耐高溫材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究

趙傳東 李金燕 張歡

摘要：航空發(fā)動機(jī)的核心機(jī)工作條件極度惡劣，尤其高壓渦輪轉(zhuǎn)子的部件燒蝕嚴(yán)重，為提高航空發(fā)動機(jī)的推重比、效率和可靠性，急需進(jìn)行耐高溫材料的研究和發(fā)展，如高溫合金、鈦合金材料、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）等。本文詳述了常見的耐高溫材料的性能以及在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，對今后耐高溫材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

Abstract： The working conditions of the core engine of aero-engines are extremely bad， especially the parts of high-pressure turbine rotors are severely ablated. In order to improve the thrust-to-weight ratio， efficiency and reliability of aero-engines， research and development of high-temperature resistant materials such as high-temperature alloys and titanium are urgently needed. Alloy materials， ceramic matrix composite materials （CMC）， etc. This article details the performance of common high-temperature resistant materials and their application status in aero-engines， and prospects the application and development prospects of high-temperature resistant materials in aero-engines in the future.

關(guān)鍵詞： 耐高溫材料;航空發(fā)動機(jī);研究進(jìn)展

Key words： high temperature resistant materials;aero-engine;research progress

中圖分類號：V263.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0055-02

0? 引言

航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)是國防科技戰(zhàn)略的核心產(chǎn)業(yè)，也是民用航空產(chǎn)業(yè)的基石。自1903年機(jī)械師布朗研制的航空活塞發(fā)動機(jī)應(yīng)用于萊特兄弟的飛機(jī)以來，航空發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了飛躍式的發(fā)展，在推重比、增壓比、渦輪前進(jìn)口溫度、熱效率和可靠性等方面都發(fā)展到了較高的水平。第四代以后的航空發(fā)動機(jī)，要求更高的發(fā)動機(jī)推重比和熱效率，這就要提高渦輪葉片的耐高溫性能，從而提升渦輪前進(jìn)口溫度。傳統(tǒng)的耐高溫材料通常為高溫合金、難熔金屬等金屬材質(zhì)且已接近其性能極限，新型航空發(fā)動的研制對材料耐高溫性提出更高要求，這就需要擺脫傳統(tǒng)材料的束縛，尋找輕質(zhì)、耐高溫、高強(qiáng)度、高可靠性的新型材料。

1? 耐高溫材料性能及其應(yīng)用

1.1 難熔金屬及合金材料? 高熔點(diǎn)金屬（W、Re、Nb、Mo等）及其合金可承受高于2100℃高溫，并且具有良好耐磨性和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而成為最早應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的耐高溫材料之一。難熔金屬的物理性質(zhì)存在差異，在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)也不盡相同，表1[1]列出了目前常見的可在高溫條件下使用的材料。由表中數(shù)據(jù)可以直觀看出鎢（W）的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)最高，其耐熱性相比其他金屬也最好，同時具有較好的抗氧化性、耐磨性，是許多熱強(qiáng)合金的重要組成部分。但是鎢金屬本身的密度較大，低溫強(qiáng)度低等缺點(diǎn)限制了其在航空發(fā)動機(jī)的其他部件中的應(yīng)用。但是通過合金化處理，可以顯著提高其高、低溫環(huán)境中的表現(xiàn)，從而增加其應(yīng)用的范圍。通過加入能產(chǎn)生固溶體的合金元素或者彌散強(qiáng)化，可以制成高強(qiáng)度鎢，同時使原材料具有更好的抗氧化性和加工性能。GE將鎢銅合金應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的熱端部件，可以有效降低熱端部件的鎢的受熱程度。這種鎢銅合金采用粉末冶金方法制取，當(dāng)燃燒室的混合氣體點(diǎn)燃產(chǎn)生高溫燃?xì)?，足以使得鎢銅合金中的銅迅速升華帶走大部分熱量，從而降低合金的溫度，起到發(fā)汗冷卻作用[2]，提高部件的耐高溫性能和加工性能。通過向鎢（W）中摻雜錸（Re）可以增強(qiáng)鎢（W）的物理性質(zhì)，提高其低溫加工性能和高溫穩(wěn)定性，從而提高合金的低溫可塑性，增加抗疲勞性能，在各類航空發(fā)動機(jī)中都有廣泛應(yīng)用。在難熔金屬中，錸（Re）的綜合性能全面，各項性能較為優(yōu)異，由表中數(shù)據(jù)可知，錸（Re）的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都較高，僅低于鎢（W），耐高溫，耐高強(qiáng)度摩擦，同時耐高溫腐蝕，是航空發(fā)動機(jī)研制中重要的選材。但是錸（Re）的產(chǎn)量較低，使用成本高，基本被幾大發(fā)動機(jī)制造商瓜分。以2006年錸（Re）的消耗分布為例，通用（Ge）使用量占28%，普拉特惠特尼（PW）使用量占12%，勞斯萊斯（R-R）使用量占28%，均用于制造高溫合金。同時，錸（Re）本身抗氧化性能較差[3]，這些因素限制了錸（Re）的推廣使用。可以使用銥（Ir）來提高其抗氧化性。由表中數(shù)據(jù)可以看出，銥（Ir）的熔點(diǎn)為2410℃，抗氧化能力較強(qiáng)，且銥（Ir）與錸（Re）的熱膨脹率相近，非常適合作為錸（Re）的外表涂層，既提高了其抗氧化性能，又保證其在高溫環(huán)境的可靠性和耐高溫性。由表中數(shù)據(jù)可知，鉬（Mo）和鈮（Nb）的密度最低，且二者熔點(diǎn)相近切居中，適合作為優(yōu)先考慮重量的航空航天原件的材料，但鉬（Mo）的延展性較差，限制其使用。鈮（Nb）的抗氧化性較差，需要添加表面涂層。難熔金屬作為耐高溫材料使用有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如塑性好、耐高溫、耐磨等，但普遍存在抗氧化能力差、成本較高、資源緊缺等問題，限制了其在未來航空發(fā)動機(jī)研制中的應(yīng)用與發(fā)展。但是難熔合金以及與陶瓷材料組成的陶瓷基耐高溫材料具有優(yōu)異的特性，是今后難熔金屬作為耐高溫材料的發(fā)展方向。

1.2 碳/碳復(fù)合材料? 碳/碳復(fù)合材料（以下稱C/C復(fù)合材料）是指以碳做基體，由碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料的制備過程中，先將碳纖維通過編制、產(chǎn)套等方式制成與產(chǎn)品形狀相似的增強(qiáng)體坯件，再將碳源物質(zhì)導(dǎo)入碳纖維坯件中，通過加熱使其碳化形成碳基體。C/C復(fù)合材料性能優(yōu)異，密度較低、熱膨脹率較小、比模量高、比強(qiáng)度高、耐燒蝕、耐摩性好。但是C/C材料的抗氧化性能較差，在氧化環(huán)境中400℃以上即會發(fā)生氧化反應(yīng)，從而降低其性能，500℃以上則會燃燒，使材料徹底損壞，喪失其作用?？赏ㄟ^改善基體或表面涂層的方法來提高其抗氧化性。采用浸漬料漿法改良機(jī)體，可制成含SiC、WC、TaC等的耐燒蝕、耐高溫氧化的C/C復(fù)合材料;采用含有TiC、HfC、HfB2等的涂層可提高C/C復(fù)合材料1600℃以下抗氧化性[4]。由于氧化物涂層在高溫中更易分解、氣化，其只能起到短時間的保護(hù)作用。

改進(jìn)后的C/C復(fù)合材料原有性能不變，同時解決了其耐氧化性差的缺點(diǎn)，有利于減輕航空發(fā)動機(jī)的重量，提高渦輪前溫度，從而提高航空發(fā)動機(jī)推重比和效率。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)行了C/C復(fù)合材料的研制，且已在航空發(fā)動機(jī)的部件進(jìn)行應(yīng)用和推廣并取得較好的表現(xiàn)：美國F100航空發(fā)動機(jī)的噴嘴和加力燃燒室噴管采用了C/C復(fù)合材料;此外，俄、法、德等國也大力發(fā)展C/C復(fù)合材料，已經(jīng)制成C/C復(fù)合材料的渦輪轉(zhuǎn)子外環(huán)、噴油管等[5]。

1.3 陶瓷基復(fù)合材料? 傳統(tǒng)的陶瓷材料耐高溫、密度小、硬度高，但是其塑性差，在高溫環(huán)境下，會出現(xiàn)開裂、脆性變大等現(xiàn)象。為解決這些問題，材料學(xué)家研制出陶瓷基復(fù)合材料（CMC），其通過高彈性、高強(qiáng)度的纖維與成分相近的基體復(fù)合，增強(qiáng)其高溫環(huán)境下的強(qiáng)度和抗熱震性，對于提高航空發(fā)動機(jī)的推重比有很重要的意義。目前應(yīng)用最為成熟的是碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC），其發(fā)展水平代表著一個國家的航空航天技術(shù)水平。目前僅美、德、法、日等國家都在大力發(fā)展并掌握著CMC-SiC產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，并以及應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的核心機(jī)部分。日本采用CMC-SiC材料研制了航空發(fā)動機(jī)渦輪外環(huán)，零件的重量較輕、耐磨性好、耐燒蝕;Trent800發(fā)動機(jī)中渦輪外環(huán)采用CMC-SiC材質(zhì)，減少了冷卻空氣的需求量，提高其工作溫度和使用壽命;GE與R-R公司聯(lián)合研制了CMC-SiC渦輪導(dǎo)向葉片，并應(yīng)用于F-35戰(zhàn)機(jī)，使得發(fā)動機(jī)油耗明顯降低[6];美國F414發(fā)動機(jī)燃燒室采用CMC-SiC材料，提高了燃燒室耐高溫性，使得燃燒室所需冷卻空氣減少，提高了工作溫度和使用壽命;CMC-SIC對于追求高推重比的發(fā)動機(jī)意義重大。

我國陶瓷基復(fù)合材料的研制尚處于發(fā)展階段，與發(fā)達(dá)國家的水平差距較大，CMC的技術(shù)尚未成熟，無法應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)熱端應(yīng)用。為減少與國外CMC研制水平的差距，我國應(yīng)重視CMC的研究，借鑒國外的發(fā)展經(jīng)驗，完善CMC配套產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，努力建成“材料-工藝-設(shè)計”一體化專業(yè)能力[7]，借助中商發(fā)、中航發(fā)等公司促進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，提高發(fā)動機(jī)性能，與先進(jìn)國家生產(chǎn)的CMC構(gòu)件相競爭，不斷提高自己的水平與實力。

1.4 高溫涂層材料? 除了在熱端部件中使用難熔金屬、復(fù)合材料等方法以外，在高溫部件表面使用涂層材料也可以提高其抗高溫氧化、抗高溫?zé)岣g、抗熱震等性能，提高航空發(fā)動機(jī)的可靠性，延長其使用壽命。目前正在使用的高溫涂層材料有鋁化物，MCrAlY（M=Ni，CoNiCo），以及陶瓷涂層等，相關(guān)信息如表2所示[8]。鋁化物涂層采用高溫滲透技術(shù)[9]，將鋁元素滲透至基體材料中，在高溫工作環(huán)境中氧化形成保護(hù)層，從而阻止基體材料的進(jìn)一步氧化和熱蝕。MCrAlY和陶瓷涂層為典型的包覆涂層結(jié)構(gòu)，在合金外表面形成氧化物保護(hù)膜，將合金與高溫燃?xì)飧綦x，提高其耐熱性并降低合金氧化速度[10]。

2? 結(jié)語

隨著航空業(yè)的發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)推重比以及熱端部件高溫工作可靠性和效率的極致追求，對耐高溫材料的性能提出更高的要求。本文提到的碳/碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及耐高溫涂層等在高溫條件下各項性能表現(xiàn)優(yōu)異。由于傳統(tǒng)難熔合金材料在航空發(fā)動機(jī)中服役時間較長，性能不斷改進(jìn)，目前耐高溫復(fù)合材料仍未能完全取代傳統(tǒng)難熔金屬合金，在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用有限。但隨著科技進(jìn)步以及發(fā)動機(jī)性能參數(shù)的不斷提升之需要，耐高溫復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用是必然趨勢，我國應(yīng)抓住此次發(fā)展時機(jī)，在耐高溫材料領(lǐng)域取得更大的突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]張勇，何新坡，曲選輝，段柏華.超高溫材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用[A].材料導(dǎo)報，2007.

[2]王零森.鎢基復(fù)合材料自發(fā)汗冷卻機(jī)理研究[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報，1983.

[3]Sherman A J.et al. Impact of the mechanical properties of rhenium on structural design[C]//TMS Annual Meeting， Rhenium and rhenium Alloys，1997：291.

[4]任學(xué)佑，馬?？?C/C復(fù)合材料的發(fā)展前景[J].材料導(dǎo)報，1996（2）：72.

[5]李賀軍，羅瑞盈，楊崢.碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].材料工程，1997（8）：8-10.

[6]Ralf Riedel， I-Wei Chen. Ceramics Science and Technology Volume 4：Applications. Wiley-VCH， Weinheim，Germany， 2013：172-178.

[7]高鐵，洪智亮，楊娟.商用航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望[A].航空制造技術(shù)，2014.

[8]陳孟成，霍曉，高陽，等.高溫涂層的研究和發(fā)展[J].材料工程，1999（6）：40-42.

[9]張鵬，朱強(qiáng)，秦賀勇，沈文濤.航空發(fā)動機(jī)用耐高溫材料的研究進(jìn)展[A].材料導(dǎo)報，2014.

[10]姚明明，緱英俊，何業(yè)東.高溫防護(hù)涂層研究進(jìn)展[J].中國粉體技術(shù)，2005（3）：32.