航空发动机的新材应用参考（推荐）_航空发动机工业应用
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航空发动机新材料应用
张梁
03
摘 要
航空发动机发展水平是一个国家国防科技水平的象征，而航空发动机的发展是受材料发展的制约。航空发动机工作环境苛刻，基本处于高温、腐蚀的工作状态，现如今大多采用高温合金，而航空发动机本身设计理念要求其自身“轻质量、高强度”，造成航空发动机在设计时出现结构与选材的相互制约。随着新材料的不断出现与发展，越来越多的新材料已逐渐应用到新型航空发动机上。未来高性能航空发动机在很大程度依赖于先进复合材料等新材料的发展，本文根据航空发动机材料的应用及发展前景进行论述。
关键词：航空发动机 材料发展 耐高温腐蚀 新材料
目录
绪 论
第一章 高温合金
1.1 1.2
绪论
航空发动机的发展不仅能增强国防实力，还能促进国民经济的广泛发展。高推重比、低油耗和高可靠性是航空发动机发展的主要指标。航空发达的国家正在实施推重比为15的综合化高性能涡轮发动机技术计划（IHPTET），可降低耗油率40%、降低成本60%，为了不断提高航空发动机的推力和效率，要求尽可能提高航空发动机上涡轮进口温度。目前推重比为10的发动机涡轮进口温度已达1580-1650℃。为进一步改善航空发动机的性能，有效地提高发动机推重比，将采用耐高温材料取代金属材料应用在航空发动机上。轻量化是飞机发展的主导，航空工业提出一句口号“为减轻每一克而奋斗”。耐高温材料具有良好的高温强度和高温抗氧化性等综合性能，使得它们能够作为极端环境下使用的候选材料，目前使用的耐高温材料有高温合金、钛合金、金属间化合物、难熔金属、金属陶瓷材料和复合材料、铝锂材料等。
第一章 高温合金
1.1高温合金概述
高温合金是以Fe、Ni、Co为基并能在600℃以上高温能够抗氧化和抗腐蚀并能在一定应力作用力下长期工作的一类金属材料，也称为耐热合金。
高温合金具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能，已成为航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等高温部件的关键材料，高温合金材料的用量占总用量的40%-60%。尤其当今航空发动机中，高温合金被誉为燃气涡轮的心脏。航空发动机用高温合金中，镍基高温合金比重达到55%-65%高温合金使用温度已达合金熔点的85%-90%，密度已达9.0g/cm3，似乎已达到极限，但实际上合金的改进工作仍然在不断进行着。航空发动机用镍基高温合金发展的重点是粉末涡轮盘高温合金和单晶高温合金及相应的高温隔热涂层。1.2 高温合金分类
高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。按合金基体元素，可分为铁基（含镍量达25％～60％，又称为铁镍基合金）、镍基和钴基高温合金，使用最广的是镍基高温合金，其高温持久强度最高，钴基高温合金次之，铁基高温合金最低。按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金和氧化物弥散强化高温合金。按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金。此外，按使用特性，高温合金又可分为高强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。1.3 粉末高温合金
粉末高温合金由于具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好和偏析少等优点，成为制备推重比达8以上的高性能发动机涡轮盘等关键部件的优选材料，可以满足应力水平较高的发动机的使用要求。我国在20世纪80年代初开始研制粉末高温合金，钢研总院成功研制出发动机规格的粉末涡轮盘材料FGH4095，性能也达到了标准的要求。FGH4095合金650℃时拉伸强度达1500MPa，1034MPa应力下持久寿命大于50h，是当前在650℃工作条件下强度水平最高的一种盘件粉末冶金高温合金。1.4 单晶高温合金
单晶高温合金在,950-1100℃温度范围内具有优良的抗氧化、抗热腐蚀等综合性能，成为高性能先进航空发动机高温涡轮叶片的主要材料。我国研制了DD402，DD406等单晶合金，其中第一代单晶合金DD402在1100℃、130MPa应力下持久寿命大于100h，适合制作工作温度在以1050℃以下的涡轮叶片，是国内使用温度最高的涡轮叶片材料。第二代单晶合金DD406含2%Re，使用温度可达800-1100℃，目前正在先进航空发动机上进行使用考核。1.5 镍基超合金
镍基超合金具有良好的高温蠕变特性!高温疲劳特性以及抗氧化、抗高温腐蚀等综合性能，满足了高推重比先进发动机的使用要求，为了使涡轮机叶片能够承受远超过Ni熔点的温度，除了升高Ni基超合金的使用温度外，还在基体表面涂敷绝热层（TBC），以及采取冷却措施等降低基体温度。CMSX-
10、Rene N6等含Re为5-6%的第三代单晶体Ni基超合金，其使用温度达到1050℃。近年来美国通用电气公司（GE），法国史奈克马公司（SENCMA）和日本国家材料科学研究所(NIMS)开发了第4代单晶体Ni基超合金，该合金不仅添加了Re，还添加了2-3%的Ru以提高合金组织的稳定性。NIMS研制了第5代单晶体Ni基超合金，在第4代合金的基础上增加了Ru含量，使合金的耐用温度达到1100℃。
第二章 钛合金
2.1 钛合金概述
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛
钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点而被用于制作飞机发动机压气机、风扇的盘件和叶片等零件，可以较明显地减轻发动机零部件的质量，从而提高发动机的推重比。在先进发动机上钛合金的用量仅次于高温合金，占发动机总质量的25-40%。近几年国外采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料等方法研制钛合金，使钛合金的使用温度提高到650℃以上，以此作为高温钛合金的发展方向。
当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。2.2 钛合金的发展
钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，我国一直都在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域，同时完全满足国家武器装备的生产需要。
钛及钛合金主要限制是在高温与其它材料的化学反应性差。此性质迫使钛合金与一般传统的精炼、熔融和铸造技术不同，甚至经常造成模具的损坏；结果，使的钛合金的价格变的十分昂贵，大大限制了钛合金的推广发展，未来钛合金的发展会逐步多元化，衍生多种新型钛合金材料，具备低成本、高性能、易加工焊接等的优越性能。
因此，在未来的航空发动机上钛合金将逐渐取代高温合金，钛合金在广泛应用到发动机后，将大大减少航空发动机的质量，使发动机的性能能够得到质的飞跃。随着新型钛合金不断的研发，钛合金在我国民生活也将得到深度的推广使用，大大有利于汽车、医疗等行业的发展。
第三章 耐高温材料
3.1 金属间化合物
金属间化合物是近几十年来研究的一类前景广阔、低密度的高温材料。目前，金属间化合物中熔点超过1500℃的就有300多种，其中Mo3Se、Re3Nb、W2Hf等金属间化合物的熔点都超过了2000℃。近年来Ti-Al和Ni-Al系材料的力学性能及应用研究取得了令人瞩目的成就。
在Ti-Al系金属间化合物中，主要研究的是Ti3Al基合金（TAC-1）、TiAl基合金（TAC-2）以及Ti2AlNb基合金，它们具有低密度（3.8-5.9g/cm3）、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等综合性能，成为使用温度在600℃以上非常有潜力的候选材料。Ti3Al和Ti2AlNb合金长期工作温度可达650-750℃，而TiAl基合金工作温度则可达760-800℃。Ti3Al用作航空发动机导向板和涡轮结合环等部件通过了使用考核。
在Ni-Al系金属间化合物中，主要研究Ni3Al基和NiAl基合金。Ni3Al基合金具有良好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。NiAl合金抗氧化性极好，也是一种很有潜力的新型高温结构材料，熔点高达1640℃。3.2 难熔金属材料
难熔金属（W、Re、Mo、Nb等）及其合金具有高熔点、耐高温和强抗腐蚀能力等优点，应用于固液火箭发动机和航天发动机等场合。其中研究和应用最多的主要是W、Re、Mo和Nb等金属。
钨（W）熔点最高，具有较好的抗氧化性和抗热震性，以及很好的抗烧损和抗冲刷能力，常用作发动机喉衬。为了提高钨的性能，在W中渗Cu，可以起到发汗剂的作用；在钨中添加碳化物颗粒（如ZrC或TiC颗粒），可减轻纯钨高温结构材料的质量，并能显著提高其力学性能和抗烧蚀性能；在钨中加入Re提高其塑性和强度，可增强材料的抗热疲劳性能和抗热振动能力。
铼（Re）具有高温强度大、耐磨、抗蚀等优异的综合性能，是高温环境中极有前途的候选材料。成本高、密度大（21g/cm3）、机械加工性能差及在升温时较低的抗氧化性是铼的主要缺点。可通过加铱（Ir）保护层来提高铼的抗氧化性。Ir-Re层状材料已在火箭发动机环境中进行测试，其使用温度超过2200℃，测试结果良好。
钼（Mo）的成本和密度都较低，而且Mo的硅化物（如MoSi2）具有优异的抗氧化性能，使用温度可达1700℃。但是Mo的延展性很差，在高温下易氧化。Mo和Si、B形成的三元化合物具有极高的高温强度，在1773K时屈服强度仍在1GPa以上，与其他高温结构使用的难熔金属基或陶瓷基材料相比，其性能非常优异。
铌（Nb）具有密度低和抗蚀性良好等优点，但Nb易氧化，使用时需进行表面涂覆处理。Rosenstein采用快速凝固工艺研制了含B或N的过饱和Nb基难熔合金。在温度达到2200℃时，Nb基合金仍保持良好的力学性能。Nb基难熔合金已用于小型液体火箭发动机。3.3 金属陶瓷材料
金属陶瓷是介于高温合金和陶瓷之间的一种高温材料，它兼顾了金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等特性，在航空航天等领域中拥有广阔的应用前景。
按照陶瓷相的不同，金属陶瓷可分４类：
1、氧化物基金属陶瓷；
2、碳化物基金属陶瓷；
3、硼化物基金属陶瓷；
4、含石墨和金刚石状态的金属陶瓷。
金属陶瓷具有良好的耐磨性与高温强度，可用于制造航空或航天发动机的阀、静止的环件等。硼化铬晶体和铬－钼合金粘结的硼化铬金属陶瓷具有良好的断裂强度和足够高的抗热震性，可用于制备燃气涡轮叶片、喷气发动机的喷管和内燃机阀座等。
碳硅化钛（Ti3SiC2）是其中研究最多的一种材料，具有耐高温、抗氧化能力强、强度高、热稳定性高的特点，又具有金属材料的导电、导热、可加工性、塑性等优异性能，是一种综合陶瓷材料。碳硅化钛在1200-1400℃高温下，强度比目前最好的耐热合金还高，又易加工，故完全可作高温结构材料用，其高温强度与抗氧化、抗热震等性能优于Si3N4，有可能用于片或涡轮叶片。
第四章 复合材料
4.1 金属基复合材料
金属基复合材料与传统金属材料相比，具有更高的比强度、比刚度、耐高温和结构稳定性等优异性能。钛基、钛铝化合物基和高温合金基复合材料耐温能力较强，是航空发动机中温（650-1000℃）部件的候选材料。连续纤维增强钛基复合材料具有高比强度、高比刚度、良好的耐高温及抗蠕变、抗疲劳等优异性能，是适用于700-900℃的航空发动机用轻质耐高温的理想结构材料。在新一代高推重比航空发动机上，利用SiCf/Ti复合材料制造整体叶环代替压气机盘和叶片，可大大减轻发动机部件的质量，从而大幅度提高发动机的推重比。SiCf/Ti复合材料在航空发动机上的典型应用是叶环类和轴类零件，美、英等国均研制出了多个零部件，并进行了发动机考核试验。罗罗公司制备的SiCf/Ti叶环质量减少３7％，使用温度提高10％，转速提高15％。
近年来，由于硅化物熔点高（高于2000℃），在1600℃具有良好的热稳定性、抗氧化性和良好的力学性能，被广泛应用于航空航天等领域。硅化物中Nb5Si3熔点最高，Ti5Si3密度最低。MoSi2的熔点虽低于上述两种材料，但是其高温抗氧化性能却位居所有金属硅化物之首。难熔金属硅化物基复合材料逐渐成为高温材料研究的新热点之一。
4.2 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温、高热导率、高弹性模量等优异的物理性能，并能在高温下保持很高的强度、良好的抗热震性和适中的热膨胀率，对减轻发动机涡轮叶片质量和降低涡轮叶片冷气量意义重大，是高温领域最有前途的材料。在2000℃以上氧化气氛中可用的候选材料主要是碳化物和硼化物。4.2.1碳化物陶瓷基复合材料
连续纤维增强的SiC陶瓷基复合材料目前主要有SiCf/SiC（SiC纤维增强）和Cf/SiC（C纤维增强）两大类，具有高韧性、低密度、良好的热稳定性和化学稳定性等优点。Cf/SiC在惰性环境中超过2000℃仍能保持强度、模量等力学性能不降低，但在高于400℃的氧化性气氛中易氧化，导致材料性能降低。SiC纤维具有较高的抗氧化能力，与SiC陶瓷基体有极好的相容性，氧化气氛中长期使用温度可达1400℃，使得SiC纤维强化的复合材料在性能上进一步提高。SiCf/SiC的主要应用领域包括推重比达10以上的航空发动机热端及测温保护部件。
HfC陶瓷的熔点高达3928℃，具有线膨胀系数相对较低、硬度较高等优点，能较好满足高温环境下的使用要求，但是抗氧化性能较差。在HfC内添加Ta和Pr可以改善其抗氧化性。ZrC陶瓷的性质与HfC相似，ZrC一般与其他材料复合使用，如使用SHS工艺制备的ZrB2和ZrC粉，在1800℃进行SPS烧结，可以研制出高致密度的ZrB2-ZrC复合材料，其硬度可达17.8GPa,断裂韧性为3.8MPa·m1/2。通过添加镧烧结助剂，在无压烧结的条件下可以得到ZrB2-ZrC复相陶瓷。此外，ZrC还可以与C、SiC等材料制备成ZrC/C和ZrC-SiC复合材料。4.2.2硼化物陶瓷基复合材料
ZrB2和HfB2等硼化物具有高熔点、高硬度、高热导率和良好的抗热震等优点。单相ZrB2和HfB2在1200℃以下具有良好的抗氧化性，高温环境加入SiC可以显著提高它们的抗氧化性能。
ZrB2-SiC材料具有很高的强度（超过1000MPa）、抗氧化性和良好的抗热震性。ZrB2-SiC复合材料在1800-24--℃范围内在最外层形成SiO2层，在最内层形成ZrO2，SiC与ZrO2在内部氧化区内共存。通过添加高强度、高硬度的SiC纤维来制备ZrB2-SiC复合材料，可以明显提高抗弯强度和抗氧化性。
HfB2-SiC体系中，SiC可以显著提高抗氧化性能，在高温时形成玻璃相的硅酸盐覆盖在材料的表层，该玻璃相在1600℃以下具有良好的保护作用。
美国宇航局在研究ZrB2-SiC和HfB2-SiC材料的基础上，又系统研究HfB2/HfC/SiC三元复合陶瓷。结果表明：三元陶瓷的综合性能要比ZrB2/SiC或HfB2/SiC性能更优异，是发动机热端等关键部件最有前途的超高温候选材料。4.3 树脂基复合材料
树脂基复合材料凭借比强度高、比模量高、耐疲劳与耐腐蚀性好和阻噪能力强等优点，在航空发动机冷端部件（风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等）和发动机短舱、反推力装置等部件上得到了广泛应用。树脂基复合材料已经发展到了耐温450℃的第四代聚酰亚胺复合材料，形成了从280-450℃涵盖四代的耐高温树脂基复合材料体系。
聚酰亚胺树脂是耐高温树脂的代表，具有良好的耐热性、力学性能和工艺性能等优点，主要有BMI型、PMR型和乙炔基封端的聚酰亚胺树脂。其中，PMR型聚酰亚胺树脂基复合材料耐温最高且应用技术最成熟，在航空（尤其是航空发动机）、航天等领域得到了广泛的应用。PMR-15聚酰亚胺树脂是第一个广泛使用的PMR聚酰亚胺高温复合材料树脂，具有优异的力学性能及良好的热氧化稳定性，可在288-316℃使用1000-10000ｈ；AFR-700B和RP-46树脂基复合材料具有优异的力学性能、较高的耐热性和良好的工艺性能；PMR-II-50复合材料已应用于发动机导向叶片衬套；北京航空制造工程研究所采用HT3/KH-304复合材料制造出了发动机外涵道；北京航空材料研究院采用LP-15/G827复合材料制备的航空发动机分流环已装机试用。4.4 C/C复合材料
C/C复合材料具有质量轻，比强度高，比刚度高，模量高，烧蚀性能、抗蠕变能力及抗热震性能良好等优点。惰性气氛中温度从室温升至2200℃，C/C复合材料的强度不断增加；大气中温度超过350℃时C/C复合材料易氧化，引起性能降低，造成应用极为有限。为了发挥C/C复合材料的全部潜能，研究氧化保护措施非常关键。抗氧化处理分为三类。
一、CVI工艺，比如使用有机硅烷气体热解，形成C/__（C/SiC）混杂基体复合材料，提高其抗氧化性；
二、料浆浸渍－热解工艺，即在浆料中加入添加剂（如SiC、ZrB2、Al2O3等），碳化后使用浸渍剂反复循环浸渍碳化；
三、改变表面涂层工艺，较成功的涂层包括HfC、TiC和Ir-Re等。杨艳波等采用等离子喷涂方法在碳／碳复合材料上制备了钨／碳化钛复合涂层并进行了涂层抗烧蚀性能研究，碳化钛涂层具有较好的热化学稳定性，烧蚀后没有明显的氧化现象。美、俄、法等国家近年来提出用SiC、HfC、TaC、NbC等难熔碳化物涂层来提高碳／碳复合材料的抗氧化能力，从而降低烧蚀率，承受更高的燃气温度，保证工作的可靠性。通过减少碳来源材料中的杂质、增加石墨化的程度、采用内部氧化抑制剂以及采用氧化保护涂层可抑制氧化。基于金属碳化物和金属氧化物的涂层与内部抑制剂相结合用于氧化保护，使用温度可达1600℃。最近，美国X-43A的尖锐前缘采用了C/C复合材料，其能够承受高达2200℃高温。
第五章 涂层材料
5.1 涂层材料简介
在合金表面施加防护涂层，既能提高合金抗高温氧化与热腐蚀性能，又可保持合金的力学性能，这方面取得了较好的进展，已广泛应用于航空航天、石油化工等领域。这里主要介绍镍基高温合金的防护涂层，包括扩散涂层、包覆涂层、热障涂层及新型高温涂层。扩散涂层是在高温下利用元素的渗透技术，将一些具有保护性的元素（如Al或Cr）扩散到基体中，利用其在高温下与空气中的氧所形成的氧化物来保护基体金属。在扩散涂层的形成过程中，基体参与涂层的形成，基体中的元素进入到涂层中，涂层下面的基体中形成扩散层。扩散涂层包括渗铝涂层、改性铝化物涂层。包覆涂层是利用各种物理的或化学的沉积手段在合金表面直接制备一层保护性薄膜。包覆涂层沉积时基材不参与涂层的形成，只提高与基材的结合力，故涂层成分的选择范围更广。包覆涂层按材料属性可分成金属涂层和陶瓷涂层两类。金属涂层最典型的是MCrAlY涂层。其中M为Fe、Co、Ni或它们的组合，Al用来形成保护性的Al2O3膜，Cr用来促进氧化膜的形成，并提高抗热腐蚀能力，Y用来提高氧化膜的附着力。陶瓷涂层中Al2O3涂层最具代表性。由于Al2O3具有良好的抗氧化性，故在合金表面制备一层Al2O3涂层，可以起到隔离气体介质，阻碍元素在高温下的迁移，直接对基体提供保护，降低合金氧化速度的作用。热障涂层（TBCs）由隔热性能良好的陶瓷氧化物面层和金属粘结底层组成，其作用为降低热端部件的工作温度，防止部件的高温腐蚀，改善材料的抗冷热疲劳性能，从而延长工件的使用寿命。新型耐蚀涂层包括多层涂层、梯度涂层、复合陶瓷、纳米晶涂层、智能涂层和玻璃基涂层等。
第六章 结论
发动机的温度范围和寿命要求是选择材料的最重要的准则。航空发动机要求高速、高温、高压大功率，因此材料必须具有高熔点、高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀等特性。现代发动机主体仍然是高温合金、钛合金等金属材料，未来会大量使用复合材料，防护涂层等新型材料，不断以减轻航空发动机质量为理念，将更多的新型材料应用到航空发动机上，使我国的航空发动机水平不断提高，实现中华民族的伟大复兴！
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