導讀：在對世界航空動力技術加速發(fā)展態(tài)勢進行簡要綜述的基礎上，對航空發(fā)動機關鍵材料技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行分析研究，并按照一代新材料、一代新型發(fā)動機的思路，提出先進航空發(fā)動機主要部件和系統(tǒng)對材料技術的發(fā)展需求，并從質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝成熟度、工程化研究和驗證、材料體系和數(shù)據(jù)、復合材料、適航取證等方面，對提高我國材料技術的發(fā)展和應用水平提出了建議。

    1、世界航空發(fā)動機技術呈加速發(fā)展態(tài)勢

    從二戰(zhàn)結(jié)束到21世紀初，軍用噴氣戰(zhàn)斗機及其動力的發(fā)展大致經(jīng)歷四次更新?lián)Q代。推重比8—級渦扇發(fā)動機是目前世界主要大國現(xiàn)役第三代主力戰(zhàn)斗機的動力。第四代推重比10發(fā)動機從20世紀80年代中期開始發(fā)展，其典型機種有美國的F119、西歐四國的EJ200、法國的M88-III、俄羅斯的AL-41F。2005～2007年開始，配裝推重比10—級先進渦扇發(fā)動機的第四代戰(zhàn)斗機（如美國的F/A-22和F-35），已經(jīng)陸續(xù)取代現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機，成為美國和部分西方國家，甚至我國部分周邊國家和地區(qū)21世紀上半葉的主戰(zhàn)機種。

    民用運輸機和旅客機的動力也大致經(jīng)歷了四個階段：早期為活塞式發(fā)動機，1949年出現(xiàn)了第一種用渦輪噴氣發(fā)動機“埃汶”為動力的民航客機——“彗星號”，標志著民用飛機噴氣發(fā)動機時代的到來。第三階段為20世紀60年代初的低涵道比（1.5～2.5）渦輪風扇發(fā)動機，耗油率為0.07～0.08kg/（N＊h），廣泛用于波音-727、-737，DC-9，“三叉戟”等飛機，逐步代替了耗油率高、經(jīng)濟性差的渦噴發(fā)動機。

    1970年1月22日，裝有4臺涵道比為5.2、推力為193.lkN（19700kgf）的JT9D-3型大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的大型遠程旅客機波音747-100投人航線使用，標志著民用航空動力進人了全新的大涵道比渦扇發(fā)動機時代。自20世紀70年代初第一代大涵道比渦扇發(fā)動機JT9D、CF6和RB211投人使用以來，目前已經(jīng)發(fā)展了五代，其耗油率比第一代民用渦扇發(fā)動機降低約20%。

    2001年美國GE公司為波音-777研制成功GE90-115B高涵道比渦扇發(fā)動機，推力達到547kN（55826kgf），耗油率下降到0.05kg/（N＊h）左右，是當今世界上推力最大的發(fā)動機，被收入吉尼斯世界紀錄中。目前，世界上窄體干線客機的動力100%選擇了渦扇發(fā)動機；用渦扇發(fā)動機為動力的支線客機訂貨量已超過70%;大涵道比渦扇發(fā)動機使雙發(fā)大型遠程寬體客機實現(xiàn)了不著陸的越洋飛行。航空使世界變成了“地球村”，現(xiàn)在人們可以在24h內(nèi)到達世界上的任何地方。

    工業(yè)水平的提高、科學技術的進步和經(jīng)濟實力的增強，是航空動力快速發(fā)展的源動力。世界航空強國在重視教育、科技和工業(yè)技術發(fā)展的同時，對航空動力技術的預先研究和試驗驗證給予極大的重視，開展了一系列大型研究計劃，為各種先進軍、民用發(fā)動機提供了堅實的技術基礎。

    特別值得指出的是，美國于20世紀60年代初至80年代中在連續(xù)實施十多項發(fā)動機研究計劃的基礎上，在研制第四代發(fā)動機（F119）的同時，從1988年起至2003年又投人50億美元巨資，由軍方、政府及工業(yè)界聯(lián)合實施不針對特定發(fā)動機型號的“綜合高性能發(fā)動機技術計劃”（即IHPTET計劃）；其目標是利用最新的科技成果，使推進系統(tǒng)的技術能力在1988年的基礎上翻一番，到2005年左右突破推重比12～15—級發(fā)動機的關鍵技術，并通過大量試驗驗證，不斷將新的成果用于型號，為其研制提供強有力的技術支持。這意味著他們用15年左右的時間，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術進步，相當于過去30～40年所取得的成就。

    在IHPTET計劃取得巨大成功的基礎上，美國政府和軍方又制定了其后繼計劃——多用途、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃，準備再用12年時間（2006～2017）、大約再投人37億美元，通過多用途核心機、耐久性和智能發(fā)動機三個重點領域的研究，在2017年左右使發(fā)動機經(jīng)濟可承受性（定義為能力與壽命期成本之比，其中能力為推重比與中間狀態(tài)耗油率的函數(shù)）提高10倍。

    為了同美國競爭，以英國為主，意大利和德國參與共同實施了與IHPTET類似的先進核心軍用發(fā)動機計劃的第二階段（ACME-n），英國和法國又聯(lián)合實施了先進軍用發(fā)動機技術（AMET）計劃，德國宇航研究院聯(lián)合企業(yè)界獨立實施了針對民機的3E（環(huán)境、效率和經(jīng)濟性）發(fā)動機研究計劃。日本早已通過專利生產(chǎn)第三代發(fā)動機，并參與世界一流水平的大型民用渦扇發(fā)動機的國際合作研制，目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍于聲速的HYPR-90組合循環(huán)發(fā)動機，力圖在高超聲速推進技術領域搶占領先地位。印度的軍用發(fā)動機在部分依靠與國外合作的條件下采取自主研制的途徑，自行研制的推重比8—級GTX-35VS雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機已經(jīng)首飛，在推重比10以上渦扇發(fā)動機和高超聲速組合動力關鍵技術研究方面也取得了不少進展。

    上述情況充分表明，世界航空推進技術正呈現(xiàn)出一種加速發(fā)展的態(tài)勢。

    2、航空發(fā)動機關鍵材料技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

    航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，在各類武器裝備中，航空發(fā)動機對材料和制造技術的依存度最為突出，航空發(fā)動機高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對材料和制造技術的要求逼到了極限。材料和工藝技術的發(fā)展促進了發(fā)動機更新?lián)Q代，如：第一、二代發(fā)動機的主要結(jié)構件均為金屬材料，第三代發(fā)動機開始應用復合材料及先進的工藝技術，第四代發(fā)動機廣泛應用復合材料及先進的工藝技術，充分體現(xiàn)了一代新材料、一代新型發(fā)動機的特點。

    在航空發(fā)動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關鍵。從總體上看，航空發(fā)動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發(fā)展，航空發(fā)動機結(jié)構向著輕量化、整體化、復合化的方向發(fā)展，發(fā)動機性能的改進一半靠材料。據(jù)預測，新材料、新工藝和新結(jié)構對推重比12～15—級發(fā)動機的貢獻率將達到50%以上，從未來發(fā)展來看，甚至可占約2/3。因此，先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結(jié)構的實現(xiàn)，使發(fā)動機質(zhì)量不斷減輕，發(fā)動機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高，可以說沒有先進的材料和制造技術就沒有更先進的航空發(fā)動機。

    正是由于不斷提高的航空發(fā)動機性能對發(fā)動機材料與制造技術提出了更高的要求，各航空發(fā)達國家都投人了大量人力、物力和財力，對航空發(fā)動機用的材料與制造技術進行全面、深人的研究，取得了豐碩的成果，滿足了先進發(fā)動機的技術要求。

    從國外航空發(fā)動機材料與制造技術的發(fā)展情況來看，加強材料與制造技術工程化研究是縮短發(fā)動機研制周期、減少應用風險、增加研制投人產(chǎn)出比最有效的途徑之一。因此從20世紀70年代至今，航空發(fā)達國家安排了一系列的發(fā)動機材料和制造技術工程化研究計劃，規(guī)劃了整個材料和制造技術領域的發(fā)展方向，為各種先進軍、民用發(fā)動機提供了堅實的技術基礎。如美國綜合高性能發(fā)動機技術（IHPTET）計劃、下一代制造技術計劃（NG-MTI），美國空軍復合材料經(jīng)濟可承受性計劃（CAI）等（見表1）。

    通過這些國家層面的大型研究計劃，大大推動了一批新材料和新工藝在發(fā)動機上的應用，使得材料耐溫、強度水平不斷提高，滿足了部件的承溫承載要求；高可靠性輕量化結(jié)構和精密、高效、低成本制造技術迅速發(fā)展和應用，滿足了發(fā)動機新型整體結(jié)構的設計要求，使得發(fā)動機部件重量越來越輕；先進涂層技術和特種制造技術得到了廣泛應用，大大縮短了發(fā)動機研制周期、使得新型航空發(fā)動機的性能不斷提升。

    3、先進航空發(fā)動機對材料技術的需求

    先進航空發(fā)動機主要指第四代和新一代更高推重比/功重比的軍用渦扇/渦軸發(fā)動機，以及新一代干線客機用大涵道比渦扇發(fā)動機，這類先進發(fā)動機除具有更高的性能指標外，還要全面滿足可靠性、安全性、經(jīng)濟性、適航性、環(huán)保性等要求，對材料和工藝提出了新的發(fā)展需求，主要包括：

    （1）風扇和壓氣機

    鈦合金/高溫合金雙性能（精鍛+高速銑+線性摩擦焊）整體葉盤，整體葉環(huán)（碳纖維樹脂固化環(huán)冠箍或SiC纖維增強鈦基復合材料），寬弦或小展弦空心掠形葉片（鈦合金超塑成形/擴散連接（SPF/DB）+線性摩擦焊），風扇/壓氣機軸和軸頸采用SiC纖維鈦基復合材料，整流葉片及機匣采用阻燃鈦或Ti2AlNb合金，風扇和壓氣機機匣采用增強纖維三維編織（0PC）技術，Alloy C阻燃鈦合金壓氣機機匣，有機復合材料機匣等。

    （2）燃燒室

    耐溫1450～1650°C的陶瓷基復合材料（CMCs）或MA956合金瓦片浮壁燃燒室，Lamilloy多孔層板火焰筒，抗氧化C/C復合材料或MA956合金Lamilloy多孔層板加力襯筒，精鑄r-TiAl+HIP多通道擴壓器，Ti2AlNb合金或其復合材料燃燒室機匣等。

    （3）渦輪

    Rene88DT/N18渦輪盤，CMSX-4G/PWA1484+熱障涂層（TBCs）渦輪葉片，渦輪動葉和導葉采用熱障涂層，渦輪動葉采用單晶對開葉片或雙層壁發(fā)汗冷卻鑄冷葉片，導葉采用陶瓷基復合材料（CMCs）或NiAl，MA956多孔層板高效冷卻雙葉片，雙腹板盤、雙結(jié)構盤或輻條式盤雙性能粉末渦輪盤或含Nb的TiAl合金或SiC纖維增強金屬基復合材料（MMC），渦輪機匣采用超純高溫合金或Ti2AlNb合金或其復合材料，低壓渦輪軸采用SiC長纖維鈦基復合材料（比IN718軸減重30%、比鈦軸剛性增加40%）等。

    （4）加力/噴管/機械系統(tǒng)

    蜂窩或多孔層板結(jié)構鈦合金加力筒體，MA956合金多孔層板隔熱屏，陶瓷基復合材料或C/C復合材料噴管調(diào)節(jié)片/密封片，Ti2AlNb合金（SPF/DB）調(diào)節(jié)片支撐結(jié)構，高強高韌不鎊鋼+表面強化齒輪和軸承，潤滑系統(tǒng)為-50～220/250°C低揮發(fā)、高潤滑油（氟硅油），指尖+刷封+蜂窩低、中、高溫封嚴裝置，密封件為-50～350°C氟醚橡膠或金屬橡膠等。

    （5）其他

    特種涂層技術：熱障涂層（TBCs），抗氧化高溫涂層，低、中、高溫硬質(zhì)、輕質(zhì)封嚴涂層，低、中、高溫硬質(zhì)、輕質(zhì)耐磨涂層，鈦合金防應力腐蝕、抗沖刷涂層和隱身涂層等。

    各類表面強化和光飾技術：激光沖擊強化，全方位離子注人，雙輝表面改性，磨粒流和超聲或振動光飾技術等。

    高能焊接技術：電子朿、離子朿、激光、輝光和摩擦焊等。

    4、幾點思考和建議

    新中國建立以來，隨著我國航空發(fā)動機研制過程的開展，對于配套的材料研制和制造技術也進行了大量的型號攻關工作，先后完成了鋁合金、鈦合金、高強度鋼、鎳基高溫合金、樹脂基復合材料、各種涂層材料、非金屬材料等數(shù)百種材料仿制、研制，制定了一千余份材料和工藝標準，形成了航空發(fā)動機材料和制造技術生產(chǎn)能力。但由于種種原因，材料和制造技術仍是制約我國航空發(fā)動機發(fā)展的重要因素之一，應找準問題、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)發(fā)展、重點突破。

    對此，我有以下幾點看法和建議：

    （1）進一步提高現(xiàn)役發(fā)動機關鍵材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝成熟度

    國產(chǎn)現(xiàn)役航空發(fā)動機都是多年前仿制國外或自行研制和改進改型的發(fā)動機，經(jīng)過較長時間的使用，迫切需要進一步延長使用壽命，保證我國空軍的戰(zhàn)斗力。這些發(fā)動機采用的主要材料和制造技術，由于其研制時的認識和經(jīng)費的限制，對材料和制造技術工程化的深人研究不夠，在發(fā)動機服役過程中，材料和制造技術的技術質(zhì)量問題時有發(fā)生，如材料質(zhì)量不穩(wěn)定引起性能波動、工藝成熟度不高造成零件合格率較低、設計用材料性能數(shù)據(jù)缺失等，給定壽、延壽及排故工作帶來一些障礙，甚至嚴重影響了部隊的作戰(zhàn)訓練。

    （2）進一步加強新研和在研材料的工程化應用研究和驗證

    國外研究的經(jīng)驗和國內(nèi)研制的實踐表明：工程化應用研究是新材料與制造技術提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不經(jīng)過工程化應用研究，材料與制造技術存在的各種問題就難以得到充分暴露，從而為后面的型號研制帶來很大的風險，甚至嚴重拖延型號的研制進度，大幅增加研制成本。

    特別是部分已有預研成果的項目，由于缺乏工程化應用研究驗證，難以被發(fā)動機設計所選用，導致部分成熟發(fā)動機發(fā)展后勁不足、在研發(fā)動機研制缺乏有力的技術支持、新研發(fā)動機技術儲備不夠，部分型號無法按照節(jié)點完成研制任務。這些都需要通過新材料的工程化應用研究，盡快突破新材料、新結(jié)構的制造技術，穩(wěn)定制造工藝流程和質(zhì)量，提高技術成熟度。

    （3）梳理材料體系，優(yōu)選品種，完善數(shù)據(jù)，建立完善我國自主研制的發(fā)動機材料譜系和試驗數(shù)據(jù)庫

    由于歷史原因，我國航空發(fā)動機材料重復仿制現(xiàn)象較嚴重，造成材料牌號多、生產(chǎn)批量少、材料標準兼容性差、材料性能數(shù)據(jù)不全且分散度較大等問題，如：提供給設計使用的數(shù)據(jù)有缺項；工業(yè)生產(chǎn)條件下毛坯的性能數(shù)據(jù)不足，數(shù)據(jù)的可信度不高；與制造技術相關聯(lián)的材料性能數(shù)據(jù)更顯不足等。有必要下大決心，進一步梳理材料體系，優(yōu)選品種，完善數(shù)據(jù)，建立完善我國自主研制發(fā)動機必不可少的材料譜系和試驗數(shù)據(jù)庫。

    （4）大力加強發(fā)動機用高性能復合材料的研究和驗證

    復合材料構件具有材料/結(jié)構/制造一體化特征，是先進發(fā)動機突破輕量化和整體化的關鍵途徑之一。其中纖維增強樹脂基復合材料、纖維增強鈦基復合材料、纖維增強陶瓷基復合材料分別是支撐未來先進發(fā)動機低溫部件、中溫部件和高溫部件的三大關鍵新型材料。

    我國復合材料研究起步較晚，目前存在的主要問題有：缺乏復合材料構件一體化設計方法；對復合材料的損傷失效模式認識不清，尚未完全建立復合材料構件的設計準則；缺乏復合材料構件的驗證考核方法等。

    （5）重視民用航空發(fā)動機材料的適航取證研究工作

    在民用航空發(fā)動機用材料方面，我國現(xiàn)有發(fā)動機產(chǎn)品系列不全，適航取證經(jīng)驗缺乏，大涵道比渦扇發(fā)動機和長壽命航改燃機剛剛起步，長壽命、高可靠性發(fā)動機材料和制造技術工程化應用研究還是空白，與型號的迫切需求還存在明顯的差距。需要在民用航空發(fā)動機材料的適航取證方面進行補課，盡快開展相關研究工作。（作者：劉大響院士，中國航空發(fā)動機集團有限公司）

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責任編輯：王元

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