摘要 綜述了航空發動機的材料、結構、工藝特點以及高溫合金在航空發動機領域的發展過程與研究應用現 狀。詳細對比了DD9、TA29和優質GH4738合金在航空發動機領域的研究現狀。通過分析指出，高溫合金應向著 低成本、高強度、高抗熱腐蝕性、低密度的方向發展。

關鍵詞 高溫合金,航空發動機,TA29,DD9,GH4738

1 引言

航空工業的發展主要體現在航空渦輪發動機的設計、制造工藝和生產技術是否達到先進水平，能否生產出先進航空發動機體現著國家科技程度、軍事力量和綜合國力?，F代先進航空發動機必須滿足超高速、大升限、長航時、遠航程的要求，因此，航空渦輪發動機推力勢必增大，燃燒室的溫度隨之升高，航空發動機的工作性能和可靠性主要取決于其零部件能否有效承受熱沖擊、高溫腐蝕、高熱變和復雜應力。為達到航空發動機在高溫環境下可靠運行的目的，航空零部件大量使用高溫合金制造，以此保證航空發動機在高溫工作時的安全性和各項性能達標。本文主要介紹現代先進航空發動機的制造材料、內部構造及加工特點和高溫合金在航空工業領域的發展過程與研究應用的現狀，綜合目前國內航空發動機的發展近況，對中國航空發動機先進高溫合金的發展提出建議。

2 航空發動機制造材料、內部構造及加工特點

衡量一款先進航空發動機的性能是否優越，其推力和推重比大小是關鍵之一，因此，現代航空發動機大量采用輕量化、整體化結構。航空發動機的零部件制造普遍使用高溫鈦合金、鎳基高溫合金等材料，由于航空發動機的制造材料和內部構造復雜等特點，先進航空發動機的制造工藝難度主要表現在制造材料加工困難、內部構造復雜、加工精度要求高等方面。

2.1 制造材料加工

航空發動機的主要高溫零部件普遍使用高溫鈦合金和其他高溫合金材料制造，這類材料擁有很高的熱硬度、熱強度和動態切變強度，加工十分困難，加工過程中容易導致刀具與工件產生劇烈磨損，降低工件表面加工質量和表面完整性。為保證航空發動機工作時零部件的性能和安全，其核心轉子部件通常使用整體鍛造毛坯生產，導致加工過程中材料切除率超過90%。因此，現代航空工業致力于改善航空發動機零部件制造過程中的加工精度、加工工藝和表面完整性。

2.2 內部構造

現代航空發動機采用輕量化結構以增加工作效率，其零部件普遍設計為復雜曲面和高效率結構整體，因此航空發動機零部件的制造需要更加先進的制造工藝和制造設備。大涵道發動機內部結構尤其復雜，以現有的制造工藝與制造設備無法生產出符合要求的零部件。因此，面對復雜的零件構造，在現有基礎上應積極研究先進制造工藝和先進制造技術，提高復雜航空零部件的制造水平并有效控制制造成本。

2.3 加工精度

航空發動機的工作性能和運行安全性取決于其零部件的精度，因此航空發動機零部件制造要求極高的加工精度。由于航空發動機制造材料加工困難、內部構造復雜，目前的加工工藝無法滿足其高精度制造的要求，導致國產航空發動機零部件一致性差、合格率低等問題，生產工藝的落后極大地阻礙了我國先進航空發動機的研制進度。

為了保證先進航空發動機的推力、推重比以及可靠性，生產過程中普遍采用大量高溫合金，內部構造復雜，零部件加工精度要求十分苛刻，使得航空發動機的生產制造需要更加先進的制造工藝和設備。為了達到新一代航空發動機的性能提升、輕量化結構的目的，制造技術與制造材料起著關鍵作用。

3 高溫合金在航空發動機領域的發展過程

我國在高溫合金領域的研發已有60年，根據2012年出版的《中國高溫合金手冊》，列入高溫合金牌號205個，成為繼美、英、俄后第四個擁有自主高溫合金體系的國家，使我國航空發動機的生產和發展逐漸突破了高溫合金材料的瓶頸。

我國高溫合金的研發始于1956年，經過前蘇聯專家的指導，我國生產了高溫合金GH3030。1960年后，前蘇聯專家撤華，我國需要自主研發一批新型高溫合金材料來滿足當時在研航空發動機WP-5、WP-6、WP-7和WP-8的性能需求，因此，我國自主的高溫合金生產工廠和研究基地陸續成立并完善，同時裝備了完整的生產、檢測和科研儀器設備。起初我國主要仿制生產了一系列前蘇聯高溫合金，如GH4033、GH4037、GH4049、GH2036、GH3030、GH3039、GH3044、K401、K403和K406等，同時自主研制出一系列鐵鎳基高溫合金，如GH1140、GH2135、GH2130、GH2302等。

1964年，我國在研制WP-7發動機時，為了達到渦輪前溫度提高100℃的需求，研發了低密度、高強度鎳基鑄造高溫合金K417，并在此后30多年使用該高溫合金累計生產41萬片空心鑄造渦輪葉片裝備WP-6、WP-7航空發動機，這類發動機在服役期間未曾發生重大事故，證明了K417的可靠性。

20世紀70年代初至90年代初，在研制新型高溫合金用以裝備WS-9、WZ-6、WZ-8等發動機的過程中，我國引進了一系列歐美國家的先進高溫合金與制造技術，并按照國外的技術標準進行自主研發生產，極大提高了材料綜合性能。在此過程中，我國的生產工藝取得進步，同時建立并完善了高溫合金質量管理體系，并成功研發了一系列高性能變形合金、鑄造合金、定向凝固及單晶合金。

20世紀90年代初至21世紀初，我國各型號軍機發動機面臨更新換代，第三代戰斗機和某型無人機研制項目啟動，各項先進航空發動機研發項目提上日程，包括WP-14、WS-9、WS-10等。因此，我國研發了一批滿足以上航空發動機性能要求的新型高溫材料，并在研發過程中建立和完善了旋轉電極制粉工藝粉末高溫合金生產線，研制了粉末渦輪盤材料FGH4095和FGH4096；采用機械合金化工藝技術，研制了氧化物彌散強化高溫合金MGH4754和FGH2756；研制了第一代、第二代單晶高溫合金DD3、DD402、DD408、DD406等，新型定向凝固柱晶合金DZ4125、DZ4125L、DZ604M、DZ417G，低膨脹系數合金GH2907、GH2909以及耐熱腐蝕高鉻合金GH4648等。在這一階段，GH2132、GH4169、GH738、GH4141、GH605、GH706等多種高溫合金被用于各型渦扇發動機制造。

回顧我國60年高溫合金發展歷史，可見，航空發動機性能指標的提高推動著新型高溫合金的發展。

4 高溫合金在航空發動機領域的應用現狀

21世紀初至今，為應對復雜的國際環境和加強國防建設，我國航空工業開展了一系列新型航空器的研制工作，其中包括第四代戰斗機項目、航空母艦艦載機項目、新一代遠程戰略轟炸機項目、通用型中型直升機項目與軍用大型運輸機項目。為了達到上述航空器整機國產化、脫離受制進口俄制發動機的目的，我國同時開展了一批先進航空發動機的研制工作，其中包括WS-12、WS-13、WS-14、WS-15、WS-17、WS-18、WS-20等一系列發動機。為了達到先進航空發動機超高速、大升限、長航時、遠航程的要求，燃燒室溫度進一步升高，現有高溫合金制造的零部件無法滿足先進航空發動機的性能要求，因此，新型高溫合金的研發與生產是我國先進航空發動機制造的關鍵之一。

4.1 第三代單晶高溫合金DD9

現代先進航空發動機對于葉片的制造材料有極高的要求，因此，我國自主研發了第三代單晶高溫合金DD9。DD9單晶高溫合金以Ni為基，由Co、W、Ta、Al、Cr、Mo、Re、Nb、Hf、C等合金元素組成。實驗表明，DD9單晶高溫合金的熔化溫度范圍達到1360℃-1411℃，因為DD9中含有較多W、Mo、Ta、Re等高熔點元素，顯著提高了DD9在高溫環境下的拉伸性能。在980℃以上的高溫條件下，DD9合金表現出很高的屈服強度；在1100℃的高溫條件下，DD9合金表現出的屈服強度更加顯著。目前，DD9主要應用于太行改進型發動機的葉片制造。

4.2 新一代600℃高溫鈦合金TA29

由北京航空材料研究院研發的新一代600℃高溫鈦合金TA29在620℃仍具有良好的蠕變抗力，滿足其他性能指標的同時，可在620℃高溫環境下長時間使用。TA29高溫鈦合金由Ti、Al、Sn、Zr、Nb、Ta、Si、C等元素組成，其主要成分特點是通過Nb與Ta元素進行合金化，以此達到固溶強化增強的作用，由此提高了TA29在高溫環境下的抗氧化能力，并提高了其熱穩定性。TA29經過成分控制后擁有低Fe低O的成分特點，因此，TA29擁有較好的高溫蠕變性能。此外，TA29在750℃-800℃高溫環境下擁有較高的抗拉強度。

4.3 優質GH4738合金

在GH4738合金及其盤鍛件研制的基礎上，通過優化冶煉工藝、成分控制、開坯工藝、鍛造工藝及熱處理工藝，成功研制了滿足航空發動機盤鍛件要求的GH4738合金，并命名為優質GH4738合金。優質GH4738的合金成分與普通的GH4738的合金成分最顯著的區別在于其具有低碳、高Al高Ti、低S低O的特點。受成分特點影響，優質GH4738合金的強度、合金純凈度顯著提高。通過優化GH4738合金的開坯工藝、鍛造工藝及其熱處理工藝，優質GH4738合金航空渦輪盤的組織得到有效控制，使得其盤體部分晶粒度普遍達到ASTM8-9級，軸部晶粒度更是達到了ASTM5級甚至更細，實現了對合金力學性能的提升。

5 結論

目前我國的高溫合金產業正處于高速發展階段，無論在軍事領域或是民用領域，高溫合金都有廣泛應用，尤其在航空航天領域起著關鍵作用。我國目前自主設計制造的航空發動機與俄羅斯和歐美國家生產的航空發動機性能上仍然存在較大差距。通過分析航空發動機的發展趨勢，高溫合金必定向著低成本、高強度、高抗熱腐蝕性、低密度的方向發展。綜合我國目前航空發動機高溫合金的研究發展狀況提出以下建議：

（1）在現有工藝基礎上，繼續改善高溫合金在各溫度下的承受載荷能力，進一步延長合金工作壽命。應進一步加大對高溫合金領域的科研資金投入，研發新型高溫合金，使其具有更加優異的關鍵性能，致力于提高其表面耐高溫的能力，使高溫合金材料的適用范圍進一步涉及到更多領域。

（2）開發低密度單晶高溫合金，航空發動機對動葉片工作時具有非常大的離心力，因此，低密度合金有助于改善發動機性能。積極借鑒國外的先進生產工藝、生產技術，在此基礎上探索研發新工藝、新技術，降低高溫合金材料的生產成本。

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第一作者：秦琴，碩士，講師，四川大學錦城學院機械工 程學院，611731成都市 First Author：Qin Qin，Master，Lecturer，College of Mechanical Engineering，Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 61173J．China