高溫合金在航天發動機上的應用

航空發動機被稱為(wei) “工業(ye) 之花"，是航空工業(ye) 中技術含量最高、難度最大的部件之一。作為(wei) 飛機動力裝置的航空發動機，特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結構材料中最高的性能要求。

高溫合金是能夠在600℃以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為(wei) 了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研製的，至今已成為(wei) 航空發動機熱端部件不可替代的一類關(guan) 鍵材料。目前，在先進的航空發動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為(wei) 止，我國高溫合金的研究、生產(chan) 和應用已曆經60年的發展曆程。

60年的高溫合金發展可以分為(wei) 三個(ge) 階段

第一個(ge) 階段：從(cong) 1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創業(ye) 和起始階段。本階段主要是仿製前蘇聯高溫合金為(wei) 主體(ti) 的合金係列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

第二個(ge) 階段：從(cong) 20世紀70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試製歐美型號的發動機，提高高溫合金生產(chan) 工藝技術和產(chan) 品質量控製。

第三階段：從(cong) 20世紀90年代中至今，是我國高溫合金的全新發展階段。本階段主要是應用和開發了一批新工藝，研製和生產(chan) 了一係列高性能、高檔次的新合金。

目前，我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學院金屬研究所、 北京科技大學、東(dong) 北大學、西北工業(ye) 大學等，主要生產(chan) 企業(ye) 有：中航工業(ye) 、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機械集團萬(wan) 航模鍛廠（二重）等。在此基礎上，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發和研究的能力。

在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料用量占發動機總量的40%~60%。在航空發動機上，高溫合金主要用於(yu) 燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用於(yu) 機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

燃燒室

燃燒室是動力機械能源的發源地。燃燒室內(nei) 產(chan) 生的燃氣溫度在1500℃~2000℃之間，因為(wei) 其餘(yu) 的空間有壓縮空氣流動，所以燃燒筒合金材料的承受溫度一般在800℃~900℃以上，局部達1100℃。因此，燃燒筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能，以及良好的冷熱疲勞性能。

燃燒室使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為(wei) 主。例如第三代戰鬥機F100發動機選用Haynes188鈷基高溫合金，F110、F404和F414發動機則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。但是隨著飛機推重比的提高，對燃燒筒材料也提出了新的要求。第四代戰機燃燒筒主要是鎳基高溫合金並塗覆陶瓷熱脹塗層，並且采用新的燃燒室結構，如F119和F135采用了浮動壁結構，而F136發動機采用了Lamilloy結構。到了第五代戰機，多使用Lamilloy結構的高溫合金、耐高溫1482℃陶瓷複合材料和熱脹塗層。因此，為(wei) 了適應航空發動機新的推重比的要求，研發全新材料基體(ti) 和製備工藝的高溫合金是目前航空航天領域的迫切需求。

導向葉片

導向葉片是渦輪發動機上受熱衝(chong) 擊最大的零件之一，但由於(yu) 它是靜止的，所受的機械負荷並不大。通常由於(yu) 應力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷(shang) ，會(hui) 使導向葉片在工作中經常出現故障。根據導向葉片工作條件，要求材料要具有足夠的持久強度及良好的熱疲勞性能和較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。

因此，鑄造高溫合金即成為(wei) 了導向葉片的主要製造材料。美國Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作為(wei) 導向葉片的材料。近年來，由於(yu) 定向凝固工藝的發展，用定向合金製造導向葉片的工藝也在試製中。此外，FWS10發動機渦輪導向器後篦齒環的製造也采用了氧化物彌散強化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chan) 生很大的熱應力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應力更為(wei) 複雜。為(wei) 此，對渦輪盤材料的要求則需合金應具有高的屈服強度和蠕變強度，以及良好的冷熱和抗機械疲勞性能，同時線膨脹係數要小，無缺口敏感性，具有較高的低周疲勞性能。

粉末高溫合金是現代高性能發動機渦輪盤的必選材料。1965年，高純預合金粉末技術被研發出來，此後，美國P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先開創了粉末高溫合金盤件用於(yu) 航空發動機的先河；1972年，IN100粉末高溫合金渦輪盤被用於(yu) F100發動機上，開啟了粉末高溫合金的實際應用階段。

我國的粉末高溫合金的研究起步於(yu) 20世紀70年代後期，在後續的發展過程中，根據國家型號需求，陸續開展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研製，其中FGH95是目前強度最高的粉末高溫合金，最高使用溫度達650℃，主要用於(yu) 製備發動機的渦輪盤擋板以及直升機用渦輪盤。

目前在粉末高溫合金領域，美國、俄羅斯、英國、法國、德國、加拿大、瑞典、中國、日本、意大利以及印度等國均開展了研究工作，美國、俄羅斯、英國、法國、德國和中國等國已掌握了工業(ye) 生產(chan) 工藝，其中僅(jin) 有美國、俄羅斯、法國和英國能獨立研發粉末高溫合金，並建立了自己的合金牌號。

渦輪葉片

渦輪工作葉片是渦輪發動機上最關(guan) 鍵的構件之一。雖然它的工作溫度比導向葉片要低些，但是受力大而複雜，工作條件惡劣，因此對渦輪葉片材料具有很高的要求，要求材料具有高的抗氧化和抗腐蝕能力、高的抗蠕變和持久斷裂的能力、良好的機械疲勞和熱疲勞性能及良好的高溫和中溫綜合性能。

渦輪葉片用材最初普遍采用變形高溫合金，但隨著材料研製技術和加工工藝的發展，鑄造高溫合金逐漸成為(wei) 渦輪葉片的候選材料。美國從(cong) 20世紀50年代後期開始嚐試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯也在60年代中期開始應用鑄造渦輪葉片，英國則在70年代初采用了鑄造渦輪葉片。

在航空發動機不斷追求高推重比的前提下，促使國內(nei) 外自上世紀70年代以來，一直在研製新型高溫合金，先後研製了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(you) 異高溫性能的新材料，其中單晶高溫合金材料成為(wei) 目前主流的渦輪盤材料。

單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎上發展起來的一類先進發動機葉片材料。20世紀80年代初期以來，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發動機上獲得廣泛應用。80年代後期，以PWA1484、ReneN5為(wei) 代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進航空發動機上得到大量使用，目前美國的第二代單晶高溫合金已成熟，並廣泛應用在軍(jun) 民用航空發動機上。90年代後期，美國研製成功第三代單晶高溫合金CMSX-10，之後，GE、P&W以及NASA合作開發了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國和英國也分別研製單晶高溫合金，並實現了工程應用。近年來，日本又相繼成功地研製了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。我國的單晶高溫合金是由中航工業(ye) 航材院於(yu) 20世紀80年代初*開始研究的，並成功研製出我國第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研製了第二代單晶高溫合金DD6，並廣泛應用於(yu) 多種型號的先進航空發動機上。此外，我國的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進高溫結構材料重點實驗室研製的DD9與(yu) DD10，中國科學院金屬研究所高溫合金研究部研製的DD32、DD33，中國科學院金屬研究所研製的DD90。第四代單晶高溫合金是由中國科學院金屬研究所研製的DD22。第五代單晶高溫合金為(wei) 陝西煉石有色研製的含錸高溫合金材料。這些材料目前僅(jin) 限於(yu) 實驗室的研發階段。

隨著以殲10B、殲15、殲16為(wei) 代表的多款三代半戰鬥機陸續進入列裝，對WS-10發動機的需求也日益增長；隨著國產(chan) 大型運輸機運-20的列裝，大涵道比發動機也將進入量產(chan) ，這將直接驅動航空發動機用高溫合金的快速發展。為(wei) 了提升高溫合金材料技術，工信部在發布的《國家增材製造產(chan) 業(ye) 發展推進計劃（2015-2016年）》中明確要求,突破高溫合金等材料技術，為(wei) 了滿足我國航空發展對高溫合金材料的要求。

因此，麵對航空航天的迫切需求，進行高水平、高質量的高溫合金材料的發展和研製工作，穩定現有體(ti) 係產(chan) 品的性能和質量是我國科研機構和相關(guan) 部門今後將關(guan) 注的重點，同時，研究和探索工作溫度超過1100℃以上的後繼新高溫材料，完善我國的高溫合金體(ti) 係也將是後續研發的關(guan) 鍵。此外，在完善高溫合金體(ti) 係的同時，也需要建立和完善我國航空用高溫合金的標準。通過開展標準化基礎研究，加強新材料研製中的標準化，提高標準製修訂的先進性和適用性，完善通用材料標準，加強製定材料配套標準，從(cong) 而更好地滿足我國航空航天發動機生產(chan) 和發展的需要。也隻有依據完善的標準體(ti) 係，大力發展新材料，改進舊材料的性能，完善製備工藝，才能縮短與(yu) 其他高溫合金國家如美國、日本、法國等的差距，提高我國在航空航天領域的競爭(zheng) 力，確保我國在國際事務中的話語權