航空發(fā)動機材料及工藝發(fā)展淺析

■ 劉巧沐 / 中國航發(fā)渦輪院 李園春 / 中國航發(fā)

航空發(fā)動機對材料、工藝有著極其嚴苛的要求。材料、工藝在某種程度上決定了發(fā)動機的性能和特性。發(fā)動機推重比的提高將更加依賴輕質(zhì)、高強韌、耐高溫的戰(zhàn)略型、革命性先進材料及工藝。

航空發(fā)動機是人類有史以來最復雜、最精密的工業(yè)產(chǎn)品之一，集成了空氣動力學、結(jié)構(gòu)強度、材料、工藝等相關(guān)專業(yè)的最高成就。經(jīng)過幾代人的努力，我國已具備自主研制先進軍用航空發(fā)動機的能力[1]。為進一步提高發(fā)動機推重比以滿足作戰(zhàn)平臺的需求，必須大量采用輕質(zhì)、高強韌、耐高溫的先進材料、工藝和結(jié)構(gòu)布局[1-3]。

新材料和工藝需求對體系發(fā)展帶來挑戰(zhàn)與機遇

隨著先進航空發(fā)動機性能參數(shù)的提升，對新型高強鈦合金/鈦鋁（TiAl）系合金/變形高溫合金及其復合材料、新型鎳基/鎳鋁（Ni3Al）系單晶合金和粉末合金、鈮-硅（Nb-Si）系合金、高熵合金、碳化硅陶瓷基復合材料（CMC-SiC）、樹脂基復合材料（PMC）等新型結(jié)構(gòu)材料的需求愈發(fā)迫切，也對我國材料及工藝體系提出了更高要求。

新型高強韌鈦合金/鈦鋁系合金/變形高溫合金及復合材料

鈦合金、鈦鋁（TiAl）系合金伴隨著發(fā)動機輕質(zhì)化需求而不斷發(fā)展。鈦合金目前的最高使用溫度為600 ～650℃，TiAl系合金的使用溫度范圍為650～950℃[4]，但其突出的室溫脆性、缺口敏感等問題，使其只能部分替代高溫合金或單晶合金。另外，隨著發(fā)動機各截面工作溫度的提高，還需發(fā)展更耐溫、更高強韌的新型變形高溫合金。

我國自20世紀80年代開始自主研制高溫鈦合金，目前已掌握了合金成分、組織、性能匹配控制及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，研制及應用水平基本實現(xiàn)了與國際先進水平同步，但還需要進一步提高組織性能均勻性，挖掘合金潛力。針對TiAl系合金，重點突破了材料設(shè)計、制備工藝、組織優(yōu)化與控制、塑韌性提高等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出多個代表性合金，但還需要深化研究高強韌性組織匹配、低塑韌性材料應用設(shè)計等技術(shù)，拓展其應用。隨著合金設(shè)計方法的進步、鑄-鍛設(shè)備及工藝的發(fā)展，多種新型變形高溫合金成功獲得應用，但隨著合金化程度的提高，合金熔鑄與熱加工藝難度大增，需突破大尺寸錠重熔精煉、均勻變形等技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)組織性能均勻穩(wěn)定，實現(xiàn)性能、效率與成本的綜合平衡，加速研發(fā)和應用，為未來更高性能變形高溫合金的自主研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

目前，冷端轉(zhuǎn)子采用整體葉盤結(jié)構(gòu)的應用已趨設(shè)計極限，而整體葉環(huán)集先進結(jié)構(gòu)、材料于一體，綜合性能優(yōu)異且可實現(xiàn)輕量化，是下一代發(fā)動機輕質(zhì)化轉(zhuǎn)子的標志性選擇。SiC纖維增強鈦基（Ti-MMC）、TiAl基（TiAl-MMC）和鎳基復合材料（Ni-MMC）應用趨勢急速上升，MTU公司與羅羅公司等已造出Ti-MMC整體葉環(huán)（如圖1所示）、渦輪軸等試驗件，并進行了考核，輕質(zhì)效果顯著[5]。據(jù)預測，未來發(fā)動機用材中Ti-MMC約占30%，TiAl-MMC約占15%。

圖1 羅羅公司研制的Ti-MMC整體葉環(huán)[5]

我國自20世紀90年代開始Ti-MMC及其構(gòu)件研制，迄今先后突破了高性能單絲SiC纖維批產(chǎn)、高品質(zhì)先驅(qū)絲制備、構(gòu)件成形等關(guān)鍵技術(shù)，打通了Ti-MMC整體葉環(huán)一體化制造技術(shù)路線，但還需強化增強環(huán)芯形性控制、殘余應力調(diào)控等技術(shù)研究，充分發(fā)揮Ti-MMC的優(yōu)勢。

新型單晶合金與粉末合金

隨著渦輪前溫度的提高，渦輪葉片材料從變形、鑄造高溫合金發(fā)展到定向、單晶高溫合金，渦輪盤材料由合金鋼、變形高溫合金發(fā)展為粉末高溫合金。過去五六十年間，渦輪前溫度提高了約600K，材料與鑄造工藝貢獻了30%～40%。自普惠公司發(fā)明世界上第一個單晶合金PW1480至今，業(yè)界成功開發(fā)了多代鎳基、鎳鋁（Ni3Al）系單晶合金。中國是世界上較早研究單晶合金的國家之一，至今多個牌號已逐步獲得應用[6]。但隨著發(fā)動機發(fā)展，現(xiàn)用單晶合金受耐溫能力及鑄造工藝性限制，應用已趨于極限，急需發(fā)展初熔溫度更高、組織性能更優(yōu)、鑄造及焊接工藝性良好、成本可接受的新型單晶合金。

20世紀60年代初，美國率先研制粉末高溫合金并在渦輪盤上成功應用以來，粉末合金渦輪盤已在多型發(fā)動機上累計安全工作數(shù)千萬小時，粉末合金已成為先進航空發(fā)動機渦輪盤的首選材料。業(yè)界已開發(fā)出服役溫度更高、綜合性能更優(yōu)的高代次粉末合金，并根據(jù)渦輪盤不同部位對性能的側(cè)重，發(fā)展出雙性能/雙合金、雙輻板渦輪盤。我國已成功研制出第一代、第二代粉末合金，目前正在開發(fā)第三代、第四代粉末合金，但隨著發(fā)動機發(fā)展，還需在高品質(zhì)粉末、雙性能/雙合金/雙輻板渦輪盤制備及低成本工藝等方面深入開展研究。

碳化硅陶瓷基復合材料

CMC-SiC兼具金屬材料、陶瓷材料和碳材料的優(yōu)點，具有材料結(jié)構(gòu)一體化和多尺度特征，綜合性能優(yōu)異，是目前應用最成功的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)復合材料[7-9]，可用于發(fā)動機燃燒、渦輪和噴管等熱端部件（如圖2所示），被普遍視為發(fā)動機高溫結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)制高點。從20世紀90年代至今，歐美以第三代和第四代航空發(fā)動機為演示驗證平臺，逐步暴露材料、工藝和制造問題，建立對CMC-SiC構(gòu)件的應用信心及極限壽命的認知，逐漸將CMC-SiC應用于先進發(fā)動機。噴管調(diào)節(jié)片/密封片、燃燒室火焰筒及內(nèi)/外環(huán)等已完成全生命周期驗證并進入應用或批產(chǎn)階段，渦輪葉片等尚處于驗證階段[9]。

圖2 CMC-SiC在航空發(fā)動機中的應用[8-9]

迄今，我國CMC-SiC構(gòu)件的研制與應用可分為3個階段。前兩個階段，初步驗證了可行性和可用性，形成了一定的技術(shù)儲備；現(xiàn)階段主要針對發(fā)動機多類構(gòu)件需求進行典型件研制與應用研究?？傮w而言，國內(nèi)基本突破了SiC纖維及其復合材料制備技術(shù)，初步完成了典型件設(shè)計、制備與考核，但針對不同部位CMC-SiC構(gòu)件的制備技術(shù)路徑尚無定論，還需打破現(xiàn)有按原金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計和試制的模式，從全技術(shù)鏈路建立面向材料、工藝和制造的協(xié)同設(shè)計方法，突破結(jié)構(gòu)、強度、冷卻、連接設(shè)計，以及低成本構(gòu)件成形與加工、全生命周期檢測、評估與驗證等關(guān)鍵技術(shù)。

樹脂基復合材料

樹脂基復合材料（PMC）密度低，比強度和比模量高，可設(shè)計性強，用于發(fā)動機進氣機匣、外涵道機匣、風扇葉片/機匣等冷端部件可減質(zhì)20%～40%，是發(fā)動機冷端部件先進性的重要實現(xiàn)手段。國際領(lǐng)先公司目前已將PMC廣泛用于發(fā)動機冷端和外部部件，并大規(guī)模實現(xiàn)了第一代和第二代碳纖維增強PMC的應用，尤其是PMC外涵機匣大多已進入工程生產(chǎn)階段，技術(shù)成熟度達到9級。目前，正在開展耐溫400℃及以上材料研究。

我國已開展了大量PMC構(gòu)件的驗證工作，技術(shù)成熟度高于CMCSiC構(gòu)件，但較領(lǐng)先水平仍存在差距，需突破耐溫或/和耐濕型PMC開發(fā)、高溫模具、構(gòu)件設(shè)計與制造一體化、大型復雜構(gòu)件成形、缺陷檢測與評估等關(guān)鍵技術(shù)，還需提高國產(chǎn)化關(guān)鍵生產(chǎn)裝備工藝能力及配套軟件技術(shù)，解決成本過高等問題。

航空發(fā)動機材料及工藝體系存在的問題與不足

航空發(fā)動機材料工藝體系是一個以材料、工藝技術(shù)為核心，遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律，圍繞技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應用，按照基礎(chǔ)研究、應用研究、工程應用等展開，由基礎(chǔ)、制備、應用、分析、保障等技術(shù)要素構(gòu)成的系統(tǒng)有機整體。從航空發(fā)動機材料體系的歷史沿革來看，主體材料已由第一代發(fā)動機的鋼，發(fā)展到第三代發(fā)動機的鈦、高溫合金和復合材料，輔以各種新工藝、新結(jié)構(gòu)又演進出第四代發(fā)動機的主體材料、工藝（見表1）。世界領(lǐng)先的航空發(fā)動機公司持續(xù)推出了各具特色的品牌材料或工藝，并建立了各自的發(fā)動機材料及工藝體系。

表1 渦扇發(fā)動機典型材料和工藝

我國航空工業(yè)自20世紀50年代建立以來，便開始引進蘇聯(lián)航空產(chǎn)品，70年代又開始引進英、法、美等國航空產(chǎn)品，共生產(chǎn)了60余種型號、數(shù)萬架飛機和30余種型號、數(shù)萬臺發(fā)動機，發(fā)動機材料、工藝技術(shù)歷經(jīng)引進、仿制、研仿到自主研制的發(fā)展歷程。迄今，我國基本建立起完備的材料工藝體系，建成多個發(fā)動機材料、工藝研制與生產(chǎn)基地，也成為具有完整高溫合金體系的四個國家之一。然而，大量的引進和仿制導致我國同代次、同水平發(fā)動機材料多國牌號并存，使有限的支持碎片化，限制了材料的研制和發(fā)展，制約了選材的標準化、通用化、繼承性及經(jīng)濟性。

我國雖已能生產(chǎn)航空發(fā)動機用全部門類材料，但要實現(xiàn)未來先進航空發(fā)動機研制的自主保障，還需對我國航空發(fā)動機材料、工藝現(xiàn)狀進行梳理、分析和歸納，為應對新材料、新工藝需求提出的挑戰(zhàn)，還需解決以下幾個方面的問題和不足：未完全建立起科學統(tǒng)籌的基礎(chǔ)預研科技管理體系；未完全構(gòu)建起我國特色的航空發(fā)動機主干材料體系；未真正實現(xiàn)設(shè)計與材料、制造的協(xié)同；無統(tǒng)一的性能數(shù)據(jù)庫，缺乏高可靠統(tǒng)計許用值；無統(tǒng)一、適用、通用的標準體系；不注重全供應鏈管理，產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性差；缺乏新材料、新工藝技術(shù)快速迭代機制；未明顯突破返回料利用，全流程成本偏高。

關(guān)于材料及工藝發(fā)展的思考與建議

針對上述材料及工藝發(fā)展中存在的問題與不足，從理念、布局、機制和標準體系的角度提出如下思考和建議。

建立面向材料—制造一體化設(shè)計的“新理念”

構(gòu)建設(shè)計、材料、制造協(xié)同融合的研發(fā)流程，發(fā)展面向材料、制造的設(shè)計。充分利用預研形成的先進集成平臺，將其提升改造為新材料、新工藝專用驗證平臺，解決驗證資源問題。加強材料的“積木式”驗證和遞進式評價[10]，結(jié)合高精度與高置信度仿真技術(shù)[11]，面向全生命周期開展迭代與改進。

開展統(tǒng)籌全技術(shù)體系的“新布局”

系統(tǒng)梳理發(fā)動機材料、工藝技術(shù)樹，建立完整的技術(shù)體系，貫徹技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)異步、規(guī)劃互鎖的理念，科學全面、統(tǒng)籌精準制訂中長期發(fā)展專項規(guī)劃，制定技術(shù)地圖，集中投入，梯次發(fā)展，有序銜接。對標國際領(lǐng)先水平，梳理形成“卡脖子”技術(shù)清單，精準識別和瞄準當前技術(shù)短板、堵點和痛點，突破一批長期未有效解決的關(guān)鍵核心技術(shù)。

構(gòu)建舉國協(xié)同、融合創(chuàng)新的科技管理“新機制”

面向發(fā)展重大需求，通過部委協(xié)同，加強政策供給的繼承性、聯(lián)動性、集成性；發(fā)揮行業(yè)主體作用，強化需求牽引，加強產(chǎn)學研用協(xié)同和軍民深度融合。兼顧不同利益訴求，形成各主體、各環(huán)節(jié)高效協(xié)同、深度融合的創(chuàng)新體系和利益共同體。由小團隊研發(fā)向產(chǎn)學研用多學科交叉團隊轉(zhuǎn)變，強化從規(guī)劃論證、項目生成、攻關(guān)研究、考核評價、成果應用的“一條龍”高效項目模式，促進成果集成開發(fā)和轉(zhuǎn)化應用，打通管理鏈路和創(chuàng)新鏈路。變革科技管理思想，既要“放”“管”“服”，也要“精”“細”“控”，建立切實有效的知識產(chǎn)權(quán)特別是國防知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)讓、交易機制，創(chuàng)新科技激勵機制，合理解決從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)發(fā)展各環(huán)節(jié)的投入、貢獻和利益分配問題，充分調(diào)動各方積極性。

完善性能數(shù)據(jù)與標準的“新體系”

開展材料、工藝性能數(shù)據(jù)設(shè)計許用值統(tǒng)一管理，從全技術(shù)鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈角度嚴控生產(chǎn)過程和質(zhì)量細節(jié)，確保性能數(shù)據(jù)真實、可靠，盡快打造完成中國版標準化數(shù)據(jù)手冊。以研發(fā)流程為牽引，從使用者角度，統(tǒng)一標準架構(gòu)，豐富技術(shù)要素，整合、建立、完善全行業(yè)標準體系。構(gòu)建行業(yè)統(tǒng)一的考核評價和數(shù)據(jù)管理平臺。

結(jié)束語

輕質(zhì)、高強韌、耐高溫的戰(zhàn)略型、革命性先進材料及工藝是未來先進航空發(fā)動機的標志性選擇。應進一步聚焦基礎(chǔ)瓶頸、聚焦工程應用、聚焦資源投入、聚焦雙鏈完整，強化需求牽引、強化行業(yè)抓總、強化體系布局、強化協(xié)同融合、強化集中投入，走出中國特色的發(fā)動機材料及工藝自主、自立、自強之路。

（劉巧沐，中國航發(fā)渦輪院，研究員，主要從事航空發(fā)動機材料、工藝應用研究）