1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)期可靠工作的復(fù)雜熱力機(jī)械，在各類武器裝備中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料和制造技術(shù)的依存度最為突出，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長(zhǎng)壽命、高可靠性的工作要求，把對(duì)材料和制造技術(shù)的要求逼到了極限。材料和工藝技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了發(fā)動(dòng)機(jī)更新?lián)Q代，如：

第一、二代發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件均為金屬材料，第三代發(fā)動(dòng)機(jī)開始應(yīng)用復(fù)合材料及先進(jìn)的工藝技術(shù)，第四代發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用復(fù)合材料及先進(jìn)的工藝技術(shù)，充分體現(xiàn)了一代新材料、一代新型發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，設(shè)計(jì)是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是保障，試驗(yàn)是關(guān)鍵。從總體上看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)向著輕量化、整體化、復(fù)合化的方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)一半靠材料。

據(jù)預(yù)測(cè)，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)對(duì)推重比12~15一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)率將達(dá)到50%以上，從未來發(fā)展來看，甚至可占約2/3。因此，先進(jìn)的材料和制造技術(shù)保證了新材料構(gòu)件及新型結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量不斷減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)的材料和制造技術(shù)就沒有更先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

正是由于不斷提高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料與制造技術(shù)提出了更高的要求，各航空發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量人力、物力和財(cái)力，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的材料與制造技術(shù)進(jìn)行全面、深入的研究，取得了豐碩的成果，滿足了先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求。從國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料與制造技術(shù)的發(fā)展情況來看，加強(qiáng)材料與制造技術(shù)工程化研究是縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期、減少應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)、增加研制投入產(chǎn)出比最有效的途徑之一。

因此從20世紀(jì)70年代至今，航空發(fā)達(dá)國(guó)家安排了一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)材料和制造技術(shù)工程化研究計(jì)劃，規(guī)劃了整個(gè)材料和制造技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向，為各種先進(jìn)軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。如美國(guó)綜合高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃、下一代制造技術(shù)計(jì)劃(NG-MTI)，美國(guó)空軍復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)可承受性計(jì)劃(CAI)等（見表1)。

通過這些國(guó)家層面的大型研究計(jì)劃，大大推動(dòng)了一批新材料和新工藝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，使得材料耐溫、強(qiáng)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(gòu)和精密、高效、低成本制造技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用，滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)新型整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，使得發(fā)動(dòng)機(jī)部件重量越來越輕；先進(jìn)涂層技術(shù)和特種制造技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，大大縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期、使得新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷提升。

2 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料技術(shù)的需求

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，以及新一代干線客機(jī)用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這類先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)除具有更高的性能指標(biāo)外，還要全面滿足可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、適航性、環(huán)保性等要求，對(duì)材料和工藝提出了新的發(fā)展需求，主要包括：

(1)風(fēng)扇和壓氣機(jī)

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(qiáng)鈦基復(fù)合材料），寬弦或小展弦空心掠形葉片（鈦合金超塑成形／擴(kuò)散連接(SPF/DB)+線性摩擦焊），風(fēng)扇／壓氣機(jī)軸和軸頸采用SiC纖維鈦基復(fù)合材料，整流葉片及機(jī)匣采用阻燃鈦或Ti2AlNb合金，風(fēng)扇和壓氣機(jī)機(jī)匣采用增強(qiáng)纖維三維編織(OPC)技術(shù)，AlloyC阻燃鈦合金壓氣機(jī)機(jī)匣，有機(jī)復(fù)合材料機(jī)匣等。

(2)燃燒室

耐溫1450~1650℃的陶瓷基復(fù)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(fù)合材料或MA956合金Lamilloy多孔層板加力襯筒，精鑄γ-TiAl+HIP多通道擴(kuò)壓器，Ti2AlNb合金或其復(fù)合材料燃燒室機(jī)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(dòng)葉和導(dǎo)葉采用熱障涂層，渦輪動(dòng)葉采用單晶對(duì)開葉片或雙層壁發(fā)汗冷卻鑄冷葉片，導(dǎo)葉采用陶瓷基復(fù)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(gòu)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMC),渦輪機(jī)匣采用超純高溫合金或Ti2AlNb合金或其復(fù)合材料，低壓渦輪軸采用SiC長(zhǎng)纖維鈦基復(fù)合材料（比IN718軸減重30%、比鈦軸剛性增加40%)等。

(4)加力／噴管／機(jī)械系統(tǒng)

蜂窩或多孔層板結(jié)構(gòu)鈦合金加力筒體，MA956合金多孔層板隔熱屏，陶瓷基復(fù)合材料或C/C復(fù)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(gòu)，高強(qiáng)高韌不銹鋼＋表面強(qiáng)化齒輪和軸承，潤(rùn)滑系統(tǒng)為-50~220/250℃低揮發(fā)、高潤(rùn)滑油（氟硅油），指尖＋刷封＋蜂窩低、中、高溫封嚴(yán)裝置，密封件為-50~350℃氟醚橡膠或金屬橡膠等。

(5)其他

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

各類表面強(qiáng)化和光飾技術(shù)：激光沖擊強(qiáng)化，全方位離子注入，雙輝表面改性，磨粒流和超聲或振動(dòng)光飾技術(shù)等。

高能焊接技術(shù)：電子束、離子束、激光、輝光和摩擦焊等。

3 幾點(diǎn)思考和建議

新中國(guó)建立以來，隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程的開展，對(duì)于配套的材料研制和制造技術(shù)也進(jìn)行了大量的型號(hào)攻關(guān)工作，先后完成了鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金、樹脂基復(fù)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(biāo)準(zhǔn)，形成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料和制造技術(shù)生產(chǎn)能力。但由于種種原因，材料和制造技術(shù)仍是制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要因素之一，應(yīng)找準(zhǔn)問題、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)發(fā)展、重點(diǎn)突破。

對(duì)此，我有以下幾點(diǎn)看法和建議：

(1)進(jìn)一步提高現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝成熟度

國(guó)產(chǎn)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)都是多年前仿制國(guó)外或自行研制和改進(jìn)改型的發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用，迫切需要進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命，保證我國(guó)空軍的戰(zhàn)斗力。

這些發(fā)動(dòng)機(jī)采用的主要材料和制造技術(shù)，由于其研制時(shí)的認(rèn)識(shí)和經(jīng)費(fèi)的限制，對(duì)材料和制造技術(shù)工程化的深入研究不夠，在發(fā)動(dòng)機(jī)服役過程中，材料和制造技術(shù)的技術(shù)質(zhì)量問題時(shí)有發(fā)生，如材料質(zhì)量不穩(wěn)定引起性能波動(dòng)、工藝成熟度不高造成零件合格率較低、設(shè)計(jì)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(yán)重影響了部隊(duì)的作戰(zhàn)訓(xùn)練。

(2)進(jìn)一步加強(qiáng)新研和在研材料的工程化應(yīng)用研究和驗(yàn)證

國(guó)外研究的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)研制的實(shí)踐表明：工程化應(yīng)用研究是新材料與制造技術(shù)提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不經(jīng)過工程化應(yīng)用研究，材料與制造技術(shù)存在的各種問題就難以得到充分暴露，從而為后面的型號(hào)研制帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至嚴(yán)重拖延型號(hào)的研制進(jìn)度，大幅增加研制成本。

特別是部分已有預(yù)研成果的項(xiàng)目，由于缺乏工程化應(yīng)用研究驗(yàn)證，難以被發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所選用，導(dǎo)致部分成熟發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展后勁不足、在研發(fā)動(dòng)機(jī)研制缺乏有力的技術(shù)支持、新研發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)儲(chǔ)備不夠，部分型號(hào)無法按照節(jié)點(diǎn)完成研制任務(wù)。這些都需要通過新材料的工程化應(yīng)用研究，盡快突破新材料、新結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)，穩(wěn)定制造工藝流程和質(zhì)量，提高技術(shù)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(guó)自主研制的發(fā)動(dòng)機(jī)材料譜系和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)

由于歷史原因，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料重復(fù)仿制現(xiàn)象較嚴(yán)重，造成材料牌號(hào)多、生產(chǎn)批量少、材料標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)有缺項(xiàng)；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(shù)相關(guān)聯(lián)的材料性能數(shù)據(jù)更顯不足等。有必要下大決心，進(jìn)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(guó)自主研制發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的材料譜系和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)大力加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能復(fù)合材料的研究和驗(yàn)證

復(fù)合材料構(gòu)件具有材料／結(jié)構(gòu)／制造一體化特征，是先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)突破輕量化和整體化的關(guān)鍵途徑之一。其中纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料分別是支撐未來先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫部件、中溫部件和高溫部件的三大關(guān)鍵新型材料。我國(guó)復(fù)合材料研究起步較晚，目前存在的主要問題有：缺乏復(fù)合材料構(gòu)件一體化設(shè)計(jì)方法；對(duì)復(fù)合材料的損傷失效模式認(rèn)識(shí)不清，尚未完全建立復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；缺乏復(fù)合材料構(gòu)件的驗(yàn)證考核方法等。

(5)重視民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的適航取證研究工作

在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料方面，我國(guó)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品系列不全，適航取證經(jīng)驗(yàn)缺乏，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和長(zhǎng)壽命航改燃機(jī)剛剛起步，長(zhǎng)壽命、高可靠性發(fā)動(dòng)機(jī)材料和制造技術(shù)工程化應(yīng)用研究還是空白，與型號(hào)的迫切需求還存在明顯的差距。需要在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的適航取證方面進(jìn)行補(bǔ)課，盡快開展相關(guān)研究工作。