干货丨世界最先进的航空发动机都采用了哪七大最尖端新材料？

航空制造是高新技术最集中的领域，属于先进制造技术。比如美国普惠公司研制的F119发动机，通用电气公司的F120发动机，比如法国的SNECMA公司的M88-2发动机，再比如英国、德国、意大利和西班牙四国联合研制的EJ200发动机。值得一提的是，这些代表全球最先进水平的航空发动机，其共同特点是采用了新材料、新工艺和新技术。下面就分别介绍所使用的七大新材料如下：

什么是碳/碳复合材料？ 它是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度(<2.0g/cm³)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，尤其是在1650℃以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是全球最有发展前途的高温材料之一。

虽然碳/碳复合材料有很多十分优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料的性能急剧下降。所以，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有氧化防护措施。碳/碳复合材料的氧化防护主要通过以下两种途径，即在较低的温度下可以采取基体改性和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护；随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。当前使用最多的是涂层的方法，随着科技不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

值得一提的是，C/C基复合材料是近一些年来全球最受重视的一种更耐高温的新材料。因为只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，曾经是美国21世纪重点发展的耐高温材料，尤其是全球先进工业国家拼力追求的最高战略目标。

所谓C/C基复合材料，就是碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的耐熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于C/C基复合材料具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，因此，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而能够提高。特别是在1650℃以下时仍然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有非常大的发展潜力。

什么是超高强度钢？20世纪40年代中期，美国研制成Cr-Mo钢(AISI4130)和Cr-Ni-Mo钢(AISI 4340)，经淬火和低温回火后，抗拉强度分别为170和190kgf/mm²。到了50年代初，在AISI 4340钢的基础上加入Si和V，制成300M，抗拉强度达190~210kgf/mm²。1960年，国际镍公司制成马氏体时效钢，抗拉强度约为180kgf/mm²，断裂韧度高达390kgf/mm。到了70年代，美国在300M基础上降C增Si，改善韧性，发展成HP310钢；在马氏体时效钢的基础上研究成AF1410钢，抗拉强度为170kgf/mm²，断裂韧度达400kgf/mm。

值得注意的是，超高强度钢必须具有高的抗拉强度，和保持足够的韧性,还要求比强度(强度与密度之比)大和屈强比(σ_s/σ_b)高，以减轻构件的重量，而且要有良好的焊接性和成形性等工艺性能。超高强度钢对冶金质量要求非常高，往往采用电弧炉和电渣重熔冶炼。要求纯度高的钢种，多采用真空感应炉或真空自耗电弧炉冶炼。中、低合金超高强度钢在热处理时应防止脱碳；马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢,可以用普通加热炉固溶处理。焊接时须采用保护气体焊接或采用钨极氩弧焊接。某些含碳较高的(0.4%左右)低合金超高强度钢，焊接后应立即进行去应力退火。

值得一提的是，超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。比如第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

再比如第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我们的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。

 

众所周知，飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，比如AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢。与之相配套的起落架制造技术已经应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在不断研发及提高中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，可以用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。比如俄罗斯的斯米格-1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国际上还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，比如CSS-42L、GearmetC69等，并早在发动机、直升机和宇航中使用。

什么是高温合金材料？高温合金实际上分为三类材料：760℃高温材料、1200℃高温材料和1500℃高温材料，抗拉强度800MPa。或者说是指在760~1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料。其重要特点：具有十分优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为全球军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。

760℃高温材料从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了高速发展期。到了40年代初，英国首先在80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成γ'相(gamma prime)以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。此时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用Vitallium钴基合金制作叶片。

值得一提的是，美国还研制出Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。后来，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，比如英国的“Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中，加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，比如X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。

40年代，铁基高温合金也获得了发展，50年代出现A-286和Incoloy901等牌号，但由于高温稳定性较差，因此发展较慢。前苏联于1950年开始生产“ЭИ”牌号的镍基高温合金，后来生产“ЭП”系列变形高温合金和ЖС系列铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的十分苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，特别是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，因此早期英国研制了Ni₃（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，另外，又不断发展了Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，比如著名的普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

什么是陶瓷基复合材料？它是一种以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

由于陶瓷材料具备优良的耐磨性，并且硬度高、耐蚀性好，因此获得了非常广泛应用。但是，陶瓷的最大缺点是脆性大，对裂纹、气孔等很敏感。20世纪80年代以来，通过在陶瓷材料中加入颗粒、晶须及纤维等得到的陶瓷基复合材料，让陶瓷的韧性大大提高。

陶瓷基复合材料具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐磨耐蚀和良好的韧性，已用于高速切削工具和内燃机部件上。但这类材料发展较晚，其潜能尚待进一步发挥。研究重点是将其应用于高温材料和耐磨、耐蚀材料，比如大功率内燃机的增强涡轮、航空航天器的热部件以及代替金属制造车辆发动机、石油化工容器、废物垃圾焚烧处理设备等。

说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，可能有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种十分有发展前途的新型结构材料，尤其是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

全球各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了很大的进展，尤其应用在现代航空发动机中。比如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。再比如法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。

什么是金属间化合物？金属与金属或金属与准金属 (如 H、B、N、S、P、C、Si等)形成的化合物。两种金属的原子按一定比例化合，形成与原来两者的晶格均不同的合金组成物。金属间化合物是受到普遍重视的新型材料。

事实上，高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。金属间化合物一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因此成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

什么是树脂基复合材料？它是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。树脂基复合材料在航空、汽车、海洋工业中有十分广泛的应用。

复合材料的树脂基体以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代，美国在F-4、F-111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，到了50年代后期，美国中程潜地导弹“北极星A-2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%;后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A-3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A-3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。到了70年代，采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到十分广泛的应用。

树脂基复合材料在航空涡扇发动机上的应用研究始于20世纪50年代，经过60余年的发展，GE、PW、RR以及MTU、SNECMA等公司投入了大量精力进行树脂基复合材料研发，取得了很大进展，已经将其工程化应用到现役航空涡扇发动机，并且还有进一步扩大应用量的趋势。

什么是金属基复合材料？它是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。其增强材料大多为无机非金属，比如陶瓷、碳、石墨及硼等，也可以用金属丝。它与聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料一起构成现代复合材料体系。

金属基复合材料特点：在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。比如碳纤维增强铝复合材料其比强度3~4×10⁷mm，比模量为6~8×10⁹mm，再比如石墨纤维增强镁不仅比模量可达1.5×10¹⁰mm，而且其热膨胀系数几乎接近零。

值得一提的是，和树脂基复合材料相比，金属基复合材料具有良好的韧性，不吸潮，能够耐比较高的温度。金属基复合材料的增强纤维有金属纤维，比如不锈钢、钨、铅、镍铝金属间化合物等；陶瓷纤维，如氧化铝、氧化硅、碳、硼、碳化硅等。

金属基复合材料的基体材料有铝、铝合金、镁、钦及钦合金、耐热合金、钻合金等。其中以铝铿合金、钦及铁合金为基的复合材料是目前主要选择对象。比如以碳化硅纤维增强钦合金基体复合材料可用来制造压气机叶片。碳纤维或氧化铝纤维增强镁或镁合金基体复合材料可用来制造涡轮风扇叶片。又比如镍铬铝铱纤维增强镍基合金基体复合材料可用来制造涡轮及压气机用的密封元件。

另外，风扇机匣、转子、压气机盘等零件，国外都有采用金属基复合材料制造的实例。但这种复合材料存在的最大问题之一是增强纤维和基体金属之间容易发生反应而产生脆性相，使材料性能变差。尤其是在较高温度下长时使用，界面的反应更为突出。当前解决的办法是根据不同纤维、不同基体，在纤维表面加适当涂层，以及对基体金属进行合金化，以减缓界面的反应，保持复合材料性能的可靠性。

发动机风扇叶片，是涡扇发动机最具代表性的非常重要的零件，涡扇发动机的性能与它的发展息息相关。与钛合金风扇叶片相比，树脂基复合材料风扇叶片具有十分明显的减重优势。除具有明显的减重优势之外，树脂基复合材料风扇叶片受撞击后对风扇机匣的冲击较小，因此，有利于提升风扇机匣包容性。

国外商业化应用的复合材料风扇叶片的主要代表有：为B777配套的GE90系列发动机，为B787配套的GEnx发动机，同时还有为中国商飞C919配套的LEAP-X发动机。早在1995年，装配树脂基复合材料风扇叶片的GE90-94B发动机正式投入商业运营，标志着树脂基复合材料在现代高性能航空发动机上正式实现工程化应用。在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司又为后续的GE90-115B发动机研制了新的复合材料风扇叶片。

21世纪，航空发动机对高损伤容限复合材料的强烈需求牵引着复合材料技术进一步发展，而通过不断提高碳纤维/环氧树脂预浸料韧性的方法已经很难满足高损伤容限的要求。由此，3D编织结构复合材料风扇叶片开始出现。

发动机风扇机匣使用的材料

发动机风扇机匣是航空发动机最大的静止部件，它的减重将会直接影响航空发动机的推重比与效率。因此，国外先进航空发动机OEM也始终致力于风扇机匣的减重与结构优化工作。

发动机风扇帽罩使用的材料

由于是非主承力构件，风扇帽罩是航空发动机上最先使用的复合材料制造的部件之一，使用复合材料制造的风扇帽罩可以提供更轻的重量、简化的防冰结构、更好的耐蚀性以及更优异的抗疲劳性能。比如著名的R.R公司的RB211发动机、PW公司PW1000G、PW4000采用树脂基复合材料制备风扇帽罩。

相比航空发动机主机，树脂基复合材料在航空发动机短舱具有十分广阔的应用空间，全球厂商已经在短舱进气道、整流罩、反推装置、降噪声衬部位大规模使用树脂基复合材料。在其他部位方面，在航空发动机风扇流道板、轴承封严盖、盖板等部位也在不同程度的应用树脂基复合材料。