推薦理由

本文以其獨(dú)特的研究視角脖煮，深入探討了航空發(fā)動機(jī)中先進(jìn)材料的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀，覆蓋了從陶瓷基復(fù)合材料到樹脂基復(fù)合材料的多種新型材料。文章不僅綜述了高溫與中低溫材料的研究進(jìn)展攒暇，還特別強(qiáng)調(diào)了材料技術(shù)在提升發(fā)動機(jī)性能海雪、耐久性及隱身能力方面的潛力锦爵。創(chuàng)新之處在于結(jié)合了實(shí)際航空發(fā)動機(jī)型號的需求，對材料研制與應(yīng)用進(jìn)行了全面的技術(shù)分析和未來趨勢的展望奥裸。通過引入先進(jìn)的涂層技術(shù)棉浸、金屬材料和復(fù)合材料，該論文為航空發(fā)動機(jī)的性能提升提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)刺彩。

摘要

飛機(jī)性能的每一次飛躍基本都離不開航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的貢獻(xiàn)迷郑，而先進(jìn)材料的發(fā)展是新一代高推重比發(fā)動機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文總結(jié)了航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)材料的研究進(jìn)展创倔，綜述了陶瓷基復(fù)合材料嗡害、碳／碳復(fù)合材料、金屬間化合物却值、高溫防護(hù)涂層材料卑竹、耐高溫隱身涂層材料、先進(jìn)鈦合金材料和樹脂基復(fù)合材料等高溫私闭、中低溫材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀砾漓，分析了目前存在的問題，結(jié)合目前在研航空發(fā)動機(jī)型號和未來新a一代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對材料的需求宽用，闡述了航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)材料的研究重點(diǎn)闭榛。

——以下為正文——

航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的核心動力裝置，為飛機(jī)提供源料越來越苛刻的要求跌缩，高溫衍肥、高強(qiáng)、低密度材料的研究不斷源不斷的動力雀肠，需要在高溫刀念、高壓、高轉(zhuǎn)速惡劣環(huán)境條件下加快，圖1列出了部分不同溫度下服役的先進(jìn)材料贺潜。

圖1 可不同溫度下服役的先進(jìn)材料

長期反復(fù)服役抵蚊，對飛機(jī)的性能、安全性和可靠性具有決定性的作用溯革，其發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家軍事裝備水平贞绳、科技工業(yè)實(shí)力和綜合國力的重要標(biāo)志。航空發(fā)達(dá)國家實(shí)施的綜合化高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)計(jì)劃(IHPTET)和先進(jìn)核心軍用發(fā)動機(jī)(ACME)計(jì)劃鬓照，在高推重比熔酷，低耗油率，低成本航空發(fā)動機(jī)上取得了很大進(jìn)展[1-2]豺裆。

材料是航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)拒秘，是決定航空發(fā)動而航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)新材料要達(dá)到成熟應(yīng)用必須走完機(jī)現(xiàn)代化水平的關(guān)鍵因素之一。代材料臭猜、一代發(fā)動材料研制和應(yīng)用研究兩個(gè)全過程躺酒。通過實(shí)際使用環(huán)境下機(jī)”，材料是航空發(fā)動機(jī)性能蔑歌、耐久性羹应、維修性和成本的決的考核驗(yàn)證，且性能穩(wěn)定次屠、可靠脆逊，即技術(shù)成熟度必須達(dá)到定性因素[3]。

近年來拇蟋，新一代航空發(fā)動機(jī)提出了更高的增7~8級棒鞍，才能在型號上應(yīng)用[6]。因此蓖搅，能應(yīng)用在航空發(fā)動壓比崖蟀、推重比和渦輪前進(jìn)口溫度，航空發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)的機(jī)上先進(jìn)材料的研制周期非常長翩汰，為了確保型號的研制進(jìn)大幅提高吹迎，使得材料的服役條件越加惡劣，因此對材料性度溃耸，往往需要提前開展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)湃足。所以有必要對可能有著更加苛刻的要求，目前推重比為10的發(fā)動機(jī)渦輪應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)材料的發(fā)展情況進(jìn)行研究分析譬功，掌進(jìn)口溫度已達(dá)1850K~1900K,推重比12~15發(fā)動機(jī)渦輪握國內(nèi)外先進(jìn)材料的研究和應(yīng)用情況填恬，為發(fā)動機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)口溫度超過2000K[4-5]。為了滿足先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對材單位技術(shù)規(guī)劃提供支撐奋隶，同時(shí)為材料研制單位進(jìn)一步發(fā)展指明方向。

因此，本文對近年來航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)材料的國內(nèi)外研究進(jìn)展和應(yīng)用情況進(jìn)行分析總結(jié)唯欣，并結(jié)合航空發(fā)動機(jī)型號和未來新一代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)材料的需求嘹吨，提出發(fā)展建議。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 高溫材料

為了進(jìn)一步提升材料的性能境氢，滿足航空發(fā)動機(jī)零部件愈加苛刻的性能要求蟀拷，于是材料科學(xué)家們開始通過深入研究傳統(tǒng)高溫合金制造工藝來進(jìn)一步挖掘材料的性能，如渦輪葉片采用單晶鑄造工藝萍聊，渦輪盤采用粉末冶金工藝等问芬，應(yīng)用這些工藝后傳統(tǒng)高溫合金性能得到了極大的提升，為三代航空發(fā)動機(jī)的研制提供了基礎(chǔ)寿桨，而材料性能已趨近極限此衅，要滿足新一代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對材料的要求，傳統(tǒng)高溫合金不再能滿足于先進(jìn)發(fā)動機(jī)的發(fā)展亭螟，急需開展新材料及工藝研究挡鞍，向著高比強(qiáng)度、高比剛度预烙、抗氧化胀爸、耐腐蝕等新型材料發(fā)展[5]。

1.1.1 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料工作溫度可達(dá)1650℃,與鎳基高溫合金的性能比較如圖2所示千荡，與高溫合金相比具有更低的密度锌德、更好的抗氧化性和更高的承溫能力等優(yōu)勢。作為發(fā)動機(jī)熱端部件材料不僅能實(shí)現(xiàn)減重绅踪、降低油耗沼惹、提高渦輪前溫度，而且能夠承受極端高溫環(huán)境下的應(yīng)力要求辣棉，延長部件服役壽命[7]氏诽。

圖2 兩種材料性能對比

當(dāng)前陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)低壓渦輪靜子葉片、噴管等熱端部件非轉(zhuǎn)子組件狰赘，向著高壓渦輪葉片等服役環(huán)境更加惡劣的高溫部件壳凳。國外經(jīng)過四十年的發(fā)展，GE扮人、羅羅和HyperThermHTC等公司針對陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部的應(yīng)用開展了大量的研究工作浆左，已成功應(yīng)用于多款型航空發(fā)動機(jī)并實(shí)現(xiàn)了工程化生產(chǎn)，并逐漸從低承力部件尾（噴管训措，火焰筒）發(fā)展到高承力部件（渦輪導(dǎo)向器葉片和渦輪轉(zhuǎn)子葉片）伪节。國內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料的在材料研制和構(gòu)件制備上開展了一系列的研究工作，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力绩鸣，但是在航空發(fā)動機(jī)熱端部件的應(yīng)用研究尚屬于起步階段怀大，僅部分靜子件上開展了試驗(yàn)考核[8-12]。

陶瓷基復(fù)合材料由陶瓷基體、增強(qiáng)纖維和界面層構(gòu)成化借，在陶瓷基體中通過引入纖維作為增強(qiáng)材料潜慎，即保留了陶瓷材料的耐高溫、抗氧化蓖康、耐磨耗铐炫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)纖維增強(qiáng)相的增韌機(jī)制使得材料對裂紋不敏感蒜焊，克服了陶瓷材料脆性大倒信、可靠性低等缺點(diǎn)[13-14]。陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制備流程可分為4個(gè)階段泳梆，如圖3所示[15-16]鳖悠。

圖3 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件制備流程圖[15]

目前，應(yīng)用最多的是碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料爱饲，其綜合性能優(yōu)越肢阿，但是在燃?xì)猸h(huán)境中長時(shí)間服役需要借助環(huán)境熱障涂層技術(shù)。環(huán)境障涂層結(jié)構(gòu)致密乳嘁，具有高的熔點(diǎn)甸赏、良好的表面穩(wěn)定性、低的氧滲透能力低等特點(diǎn)寻适，除了能夠抵抗環(huán)境腐蝕藏崇，同時(shí)還兼具阻礙及愈合裂紋和空隙的作用[17-18]。相比美國等少數(shù)國家掌握的連續(xù)纖維碳化硅陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化技術(shù)凤婆，中國陶瓷基復(fù)合材料的成形工藝和高性能纖維制備技術(shù)與國外相比還有差距短揉，局限了陶瓷基復(fù)合材料的批量生產(chǎn)。

1.1.2 碳／碳復(fù)合材料

碳／碳復(fù)合材料是一種新型的高溫材料非畜，具有低的密度（理論密度為2.2g/cm2)刚肠、低的熱膨脹系數(shù)、高的強(qiáng)度和良好的耐高溫性能亦弛，同時(shí)還具有力學(xué)性能隨溫度的升高而升高的特點(diǎn)冒晰。將其應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)具有提高發(fā)動機(jī)推重比／功重比和熱端部件工作溫度等優(yōu)點(diǎn)[19]。

然而竟块，碳在370℃空氣中壶运、在650℃水蒸氣中、在750℃的CO2中就會發(fā)生氧化[20],氧化使得碳／碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疏松和不連續(xù)浪秘，從而使得力學(xué)性能大幅度的下降[21]蒋情。較差抗氧化性能限制其應(yīng)用，因此涂層和基體改性等抗氧化技術(shù)被應(yīng)用到了碳／碳復(fù)合材料中耸携。目前國外在一定溫度范圍內(nèi)的抗氧化技術(shù)已經(jīng)較為成熟棵癣，特別是多層涂覆技術(shù)已滿足了1700℃以上的抗氧化要求辕翰。

F100航空發(fā)動機(jī)的噴嘴和加力燃燒室噴管均采用碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行制備。近年來浙巫，隨著碳／碳復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展金蜀，美國LTV公司已生產(chǎn)出了碳／碳復(fù)合材料整體渦輪葉盤刷后，并已完成地面超轉(zhuǎn)試驗(yàn)的畴。此外，俄羅斯尝胆、德國丧裁、法國也已經(jīng)生產(chǎn)出碳碳復(fù)合材料的渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)、噴油桿等部件[19]环壳。

1.1.3 金屬間化合物

金屬間化合物是金屬元素之間或金屬元素與類金屬元素之間通過共價(jià)鍵連接央嘱，具有良好的耐高溫、耐磨損和抗氧化性能的新型耐高溫材料[22]乞瑰。目前在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用趨勢較為明顯的有Ti-Al系金屬間化合物馏纱。

在Ti-Al系金屬間化合物中，主要研究的是Ti3Al合金排击、TiAl合金以及Ti2AlNb合金素牌，其中Ti3Al和Ti2AlNb合金長期工作溫度可達(dá)650℃~700℃,而TiAl合金工作溫度則可達(dá)760℃~800℃。采用TiAl合金制造葉片可降低葉片零件質(zhì)量患漆，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的減重墓且，同時(shí)顯著降低輪盤載荷。目前TiAl合金葉片主要采用精密鍛造工藝制備任础，圖4為鑄造TiAl合金與鍛造TiAl合金及其它金屬結(jié)構(gòu)材料比強(qiáng)度的比較讲媚，通過鍛造變形，可以大幅度提高TiAl合金的塑性焰究、強(qiáng)度和疲勞性能[23]裆操。圖5為鍛造TiAl合金葉片的工藝路線圖。

圖4 鑄造TiAl合金與鍛造TiAl合金及其它

圖5 鍛造TiAl合金葉片的工藝路線

從2000年開始炉媒，國外開始采用鍛造工藝制造TiAl合金葉片踪区，Rolls-Royce公司研制了鍛造TiAl高壓壓氣機(jī)7、8橱野、9級葉片朽缴，并通過了發(fā)動機(jī)試車考核；普惠PW1100G發(fā)動機(jī)第三級低壓渦輪葉片裝備空客A320Neo飛機(jī)水援，并于2014年9月首飛密强，如圖6所示[24]。國內(nèi)蜗元，北京航空材料研究院或渤、西北工業(yè)大學(xué)系冗、北京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)薪鹦、北京科技大學(xué)等在鍛造TiAl合金做了大量的研究工作掌敬，尤其突破了大規(guī)格高純凈工業(yè)化鑄錠制備、包套擠壓開坯池磁、矩形截面細(xì)晶擠壓棒材制備犀刀、葉片等溫模鍛、薄板包覆軋制捻尉、復(fù)雜構(gòu)件超塑成形饮茬、葉片零件加工等一系列關(guān)鍵技術(shù)，逐步縮短與國外的差距候钟。

圖6 國外典型鍛造TiAl合金葉片

1.2 耐高溫涂層材料

1.2.1 高溫防護(hù)涂層材料

高溫材料的應(yīng)用可大大提高熱端部件的高溫強(qiáng)度拉狸，但新一代航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，已超過了鎳基單晶高溫合金的熔點(diǎn)滤萝，高溫合金的承溫能力逐漸不能滿足其需求稿纺，而采用高溫涂層加冷卻結(jié)構(gòu)結(jié)合，其使用溫度可達(dá)到1650℃以上碗履，保證了發(fā)動機(jī)的可靠服役谭驮。因此，在材料表面涂覆抗高溫性能優(yōu)異的防護(hù)涂層是提高熱端部件的性能和延長壽命的有效措施之一宦衡。

目前桑抱，航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層包括熱障涂層、抗氧化涂層尼荆、內(nèi)腔涂層等左腔，對渦輪葉片內(nèi)外表面進(jìn)行防護(hù)，涂層結(jié)構(gòu)如圖7所示捅儒。熱障涂層主要應(yīng)用于渦輪葉片外表面液样，提高葉片材料的高溫抗氧化腐蝕及隔熱；抗氧化涂層主要應(yīng)用于渦輪葉片的外表面巧还，提高葉片材料的高溫抗氧化性能鞭莽，同時(shí)還可以作為熱障涂層的金屬粘接層，以改善熱障涂層間的界面匹配性麸祷；內(nèi)腔涂層主要應(yīng)用于渦輪葉片的內(nèi)腔澎怒，以提高內(nèi)腔的高溫抗氧化性能[25]。

1.2.1.1 熱障涂層

熱障涂層的陶瓷層材料需要具有難熔阶牍、相穩(wěn)定喷面、化學(xué)惰性和低熱導(dǎo)、高熱反射率等重要物理化學(xué)特征走孽，同時(shí)要考慮其熱膨脹系數(shù)與基體材料之間的匹配惧辈。ZrO2是目前應(yīng)用廣泛琳状，綜合性能較好的熱障涂層材料，它具有高熔點(diǎn)承蠕、化學(xué)穩(wěn)定性耐和高溫氧化等特點(diǎn)菜册，但純ZrO2具有同素異晶轉(zhuǎn)變，溫度升高后由單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu)扳啃，伴隨著4%~6%體積分?jǐn)?shù)的變化而產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力蓄棘，目前廣泛使用Y2O3作為穩(wěn)定劑，通過自由膨脹和收縮來釋放中間粘結(jié)層與陶瓷層因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的內(nèi)部熱應(yīng)力通肋，達(dá)到增韌的效果贮猛，從而提高材料的抗熱震性與壽命。

20世紀(jì)80年代初璃蓬，普惠公司成功地開發(fā)了PWA264第2代熱障涂層，成功應(yīng)用在了JT9D漏踊、PW2000想祝、PW4000和V2500等發(fā)動機(jī)渦輪葉片上，截至1992年娱畔，該涂層用于JT9D览讳、PW2000等發(fā)動機(jī)渦輪葉片上已經(jīng)累計(jì)飛行了400萬小時(shí)以上[26-27]。為了適應(yīng)更高的溫度要求部凑，普惠公司又成功地開發(fā)了PWA266第3代渦輪葉片熱障涂層露乏，涂層制備工藝采用EB-PVD,應(yīng)用至JT9D-7R4、V2500涂邀、F100-PW-229和F119等發(fā)動機(jī)渦輪葉片上瘟仿，應(yīng)用該涂層后，F(xiàn)119發(fā)動機(jī)高壓渦輪工作葉片工作溫度可提高150K左右[28-30]比勉。截至目前國外應(yīng)用于熱障涂層的陶瓷層粉末和靶材技術(shù)已十分成熟劳较，正在開展更低熱導(dǎo)率的新型陶瓷材料、或者對現(xiàn)役傳統(tǒng)材料進(jìn)行改進(jìn)研究浩聋，以提高涂層的使用溫度和隔熱性能观蜗。

國內(nèi)近十年來也開始自主研制噴涂用YSZ粉末，尤其是納米YSZ粉末取得了一定的進(jìn)展衣洁，然而國內(nèi)自主研制的噴涂用YSZ粉末還存在Cl-1含量偏高墓捻、雜質(zhì)元素含量超標(biāo)、造粒度均勻性差等問題坊夫，此外納米YSZ粉末還存在團(tuán)聚前的原始晶粒度偏大砖第、粉末的流動性、噴涂工藝性較差等問題喳卢，且批次一致性有待提高弯枢。

圖7 渦輪葉片高溫防護(hù)涂層結(jié)構(gòu)照片

1.2.1.2 抗氧化涂層

目前報(bào)道獲得應(yīng)用的高溫抗氧化涂層主要是MCrA-lY(M是過渡族金屬Ni玖远、Co、或NiCo)和PtAl兩種涡瀑。MCrAlY涂層的抗氧化機(jī)理一般是通過高溫氧化環(huán)境中契惶，在表面首先形成Al2O3保護(hù)性氧化層以阻止涂層的進(jìn)一步氧化，達(dá)到保護(hù)基體的目的婉错。國外對MCrAlY涂層的研究主要集中在改變成分含量以及添加一些元素(Si驳蒙、Ti、Ta姐药、W组缎、Co、Mo削晦、Hf朴轰、Re)或氧化物以提高粘結(jié)層的抗氧化和耐熱腐蝕性能方面。PtAl涂層由于貴金屬Pt的加入使得涂層在高溫下保護(hù)膜的成膜性能更好挥昵，氧化膜自修復(fù)性能更加突出唆阿。國外對PtAl粘結(jié)層材料的研究集中在Pt含量對其抗氧化性能的影響方面[31-34]。

國內(nèi)高溫抗氧化涂層的承溫能力锈锤、抗氧化性能與國外還存在差距驯鳖。目前實(shí)際應(yīng)用較多抗氧化涂層的是MCrA-lY,北京航空材料研究院、金屬所久免、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院等單位先后研制了MCrAlX系涂層(NiCrAlY浅辙、NiCrAl-YSi、NiCoCrAlYTa和NiCoCrAlY等）高溫防護(hù)涂層阎姥，用于發(fā)動機(jī)渦輪葉片的防護(hù)记舆，并進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段。國內(nèi)在PtAl涂層方面丁寄，還未開展Pt氨淌、Al的相對含量對抗氧化性能的影響研究，制備的PtAl粘結(jié)層抗氧化性能還有待提高伊磺。

1.2.1.3 內(nèi)腔防護(hù)涂層

內(nèi)腔防護(hù)涂層主要包括簡單型鋁化物涂層和改進(jìn)型鋁化物涂層兩種盛正。簡單型鋁化物涂層是在高溫合金基體上簡單滲鋁，具有良好的抗氧化性能屑埋，但其抗熱腐蝕能力不足矢骚。近二十年來國外研究人員在簡單型鋁化物涂層中加入少量Cr、Si肤俱、Pt等元素县防，包括Cr改性的鋁化物涂層 (Al-Cr涂層）、Si改性的鋁化物涂層(Al-Si涂層）绸搞、Pt改性的鋁化物涂層(Pt-Al涂層）和稀土元素改性鋁化物涂層 (RE-Al涂層）等改進(jìn)型鋁化物涂層窍蟹，其具有比簡單型鋁化物涂層抗熱腐蝕性能[35-37]醋皂。

根據(jù)資料顯示，美國P&W公司和CFM國際發(fā)動機(jī)公司生產(chǎn)的民用航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片內(nèi)腔均有鋁化物防護(hù)涂層舟到，并已在PW2000辖芍、PW4000-94、PW4000-100章理、PW4000-112所硅、PW4500、PW6000杂蒙、PW8000营稼、CFM56-3、CFM56-5台腥、CFM56-7等發(fā)動機(jī)型號上應(yīng)用宏赘。

鋁化物內(nèi)腔涂層主要通過固體粉末滲、料漿滲览爵、氣相滲和化學(xué)氣相沉積等工藝制備置鼻。化學(xué)氣相沉積被認(rèn)為是制備內(nèi)腔防護(hù)涂層最為理想的方法蜓竹，美國完成了化學(xué)氣相沉積工藝鋁化物沉積過程反應(yīng)中間體生成控制等關(guān)鍵技術(shù)突破，有效地實(shí)現(xiàn)了葉片內(nèi)腔的防護(hù)储藐，GE公司和英國R-R23公司采用化學(xué)氣相沉積工藝制備渦輪葉片內(nèi)腔鋁化物涂層用于裝備GE90俱济、GE90-115B、RB211-535钙勃、BR700發(fā)動機(jī)蛛碌。

與國外相比較，國內(nèi)在葉片復(fù)雜內(nèi)腔防護(hù)涂層技術(shù)成熟度仍需進(jìn)一步提高辖源，內(nèi)腔涂層的均勻性蔚携、防護(hù)性能等存在較大差距。采用的涂層工藝技術(shù)以傳統(tǒng)的包埋滲克饶、料漿滲和氣相滲為主那辰，化學(xué)氣相沉積技術(shù)應(yīng)用于葉片內(nèi)腔涂層制備的研究工作處于研制階段。

1.2.2 耐高溫隱身涂層材料

航空發(fā)動機(jī)作為作戰(zhàn)飛機(jī)重要的雷達(dá)散射源和紅外輻射源玲侧，其后腔體及其內(nèi)部件绑燃、邊緣等的雷達(dá)散射信號和后腔體及其熱端部件、尾噴流等的紅外輻射信號占整個(gè)飛機(jī)尾部特征信號的95%以上符破，因此發(fā)動機(jī)隱身性能嚴(yán)重影響著飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和生存率出毁。耐高溫隱身涂層作為飛行器高溫隱身工程化應(yīng)用的主要技術(shù)途徑，具有對飛行器外形影響小瞭阔、工藝簡單管剂、成本較低與可靠性高等優(yōu)點(diǎn)露龙。耐高溫隱身涂層包括耐高溫紅外、雷達(dá)及兼容涂層等崇槽，用于低壓渦輪葉片注辜、整流支板、混合器惶政、內(nèi)錐體背涉、噴管唇口等部位，通過降低目標(biāo)的紅外輻射和縮減目標(biāo)的雷達(dá)散射截面達(dá)到隱身的效果移必。

傳統(tǒng)的紅外低發(fā)射率涂層不能滿足發(fā)動機(jī)苛刻的使用環(huán)境室谚，新型材料如金屬粉體涂層、金屬薄膜以及無機(jī)涂層逐漸成為國外開展耐高溫紅外隱身涂層的研究方向崔泵，其中金屬微粉（主要包括鋅秒赤、鋁、鐵憎瘸、鎳入篮、銅以及銀、金幌甘、鉑等金屬材料）來源廣潮售，效果好，是低發(fā)射率涂層中最常用的功能填料之一锅风，可以實(shí)現(xiàn)3μm~5μm和8μm~14μm波段的全波段紅外低發(fā)射率效果[38-40]酥诽。

耐高溫雷達(dá)吸波材料是由基體材料和耐高溫吸收劑所組成，通常將耐高溫吸收劑分散在基體材料中皱埠，承擔(dān)吸波功能肮帐。國外研究及應(yīng)用較多的是耐高溫介電損耗吸波材料，基體主要分為陶瓷基體(Si3N4番搅、Al2O3代徒、AlN、莫來石瘸拳、ZrO2等）和玻璃基體（磷酸鹽昔黍、Li2O-Al2O3-SiO2、Li2O-B2O3-SiO2给措、MgO-Al2O3-SiO2)兩大類兆送；而耐高溫吸收劑主要有SiC、Si3N4炮罩、鈦酸鋇棺距、硼硅酸鋁、乙炔炭黑、碳納米管榴蜻、納米Si-C-N秕肌、Si-C-O、Si-C-Fe等[41-42]瞎喉。

目前實(shí)現(xiàn)材料雷達(dá)／紅外兼容隱身主要有兩種技術(shù)途徑：一是材料本身具有雷達(dá)波高吸收好唯、紅外低輻射特性（單一型雷達(dá)／紅外兼容隱身材料）；二是利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將雷達(dá)隱身材料和紅外隱身材料復(fù)合燥翅，復(fù)合后可維持材料的雷達(dá)與紅外隱身性能保持不變或變化不大（復(fù)合型雷達(dá)／紅外兼容隱身材料）骑篙。但由于雷達(dá)隱身與紅外隱身的機(jī)理有所不同，材料紅外發(fā)射率的降低與雷達(dá)波吸收能力的提高存在著一定矛盾森书，使得它們性能相互制約靶端，因此單一型雷達(dá)/紅外兼容隱身材料的雷達(dá)、紅外隱身性能相對有限凛膏，目前發(fā)展最多的復(fù)合型雷達(dá)／紅外兼容隱身材料杨名，如英國BTRRLC公司、澳大利亞國防科技組織的材料研究室猖毫、德國PUSHGUNTER以及瑞典巴拉居達(dá)公司均研制在新一代雷達(dá)／紅外兼容隱身涂層技術(shù)取得了很大進(jìn)展台谍。

國外新一代先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)用發(fā)動機(jī)均采用了隱身涂層技術(shù)，如美國F-22吁断、F-35趁蕊、F-117A、B-2以及法國幻影-2000戰(zhàn)機(jī)仔役。國外耐高溫隱身涂層技術(shù)發(fā)展較早贾焊，多種涂層均實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，涂層及制備技術(shù)都較為成熟痪猛。相比國外，中國的耐高溫涂層技術(shù)發(fā)展較晚居截，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中還存在較多問題算换，如雷達(dá)吸波涂層的低頻隱身性能較差，涂層厚度過厚六呼，耐腐蝕性能不足等問題突出客惨。

1.3 中低溫材料

1.3.1 鈦合金

先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)鈦合金用量約30%~40%,鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零部件刨税，代替鋼和鎳基合金減重效果可達(dá)到40%左右践赁，顯著提高推重比和工作效率。

目前在中國航空發(fā)動機(jī)上獲得應(yīng)用的主要是α+β型鈦合金筏所，具有良好的熱加工性能胧扇，同時(shí)在中溫環(huán)境下又有良好的綜合性能，工作溫度大多在500℃以下，其中在400℃以下的鈦合金主要有TC4牢贸、TC6竹观、TC17,應(yīng)用于發(fā)動機(jī)工作溫度較低的風(fēng)扇葉片和低壓壓氣機(jī)葉片，500℃左右工作的鈦合金有TC11潜索、TC25臭增、TA15和TA7合金，其中TC11是中國目前航空發(fā)動機(jī)上用量最大的鈦合金[43-44]竹习。

隨著發(fā)動機(jī)零部件溫度的要求越來越高誊抛，發(fā)展了能在600℃使用的鈦合金，如Ti60以及國外的IMI834整陌、Ti-1100拗窃、BT36、BT41等蔓榄，國外600℃鈦合金獲得了廣泛的應(yīng)用并炮，例如IMI834廣泛應(yīng)用于EJ200發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)第3級整體葉盤和隔圈、F119發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)后機(jī)匣等甥郑。

鈦合金的發(fā)展趨勢如圖8所示逃魄，使用溫度越來越高，鈦合金強(qiáng)化技術(shù)從固溶強(qiáng)化向有序強(qiáng)化發(fā)展澜搅，并進(jìn)一步向SiC纖維復(fù)合強(qiáng)化發(fā)展窄兜，國內(nèi)、歐美和俄羅斯在不同溫度段對應(yīng)的牌號如表1所示[44]屋犯。

圖8 中國航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金的發(fā)展歷程[43]

表1 世界各國研制的高溫鈦合金

1.4 樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量恤兴、疲勞性能和耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，已在多型航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片滑期、風(fēng)扇機(jī)匣闽但、外涵機(jī)匣等部件上得到成熟應(yīng)用，并朝著結(jié)構(gòu)形式更優(yōu)账阳、材料性能更高阁喉、制造成本更低、自動化程度更高的方向發(fā)展狡氏，相比于鈦合金材料噪设，采用樹脂基復(fù)合材料減重效率提高了25%以上[45-46]。樹脂基復(fù)合材料包括增強(qiáng)材料和樹脂基體伍毙，其中增強(qiáng)材料有碳纖維乔墙、玻璃纖維、Kevlar纖維等丐重，樹脂基體有環(huán)氧腔召、聚酰亞胺杆查、雙馬等。表2為樹脂基復(fù)合材料在國外航空發(fā)動機(jī)上的主要應(yīng)用情況宴咧，主要用于發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片根灯、機(jī)匣、出口導(dǎo)流葉片等部件[47-52]掺栅。當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)用樹脂基復(fù)合材料主要為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料烙肺。經(jīng)過幾十年的技術(shù)攻關(guān)和發(fā)展，國內(nèi)也形成了高韌性氧卧、耐高溫復(fù)合材料體系及熱壓罐和樹脂傳遞模塑R(TM)制造技術(shù)體系桃笙，圖9為國內(nèi)航空碳纖維復(fù)合材料發(fā)展歷程[53-56]。

圖9 國內(nèi)航空碳纖維復(fù)合材料發(fā)展歷程[53-56]

在先進(jìn)碳纖維和樹脂的研制上沙绝，國內(nèi)已經(jīng)初步建立了國產(chǎn)碳纖維技術(shù)與評價(jià)體系搏明，并成功研制了達(dá)到T300/T700/T800級碳纖維，國產(chǎn)T300/T800級碳纖維實(shí)現(xiàn)了在航空發(fā)動機(jī)上的考核和應(yīng)用闪檬，圖10為國內(nèi)外部分碳纖維的基本力學(xué)性能星著，國內(nèi)先進(jìn)樹脂長期使用溫度突破350℃,韌性CAI達(dá)到300MPa以上，其中耐高溫聚酰亞胺基體在航空發(fā)動機(jī)上得到了大量的應(yīng)用[57-59]坐署。

圖10 國內(nèi)外典型碳纖維的基本力學(xué)性能

表2 樹脂基復(fù)合材料在國外發(fā)動機(jī)上的主要應(yīng)用

國內(nèi)外部分樹脂基復(fù)合材料的使用溫度和沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)如圖11所示良稽，向著高溫性能和高的沖擊后壓縮強(qiáng)度(CAI)發(fā)展，高的CAI值可獲得更高的減重效率和損傷安全性能[58-60]玻岳。發(fā)展能夠長期使用溫度達(dá)到350℃以上坞裂，同時(shí)要求具有良好的熱氧化、穩(wěn)定性和成型工藝性能的樹脂基復(fù)合材料是滿足新一代高推重比航空發(fā)動機(jī)服役溫度和整體結(jié)構(gòu)成型必要要求别孵。

圖11 國內(nèi)外部分復(fù)合材料使用溫度和沖擊后壓縮強(qiáng)度

2 發(fā)展趨勢與展望

一代新材料的出現(xiàn)支撐了一代新裝備的研發(fā)声碴，一代新裝備的研制牽引一代新材料的應(yīng)用。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展葛窜，中國航空發(fā)動機(jī)材料技術(shù)取得了快速的進(jìn)步扫应，逐漸從引進(jìn)、仿制走向自主研制珊侍，從上文對航空發(fā)動機(jī)新材料國內(nèi)外研究進(jìn)展的分析看伪给，中國在先進(jìn)復(fù)合材料、金屬間化合物晒淮、高溫鈦合金、涂層等先進(jìn)高姓迅、中敲霍、低溫材料的研究上取得了一系列的研究進(jìn)展，逐漸縮短了和歐美發(fā)達(dá)國家的差距丁存，但材料的成熟度還不高肩杈，很多關(guān)鍵技術(shù)成熟度亟待優(yōu)化，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率較低，且型號應(yīng)用研究和考核不充分扩然。此外艘儒，隨著中國軍用航空發(fā)動機(jī)向著更加復(fù)雜嚴(yán)苛服役環(huán)境的轉(zhuǎn)變，以及未來先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制需求夫偶，目前航空發(fā)動機(jī)材料技術(shù)儲備尚不能滿足高推重比高可靠發(fā)動機(jī)發(fā)展的迫切需要界睁，特提出如下展望：

(1)隨著中國軍事實(shí)力的增強(qiáng)，航空發(fā)動機(jī)的服役環(huán)境開始由原本單一的內(nèi)陸環(huán)境向復(fù)合極端環(huán)境轉(zhuǎn)變兵拢，其中翻斟，“高溫、高濕说铃、高鹽霧”的海洋環(huán)境帶來的航空發(fā)動機(jī)腐蝕問題已經(jīng)嚴(yán)重制約發(fā)動機(jī)性能的充分有效發(fā)揮访惜，而中國航空發(fā)動機(jī)的腐蝕防護(hù)技術(shù)，尤其是中低溫防護(hù)技術(shù)（包括不銹鋼及焊接部位碟荐、壓氣機(jī)鋼葉片净彼、可磨耗封嚴(yán)涂層等）亟待提升，所采用的工藝無法滿足長期使用要求未蚕，急需開展先進(jìn)的腐蝕防護(hù)涂層和表面處理工藝研究朗恤；同時(shí)國內(nèi)發(fā)動機(jī)主干材料和涂層在典型服役環(huán)境下的腐蝕性能數(shù)據(jù)匱乏，造成在惡劣環(huán)境下發(fā)動機(jī)零部件的壽命預(yù)測存在瓶頸琴邻，急需開展主干材料及表面防護(hù)在典型服役環(huán)境下的耐腐蝕能力及性能衰減研究捍椎，搭建材料－連接件／模擬件－零件／組件－整機(jī)的積木式腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證體系。此外赂燎，為了保證發(fā)動機(jī)在真實(shí)環(huán)境下的長期穩(wěn)定可靠服役飞熙，持續(xù)開展外場服役腐蝕數(shù)據(jù)收集，不斷迭代腐蝕防護(hù)與控制設(shè)計(jì)向膏。

(2)目前四代戰(zhàn)斗機(jī)及未來的先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)對發(fā)動機(jī)提出了較高的隱身性能指標(biāo)豪纸，發(fā)動機(jī)是飛機(jī)主要的紅外輻射源，也是后向主要雷達(dá)散射源逞迟，其隱身隱身性能嚴(yán)重影響飛機(jī)的作戰(zhàn)能力和生存率岩喷。隨著國內(nèi)耐高溫紅外、雷達(dá)及兼容涂層等耐高溫隱身涂層材料的不斷工程化應(yīng)用及驗(yàn)證监憎，涂層脫落纱意、維護(hù)困難、成本高昂等問題不斷凸現(xiàn)鲸阔，以及飛機(jī)方對紅外雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高偷霉，更耐溫、更薄褐筛、更輕类少、寬頻譜叙身、可維修性等更高要求的隱身涂層和針對不同服役環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)的隱身構(gòu)件材料及制備工藝的需求更加迫切硫狞。此外信轿，隱身涂層的維修／維護(hù)和性能檢測技術(shù)也需同步開展研究，為型號全壽命周期的隱身能力提供保障残吩。

(3)隨著中國航空發(fā)動機(jī)材料技術(shù)的不斷發(fā)展财忽，材料品類日趨齊全，建立了符合中國國情的材料體系世剖，但與歐美等發(fā)達(dá)國家相比充贿，中國發(fā)動機(jī)材料技術(shù)基礎(chǔ)不夠雄厚，材料全面性能數(shù)據(jù)匱乏菲贝，尚不能滿足在役差炮、在研先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研制生產(chǎn)的迫切需求，主要存在以下問題：

1)部分關(guān)鍵工藝成熟度有待提高威跟，比如金屬材料返回料回收利用技術(shù)戴砍、合金純凈度控制技術(shù)、組織均勻性及批次穩(wěn)定性控制往茄、大型復(fù)雜構(gòu)件精密制造技術(shù)等枯邓；

2)部分關(guān)鍵和重要件材料級、毛料級及零部件級材料性能數(shù)據(jù)缺乏乘占，在支撐強(qiáng)度壽命仿真計(jì)算中凸顯不足掰媚，直接影響關(guān)重件強(qiáng)度及壽命可靠性的評估，有必要對關(guān)重鍵材料進(jìn)行全面性能數(shù)據(jù)補(bǔ)充測試笔畜，建立起可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對比习棋、數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)交互等功能的現(xiàn)代化全面性能數(shù)據(jù)庫呐粘；

3)加強(qiáng)材料－結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)研究满俗，如按照復(fù)合材料各向異性的設(shè)計(jì)思想去開展零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)承載和隱身指標(biāo)開展結(jié)構(gòu)隱身一體化構(gòu)件的設(shè)計(jì)等作岖，建立起一體化結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則唆垃；

4)先進(jìn)材料的應(yīng)用成熟度不高，為滿足新一代航空發(fā)動機(jī)對先進(jìn)材料的需求痘儡，需開展先進(jìn)復(fù)合材料辕万、金屬間化合物、高溫／耐蝕防護(hù)涂層沉删、高溫鈦合金等新材料的工程化應(yīng)用研究蓄坏，提高材料和制造技術(shù)的成熟度，為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制提供技術(shù)儲備丑念。

（新型材料聯(lián)盟）

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