基的復合材料是目前主要選擇對象捞附。如以碳化硅纖維增強鈦合金基體復合材料可用來制造壓氣機葉片。碳纖維或氧化鋁纖維增強鎂或鎂合金基體復合材料可用來制造渦輪風扇葉片您没。又如鎳鉻鋁銥纖維增強鎳基合金基體復合材料可用來制造渦輪及壓氣機用的密封元件鸟召。

其他如風扇機匣、轉(zhuǎn)子氨鹏、壓氣機盤等零件欧募，國外都有采用金屬基復合材料制造的實例。但是這種復合材料存在的最大問題之一是增強纖維和基體金屬之間容易發(fā)生反應而產(chǎn)生脆性相仆抵，使材料性能變壞跟继。尤其是在較高溫度下長時使用，界面的反應更為突出镣丑。目前解決的辦法是根據(jù)不同纖維舔糖、不同基體，在纖維表面加適當涂層漂岔，以及對基體金屬進行合金化脊直，以減緩界面的反應，保持復合材料性能的可靠性辰想。

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