引言

    進入21 世紀，航空動力技術(shù)出現(xiàn)了革命性的變化，為了實現(xiàn)戰(zhàn)斗機短距起降、過失速機動和不加力超聲速巡航的能力，以及提高飛航導彈的射程、速度和機動性，這就要求航空發(fā)動機提高渦輪進口溫度和空壓比，導彈必須走輕型化的道路。高空壓比和高渦輪前溫度使氣動負荷、熱負荷及轉(zhuǎn)子的切線速度，即離心負荷大幅度提高，從而使構(gòu)件在氣動、結(jié)構(gòu)、材料、工藝方面的難度越來越大。所以，要求發(fā)動機和彈用材料必須具備高比強度、高比模量，而且還特別要求具有良好的耐高溫性、抗氧化性和可加工性。據(jù)報道稱，美國IHPTET 的實現(xiàn)，70% ～ 80% 要靠材料的改進，因此先進航空發(fā)動機性能對材料的要求將不再滿足于傳統(tǒng)材料的漸進式提高，而是要求開辟新的材料系統(tǒng)及工藝領(lǐng)域。研究具有輕質(zhì)（ 低密度） 、高比強度、高比剛度、抗氧化、耐腐蝕等性能的新型特種結(jié)構(gòu)材料體系已經(jīng)成為先進發(fā)動機研發(fā)和導彈輕型化的技術(shù)關(guān)鍵和瓶頸部分。

    1 先進發(fā)動機高溫材料發(fā)展趨勢

    隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代航空材料取得了重大發(fā)展，尤其是在戰(zhàn)斗機發(fā)動機和導彈用渦噴/渦扇發(fā)動機高溫材料方面發(fā)生了革命性變化。金屬材料由于熔點限制，使用溫度已接近極限，已經(jīng)不能滿足先進航空發(fā)動機的設計要求。具有更高使用溫度的陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料、金屬間化合物材料和難熔金屬硅化物基復合材料等新型高溫材料將成為外來戰(zhàn)斗機發(fā)動機和導彈用渦噴/渦扇發(fā)動機高溫材料的研究重點。表1 是國外軍用航空發(fā)動機的技術(shù)性能、典型結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵材料表。

    從表1 可以看出，隨著航空發(fā)動機渦輪前溫度和壓氣機增壓比的不斷提高，對材料的性能、結(jié)構(gòu)和設計也越來越嚴格。主要表現(xiàn)在采用了熱障涂層和各種先進冷卻方式的單晶渦輪葉片或無冷卻陶瓷、C /C 復合整體渦輪，以適應1 650 ℃以上的高溫環(huán)境和減重要求； 同時還減少了壓氣機級數(shù)，采用整體結(jié)構(gòu)，用高溫鈦合金和金屬間化合物制造低展弦比無凸臺空心葉片。燃燒室采用了短環(huán)形和浮璧結(jié)構(gòu)，陶瓷涂層和陶瓷基復合材料的使用將進一步提高燃燒室的使用溫度。其中，陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料、金屬間化合物材料和難熔金屬硅化物基復合材料等新型高溫材料表現(xiàn)出了良好的耐高溫、耐腐蝕和抗氧化性能，引起了人們的廣泛關(guān)注，并且提出了非金屬材料發(fā)動機和復合材料發(fā)動機的概念。

    2 新型高溫材料的研究應用

    隨著發(fā)動機推重比的不斷提高，推重比10 的發(fā)動機渦輪前進口溫度已達到1 800 K ～2 000 K，推重比15 ～ 20 的發(fā)動機渦輪前進口溫度將達到2 100 K ～ 2 400 K，已經(jīng)遠遠超過了高溫合金的熔點溫度。所以，為滿足先進發(fā)動機的特殊要求，必須開展新型發(fā)動機高溫材料的研究，同時還要考慮材料的結(jié)構(gòu)輕、持久性強、可靠性高等一系列問題。

    2. 1 碳/碳復合材料（ C /C）

    碳/碳復合材料（ C /C） 是碳纖維增強碳基體的新型超高溫熱結(jié)構(gòu)材料，由碳纖維和基體碳兩部分組成，具有低密度（ 理論密度為2. 2 g /cm3 ） 、高比強、高比模量、高導熱導電性、低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，尤其是它在1 000 ℃ ～ 2 300 ℃ 時強度隨溫度升高而升高，最高理論溫度高達2 600 ℃，被廣泛用于固體火箭發(fā)動機噴管、航天飛機結(jié)構(gòu)部件、航空發(fā)動機的熱端部件等方面（ 見表2） ，是一種極具發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，未經(jīng)氧化處理的C /C 復合材料在370 ℃ 有氧氣氛中就開始氧化，高于500 ℃時迅速氧化，最終導致材料發(fā)生毀滅性破壞，從而限制了其在高溫領(lǐng)域的廣泛應用。因此，高溫下對C /C 復合材料進行合適的抗氧化保護是十分必要的。

    目前，對C /C 復合材料的抗氧化保護途徑主要有基體改性技術(shù)和抗氧化涂層技術(shù)。其中，對C /C 復合材料的基體改性處理主要包括浸漬法、添加劑法和基體置換法等，這幾種改性技術(shù)的防氧化效果都十分有限，一般在1 000 ℃以下，而且保護時間不長。抗氧化涂層技術(shù)是C /C復合材料抗氧化最主要/最有效的手段。目前，主要的制備方法是CVD 法、CVI 法和固滲法。這些方法對于1 650 ℃以下的抗氧化問題已基本得到了解決。據(jù)報道稱，采用C /SiC /Si-SiC 多層抗氧化涂層的C /C 復合材料在1 600 ℃空氣中能夠使用170 h，并且減重僅為1. 64%。主要問題是解決1 650 ℃ ～ 1 800 ℃溫度段（ 發(fā)動機熱端部件對涂層C /C 復合材料的要求溫度） 和高溫燃氣高速沖刷環(huán)境下對C /C復合材料的氧化保護問題，同時，降低涂層制備成本和開發(fā)新工藝也將是未來C /C 復合材料研究的熱點和難點問題。

    2. 2 陶瓷基復合材料（ CMC）

    陶瓷基復合材料具有耐高溫（ 1 650 ℃） 、低密度（ 僅為高溫合金的1 /3 ～ 1 /4） 、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，可以用作發(fā)動機高壓壓氣機葉片和機匣、高壓與低壓渦輪盤及葉片、燃燒室、加力燃燒室、火焰穩(wěn)定器及排氣噴管等發(fā)動機熱端材料（ 見表3） 。但是，陶瓷基復合材料的脆性大和可靠性差嚴重制約了其發(fā)展應用。所以，必須對其進行增韌補強，以滿足先進航空發(fā)動機對材料的要求。

    目前，常見的增韌方式主要有相變增韌、顆粒彌散增韌、晶須復合增韌以及連續(xù)纖維增韌補強等。其中，連續(xù)纖維增韌陶瓷基復合材料（ CFRCMC， 簡稱CMC） 最引人注目，主要以化學氣相滲透法（ CVI） 制備的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料（ 簡稱CMC-SiC） 為代表，密度為2. 0 g /cm3 ～ 2. 5 g /cm3，是高溫合金和鈮合金的1 /4 ～ 1 /3、鎢合金的1 /10 ～ 1 /9，具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感、沒有災難性損毀。CMC-SiC 主要包括碳纖維增韌碳化硅（ Cf /SiC） 和碳化硅纖維增韌碳化硅（ SiCf /SiC） 兩種。Cf /SiC 和SiCf /SiC 在航空發(fā)動機上的使用溫度分別為1 650 ℃和1 450 ℃。

    由于碳纖維價格便宜且容易獲得，從而使Cf /SiC 的制備成本相對較低，已成功應用于歐洲航天飛機計劃的重要零件，并在噴氣發(fā)動機噴管、戰(zhàn)術(shù)導彈零件和雙模沖壓發(fā)動機燃燒室上廣泛應用。但是，Cf /SiC 抗氧化性能較SiCf /SiC 差，在1 650 ℃條件下只能短時使用。國內(nèi)外普遍認為，航空發(fā)動機熱端部件最終獲得應用的應該是SiCf /SiC，提高SiC 纖維的使用溫度將是保證SiCf /SiC 用于1 650 ℃的關(guān)鍵。

    2. 3 難熔金屬硅化物基復合材料

    難熔金屬硅化物具有高的熔點（ 高于2 000 ℃） ，在1 600 ℃下具有好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和良好的力學性能，引起了人們的廣泛關(guān)注，被廣泛地應用于航空航天、化工、冶金、交通運輸及國防等工業(yè)領(lǐng)域。表4 是熔點在2 000 ℃以上的部分難熔金屬硅化物的結(jié)構(gòu)和性能。

    從表4 可以看出，Nb5Si3熔點最高，Ti5Si3密度最低。MoSi2的熔點雖低于上述兩種材料，但是MoSi2高溫抗氧化性能卻位居所有金屬硅化物榜首，同時，由于其適中的密度而成為近年來研究的熱點。

    MoSi2是一種道爾頓型金屬間化合物，其性能介于金屬與陶瓷之間。具有極高的熔點（ 2 030 ℃ ） 、優(yōu)異的高溫抗氧化、抗熱沖擊性、良好的導熱性和穩(wěn)定的電阻特性以及適中的密度，被廣泛用于高溫結(jié)構(gòu)材料、高溫發(fā)熱元件以及高溫防氧化涂層等領(lǐng)域。然而其低溫脆性、低溫“PEST”氧化及高溫蠕變限制了其實際應用。目前，為了提高MoSi2的室溫韌性和高溫強度，主要采用了合金化和復合化的增強手段。MoSi2可以同許多潛在的陶瓷增強體如SiC、Si3N4、ZrO2、Al2O3、TiB 和TiC在熱力學上相容，同其它高熔點硅化物如Mo5Si3、WSi2和NbSi2等一樣具有進行合金化提高性能的可能性（ 如表5 所示） 。

    據(jù)文獻報道，在合金化增韌的過程中，合金化Al、Re、Co、W、B 等能夠顯著改善MoSi2斷裂韌性和高溫強度。在復合化增韌過程中，（ ZrO2 + SiC） -MoSi2復合材料具有良好的綜合性能，高熔點高彈性模量的增強體（ 如SiC、Si3N4、WSi2和Mo5Si3等） 也表現(xiàn)出了較好的綜合作用。

    3 結(jié)束語

    隨著發(fā)動機渦輪前進口溫度的不斷提高，高溫合金已經(jīng)不能滿足先進航空發(fā)動機的要求，研究具有輕質(zhì)（ 低密度） 、高比強度、高比剛度、抗氧化、耐腐蝕等性能的新型特種結(jié)構(gòu)材料體系已經(jīng)成為先進發(fā)動機研發(fā)和導彈輕質(zhì)化的技術(shù)關(guān)鍵和瓶頸部分。具有良好綜合性能的陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料和難熔金屬硅化物基復合材料等新型高溫材料引起了人們的廣泛關(guān)注，并將成為先進發(fā)動機和彈用高溫材料的重點研究方向。

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責任編輯：王元

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