2022-06-07 09:24
本文詳細介紹了包括高溫合金、鈦合金、鋼材等關鍵金屬材料及陶瓷基復合材料在內的航空發動機材料的研發和應用情況。簡述了我國航空發動機材料的研發現狀、研發主體以及市場需求前景。每種航空發動機材料都有其各自的應用部件和階段性研發成果。此外，本文也客觀闡述了我國航空發動機材料研發、生產、應用方面存在的問題以及與國外的差距，并分析了問題的原因所在和未來努力的方向。
1 應用領域重點裝備用材情況
1.1 航空發動機材料整體情況
航空發動機是尖端武器裝備、民用航空器必不可少的動力系統，被譽為“工業皇冠上的明珠”，其發展水平集中體現了一個國家的工業基礎和科技水平，是綜合國力的象征之一。當前世界航空發動機產業形成了以美國GE、PW，英國RR，法國SNECMA等公司為主的高度壟斷局面。我國航空發動機產業經過60多年的發展，特別是“十一五”以來快速發展，初步形成了以渦噴系列為代表的第二代發動機和以渦扇系列為代表的第三代發動機生產、新一代先進軍用航空發動機以及國產大飛機發動機研發的大格局，極大提高了武器裝備研制生產保障能力，為國防工業和民用航空工業發展作出了巨大貢獻。
航空發動機材料是航空發動機產業的重要物質基礎，經過幾十年的發展，一些關鍵材料的國產化與自主化取得了長足進步，尤其是改革開放以來，國家工信部、發改委、總裝備部、科技部等部門通過設立各類科技項目支持，開始了與國際同步的自主創新研究，一些新材料推動了我國航空發動機的順利研制，為國防建設和國民經濟發展作出了特殊的貢獻。在新型先進動力型號的設計、研制和生產需求牽引下，研制和生產了一系列高品質的高溫合金（Superalloy）、鈦合金、鋼材等關鍵金屬材料及陶瓷基復合材料。
1.2 航空發動機材料應用
先進航空發動機朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發展，除了先進的設計技術，發動機性能的提高強烈依賴于先進材料及制造技術的發展，發動機的關鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強度、抗氧化的高溫合金、鈦合金、熱障涂層和陶瓷基復合材料等先進材料，高溫合金、鈦合金、熱障涂層三大類材料的用量已超過先進航空發動機總重量的80%。
高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有優異的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的抗疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，主要用作航空發動機渦輪葉片、渦輪盤、渦輪軸、渦輪機匣、壓氣機葉片、壓氣機盤、壓氣機機匣、環形件、各類緊固件、各類管路等部件，已成為航空發動機熱端部件不可替代的關鍵材料，被譽為“先進發動機基石”。高溫合金按基體元素種類可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金；按照合金強化方式可分為固溶強化型高溫合金和沉淀強化型高溫合金；按照材料成型方式可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。
鈦合金可以分為傳統鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物材料（TiAl、Ti3Al和Ti2AlNb合金），其中傳統鈦合金主要用于制造航空發動機風扇和壓氣機葉片、輪盤、鼓筒和機匣等零部件，這些零件要求材料在高溫工作條件下（350-600℃）具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩定性。經過幾十年的發展，固溶強化型的鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。在650-850℃溫度范圍，將使用有序強化的Ti-Al系金屬間化合物材料，這些合金具有高比強度、比剛度、高蠕變抗力、優異的抗氧化和阻燃性能，此外還具有低密度特點，有助于發動機整體減重，是航空發動機600℃以上應用的結構件的主選輕質耐高溫材料，可用于制備高壓壓氣機的葉片、輪盤、機匣和低壓渦輪葉片等零部件。
航空發動機高性能熱障與防護涂層提高了熱端部件抗腐蝕、抗高溫氧化和抗磨損等能力，可有效延長零部件的使用壽命，是提升航空發動機性能的重要保障性材料。熱障涂層材料可以分為YSZ熱障涂層（使用溫度1170℃，涂層熱障溫度50-100℃）、稀土復合氧化物新型熱障涂層（使用溫度1200-1300℃，涂層熱障溫度150-200℃）、稀土鎂基六鋁酸鹽新型熱障涂層（使用溫度1350℃，涂層熱障溫度200-250℃）。
陶瓷基復合材料由于其顯著的耐溫性以及優異的綜合性能，符合先進航空發動機性能提升帶來的對材料承溫能力大幅提高的迫切需求，成為國外先進航空發動機研究的熱點，國外已通過試車驗證。國際上重點發展的超高溫陶瓷及其復合材料主要有：1200-1400℃級SiCf/SiC陶瓷基復合材料、1400-1650℃級SiCf/SiBCN系陶瓷基復合材料。未來，陶瓷基復合材料在航空發動機領域的應用潛力巨大。
高溫合金、鈦合金已成為軍民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料，主要用于熱端關鍵部件（如圖1所示），如高、低壓渦輪盤，高、低壓渦輪工作葉片和導向葉片，筆齒盤，壓氣機盤，渦輪軸、燃燒室、機匣等。這些熱端部件長期在高溫、高壓、熱腐蝕、氧化、高應力的苛刻條件下工作，因此對其冶金質量和制備工藝提出了嚴格的要求。
1.3 航空發動機材料研發現狀
經過60余年的發展，我國基本形成了航空發動機材料基礎研究、材料研制、材料生產材料應用研究和材料應用的主要力量，突破了關鍵材料研制與應用系列關鍵技術，基本解決了航空發動機領域的迫切需求問題；同時基本形成了關鍵材料產業主體單位，在產業化關鍵技術與裝備等方面取得了較好進展，實現了航空發動機材料產業從無到有的轉變。
航空發動機材料基礎研究以北京科技大學、上海交通大學、中南大學、西北工業大學、東北大學、北京航空航天大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、東華大學等高校為主體；材料研制以中國航發北京航空材料研究院、北京鋼研高納科技股份有限公司、中國科學院金屬研究所、西北有色金屬研究院、中國科學院化學研究所、航空工業北京航空制造工藝研究所、中科院長春應用化學研究所等為主體；材料應用研究以中國航發北京航空材料研究院為主體；材料生產方面，形成了以撫順特殊鋼股份有限公司、寶武特種冶金有限公司、攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司、寶雞鈦業股份有限公司、西部超導材料科技股份有限公司為主的生產基地。在應用市場的帶動下，國內部分民營企業也開發了品質優異的高溫合金、鈦合金材料，典型的民營企業包括江蘇隆達超合金航材有限公司、江蘇圖南合金股份有限公司、江蘇永瀚特種合金技術有限公司等，但實際應用量總體偏少；材料應用以中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司、中國航發西安航空發動機有限公司、中國航發南方工業有限公司、中國航發成都發動機有限公司、中國航發貴州黎陽航空發動機有限公司等為主。
2 航空發動機領域材料應用存在的問題
目前我國已形成了航空發動機材料研制與應用研究的主要力量，突破了材料研制與應用研究的系列關鍵技術，基本解決了航空發動機研制需求問題；同時基本形成了航空發動機材料產業主體單位，在產業化關鍵技術與裝備等方面取得了較好進展，實現了關鍵材料從無到有的轉變。但與美國、英國、俄羅斯等航空發動機強國相比，我國航空發動機材料的產業規模偏小、水平偏低，目前航空發動機材料主要存在以下問題：
1）高溫合金、鈦合金以仿制為主，具有自主知識產權的合金較少，未形成自主材料體系，自主創新能力亟待加強。由于歷史及諸多原因，我國高溫合金、鈦合金以跟蹤仿制模式為主，自主創新能力不足，難以適應武器裝備比肩和引領發展的需求。國內仿制了英國、美國、俄羅斯等國100多個牌號的高溫合金，也就是說，在如此多的應用領域里，基本為仿制合金，沒有形成自主材料體系，單晶高溫合金方面，雖然自主研制了四個代次的合金，但由于航空發動機仿制需求仍仿制了多個國外合金；粉末高溫合金方面，第一代和第二代粉末高溫合金全部是仿制國外的。由于國內以仿制合金為主，未形成自主材料體系，亟需提高自主創新能力，鈦合金主要仿制了美國、俄羅斯材料，形成了300-600℃范圍內用的多種合金系列。
2）航空發動機材料領域基礎研究不足，研制單位過于分散，同水平材料過多，導致大部分材料特別是變形高溫合金材料技術成熟度低，批次穩定性差、價格高，很多材料依賴進口。
在航空發動機領域，發動機關鍵材料特別是變形高溫合金材料研制生產單位尚未按照材料研制的全過程開展系統的研制工作，導致材料技術成熟度低，批次穩定性差，價格高，部分牌號合金大量依賴進口，如航空發動機領域用變形高溫合金GH4169大規格棒材國內價格約350元/kg，國外對應牌號的IN718合金價格只有200元/kg，所以國內該合金70%以上依賴進口；冷拉棒材、絲材、帶材、管材也主要依賴進口。
3）航空發動機材料應用研究嚴重不足，生產與應用銜接不夠，一方面，導致對材料研制過程和批產穩定性牽引和考核嚴重不足；另一方面，導致零部件制備工藝、設計使用技術不成熟甚至缺乏，設計使用數據和典型件考核試驗嚴重不足，航空廠零件批產穩定性差、零件性能滿足不了服役需求。出現“有材不會用、用不好，出了問題反而歸結到材料上”的現象。
4）國內市場容量有限、應用的牌號品種規格過多，導致需求牽引力不夠，難以形成產業。航空用變形高溫合金年需求量約10000噸，但牌號近80種；鑄造高溫合金年需求量不超過5000噸；粉末高溫合金年需求量不超過1000噸；鈦合金需求量不足4000噸。另外，國產民用航空發動機預計在未來10年很難達到批量生產狀態，所需航空用高溫合金、鈦合金材料總量很難有大幅度提升。
5）國內部分前沿材料和前沿先進技術尚未獲得工程應用。在變形高溫合金方面，750℃用盤件合金國外已實現應用，高溫合金的三聯純凈化熔煉工藝，國外在20世紀90年代已實現成熟應用，國內目前尚未應用；國外陶瓷基復合材料已經完成試車驗證，而國內均尚處于研發階段，且存在多種技術路線；國外鑄造合金葉片已獲得應用，而國內尚處于研發階段。
6）航空發動機材料生產應用數據“少、缺、散”現象較為嚴重，原始數據的記錄內容很少，數據背景信息不完整，可追溯性差，很難形成數據資源積累，無法滿足發動機設計所對材料數據的快速、及時的應用需求，難以保證數據的可追溯性。
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