航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势.docx

航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势1、航空发动机关键材料技术的发展现状与趋势航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，在各类武器装备中，航空发动机对材料和制造技术的依存度最为突出，航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和制造技术的要求逼到了极限。材料和工艺技术的发展促进了发动机更新换代，如：第一、二代发动机的主要结构件均为金属材料，第三代发动机开始应用复合材料及先进的工艺技术，第四代发动机广泛应用复合材料及先进的工艺技术，充分体现了一代新材料、一代新型发动机的特点。在航空发动机研制过程中，设计是主导，材料是基础，制造是保障,试验是关键。从总体上看，航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展，发动机性能的改进一半靠材料。据预测，新材料、新工艺和新结构对推重比1215一级发动机的贡献率将达到50%以上，从未来发展来看，甚至可占约2/3。因此，先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现，使发动机质量不断减轻，发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高，可以说没有先进的材料和制造技术就没有更先进的航空发动机。正是由于不断提高的航空发动机性能对发动机材料与制造技术提出了更高的要求，各航空发达国家都投入了大量人力、物力和财力，对航空发动机用的材料与制造技术进行全面、深入的研究，取得了丰硕的成果，满足了先进发动机的技术要求。从国外航空发动机材料与制造技术的发展情况来看，加强材料与制造技术工程化研究是缩短发动机研制周期、减少应用风险、增加研制投入产出比最有效的途径之一。因此从20世纪70年代至今，航空发达国家安排了一系列的发动机材料和制造技术工程化研究计划，规划了整个材料和制造技术领域的发展方向，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础。如美国综合高性能发动机技术(IHPTET)计划、下一代制造技术计划(NG-MTI),美国空军复合材料经济可承受性计划(CAD等(见表Do表I美国部分航空发动机材料和制造技术发展计划Tab1.e1Somep1.ansofaeroenginemateru1.sandmanufacturingtechno1.ogyinUS序号计划名忤实更年代着注I航空航天推进计1959-推双比68发动机懵研.材料为双要令Jji之.2发动机修件电进(ECD计划1977-1981推重比8发动机改进改5!.对材料的使用可毒性进行r深入研究.3发动机热竭部件技术(HOST)计划1980-1987F1.oo.F1.1.O发动机改进改量.Jf点研究/涡轮叶片的材H特性和防护涂层.4综合育性能潜轮发动机技术(IHPTET)计划1988-2005新一代推IK比12-15一级涡扇/功Ii比11-12JS济轴发动机HS研.S先进SSia发动机技术计划(HITEMP)19892005对先进复合材科的可行性验证、结构分析忸型的证实及试验方法的研究.包括金属间化合物，间左、离分子复合材料等.6先期概念技术演示物i£计划(ACTD)19952005F1.19涡扁发动机/PW2O7次轴发动机研制.用小于材科与制地技术的工程化研究.7极高效的发动机技点(UEET)计划20002005面向GENX阚发动机.AE1107潜轴发动机研制.材料为七个子课d之一.8先进航空发动机材料(ADAM)计划2003研究下一代发动机用触晶介金.轻Kfi景离H软鼠材料.先选金属笔复合材料.革新的粉末材料,先遣的低接技术.9下一代1造技术计划(NGMT1.)2004*-2008金属加工制造和复合M料加工制造是兵中两个IR要研究翼域.10力用於济可承受先进涡轮发动M(VAATE)20062017面向新一代推收比1520一级涡1.功双比12-15一锻涡轴发动机偿研.强调4%共用技术.材料作为四个研究计划的小点技术支持小姐之一.通过这些国家层面的大型研究计划，大大推动了一批新材料和新工艺在发动机上的应用，使得材料耐温、强度水平不断提高，满足了部件的承温承载要求；高可靠性轻量化结构和精密、高效、低成本制造技术迅速发展和应用，满足了发动机新型整体结构的设计要求，使得发动机部件重量越来越轻；先进涂层技术和特种制造技术得到了广泛应用，大大缩短了发动机研制周期、使得新型航空发动机的性能不断提升。2先进航空发动机对材料技术的需求先进航空发动机主要指第四代和新一代更高推重比/功重比的军用涡扇/涡轴发动机，以及新一代干线客机用大涵道比涡扇发动机,这类先进发动机除具有更高的性能指标外，还要全面满足可靠性、安全性、经济性、适航性、环保性等要求，对材料和工艺提出了新的发展需求，主要包括：(1)风扇和压气机钛合金/高温合金双性能(精锻+高速铳+线性摩擦焊)整体叶盘，整体叶环(碳纤维树脂固化环冠箍或SiC纤维增强钛基复合材料)，宽弦或小展弦空心掠形叶片(钛合金超塑成形/扩散连接(SPF/DB)+线性摩擦焊)，风扇/压气机轴和轴颈采用SiC纤维钛基复合材料，整流叶片及机匣采用阻燃钛或Ti2A1.Nb合金，风扇和压气机机匣采用增强纤维三维编织(OPC)技术，AIIoyC阻燃钛合金压气机机匣，有机复合材料机匣等。(2)燃烧室耐温14501650°C的陶瓷基复合材料(CMCs)或MA956合金瓦片浮壁燃烧室，1.amiUoy多孔层板火焰筒,抗氧化C/C复合材料或MA956合金1.ami1.1.oy多孔层板加力衬筒，精铸丫-TiA1.+HIP多通道扩压器，Ti2A1.Nb合金或其复合材料燃烧室机匣等。(3)涡轮Rene88DTN18涡轮盘,CMSX-4GPWA1484+热障涂层(TBCs)涡轮叶片，涡轮动叶和导叶采用热障涂层，涡轮动叶采用单晶对开叶片或双层壁发汗冷却铸冷叶片，导叶采用陶瓷基复合材料(CMCS)或NiA1.,MA956多孔层板高效冷却双叶片，双腹板盘、双结构盘或辐条式盘双性能粉末涡轮盘或含Nb的TiA1.合金或SiC纤维增强金属基复合材料(MMC),涡轮机匣采用超纯高温合金或Ti2A1.Nb合金或其复合材料，低压涡轮轴采用SiC长纤维钛基复合材料(比IN718轴减重30%、比钛轴刚性增加40%)等。(4)加力/喷管/机械系统蜂窝或多孔层板结构钛合金加力筒体，MA956合金多孔层板隔热屏，陶瓷基复合材料或C/C复合材料喷管调节片/密封片，Ti2A1.Nb合金(SPF/DB)调节片支撑结构，高强高韧不锈钢+表面强化齿轮和轴承,润滑系统为-50220/250低挥发、高润滑油(氟硅油)，指尖十刷封+蜂窝低、中、高温封严装置，密封件为-5(350°C氟酸橡胶或金属橡胶等。(5)其他特种涂层技术：热障涂层(TBCS),抗氧化高温涂层，低、中、高温硬质、轻质封严涂层，低、中、高温硬质、轻质耐磨涂层，钛合金防应力腐蚀、抗冲刷涂层和隐身涂层等。各类表面强化和光饰技术：激光冲击强化，全方位离子注入，双辉表面改性，磨粒流和超声或振动光饰技术等。高能焊接技术：电子束、离子束、激光、辉光和摩擦焊等。3几点思考和建议新中国建立以来，随着我国航空发动机研制过程的开展，对于配套的材料研制和制造技术也进行了大量的型号攻关工作，先后完成了铝合金、钛合金、高强度钢、银基高温合金、树脂基复合材料、各种涂层材料、非金属材料等数百种材料仿制、研制，制定了一千余份材料和工艺标准，形成了航空发动机材料和制造技术生产能力。但由于种种原因，材料和制造技术仍是制约我国航空发动机发展的重要因素之一，应找准问题、统筹规划、协调发展、重点突破。对此，我有以下几点看法和建议：(1)进一步提高现役发动机关键材料的质量稳定性和工艺成熟度国产现役航空发动机都是多年前仿制国外或自行研制和改进改型的发动机，经过较长时间的使用，迫切需要进一步延长使用寿命，保证我国空军的战斗力。这些发动机采用的主要材料和制造技术，由于其研制时的认识和经费的限制，对材料和制造技术工程化的深入研究不够，在发动机服役过程中，材料和制造技术的技术质量问题时有发生，如材料质量不稳定引起性能波动、工艺成熟度不高造成零件合格率较低、设计用材料性能数据缺失等，给定寿、延寿及排故工作带来一些障碍，甚至严重影响了部队的作战训练。(2)进一步加强新研和在研材料的工程化应用研究和验证国外研究的经验和国内研制的实践表明：工程化应用研究是新材料与制造技术提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不经过工程化应用研究，材料与制造技术存在的各种问题就难以得到充分暴露，从而为后面的型号研制带来很大的风险，甚至严重拖延型号的研制进度，大幅增加研制成本。特别是部分已有预研成果的项目，由于缺乏工程化应用研究验证，难以被发动机设计所选用，导致部分成熟发动机发展后劲不足、在研发动机研制缺乏有力的技术支持、新研发动机技术储备不够，部分型号无法按照节点完成研制任务。这些都需要通过新材料的工程化应用研究,尽快突破新材料、新结构的制造技术,稳定制造工艺流程和质量，提高技术成熟度。(3)梳理材料体系，优选品种，完善数据，建立完善我国自主研制的发动机材料谱系和试验数据库由于历史原因，我国航空发动机材料重复仿制现象较严重，造成材料牌号多、生产批量少、材料标准兼容性差、材料性能数据不全且分散度较大等问题，如：提供给设计使用的数据有缺项；工业生产条件下毛坯的性能数据不足，数据的可信度不高；与制造技术相关联的材料性能数据更显不足等。有必要下大决心，进一步梳理材料体系，优选品种，完善数据，建立完善我国自主研制发动机必不可少的材料谱系和试验数据库。(4)大力加强发动机用高性能复合材料的研究和验证复合材料构件具有材料/结构/制造一体化特征，是先进发动机突破轻量化和整体化的关键途径之一。其中纤维增强树脂基复合材料、纤维增强钛基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料分别是支撑未来先进发动机低温部件、中温部件和高温部件的三大关键新型材料。我国复合材料研究起步较晚，目前存在的主要问题有：缺乏复合材料构件一体化设计方法；对复合材料的损伤失效模式认识不清，尚未完全建立复合材料构件的设计准则；缺乏复合材料构件的验证考核方法等。(5)重视民用航空发动机材料的适航取证研究工作在民用航空发动机用材料方面，我国现有发动机产品系列不全，适航取证经验缺乏，大涵道比涡扇发动机和长寿命航改燃机刚刚起步，长寿命、高可靠性发动机材料和制造技术工程化应用研究还是空白，与型号的迫切需求还存在明显的差距。需要在民用航空发动机材料的适航取证方面进行补课，尽快开展相关研究工作。