干货丨深度：工业皇冠上的明珠——航空发动机的材料应用和发展已超越你的想象
本文详细介绍了包括高温合金、钛合金、钢材等关键金属材料及陶瓷基复合材料在内的航空发动机材料的研发和应用情况。简述了我国航空发动机材料的研发现状、研发主体以及市场需求前景。每种航空发动机材料都有其各自的应用部件和阶段性研发成果。此外，本文也客观阐述了我国航空发动机材料研发、生产、应用方面存在的问题以及与国外的差距，并分析了问题的原因所在和未来努力的方向。
应用领域重点装备用材情况
1.1 航空发动机材料整体情况
航空发动机是尖端武器装备、民用航空器必不可少的动力系统，被誉为“工业皇冠上的明珠”，其发展水平集中体现了一个国家的工业基础和科技水平，是综合国力的象征之一。当前世界航空发动机产业形成了以美国GE、PW，英国RR，法国SNECMA等公司为主的高度垄断局面。我国航空发动机产业经过60多年的发展，特别是“十一五”以来快速发展，初步形成了以涡喷系列为代表的第二代发动机和以涡扇系列为代表的第三代发动机生产、新一代先进军用航空发动机以及国产大飞机发动机研发的大格局，极大提高了武器装备研制生产保障能力，为国防工业和民用航空工业发展作出了巨大贡献。
航空发动机材料是航空发动机产业的重要物质基础，经过几十年的发展，一些关键材料的国产化与自主化取得了长足进步，尤其是改革开放以来，国家工信部、发改委、总装备部、科技部等部门通过设立各类科技项目支持，开始了与国际同步的自主创新研究，一些新材料推动了我国航空发动机的顺利研制，为国防建设和国民经济发展作出了特殊的贡献。在新型先进动力型号的设计、研制和生产需求牵引下，研制和生产了一系列高品质的高温合金（Superalloy）、钛合金、钢材等关键金属材料及陶瓷基复合材料。
1.2 航空发动机材料应用
先进航空发动机朝着高涡轮前温度、高推重比、长寿命和低油耗方向发展，除了先进的设计技术，发动机性能的提高强烈依赖于先进材料及制造技术的发展，发动机的关键件和重要件亟需耐高温、高比强度、抗氧化的高温合金、钛合金、热障涂层和陶瓷基复合材料等先进材料，高温合金、钛合金、热障涂层三大类材料的用量已超过先进航空发动机总重量的80%。
高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的抗疲劳性能、断裂韧性等综合性能，主要用作航空发动机涡轮叶片、涡轮盘、涡轮轴、涡轮机匣、压气机叶片、压气机盘、压气机机匣、环形件、各类紧固件、各类管路等部件，已成为航空发动机热端部件不可替代的关键材料，被誉为“先进发动机基石”。高温合金按基体元素种类可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金；按照合金强化方式可分为固溶强化型高温合金和沉淀强化型高温合金；按照材料成型方式可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。
钛合金可以分为传统钛合金和Ti-Al系金属间化合物材料（TiAl、Ti3Al和Ti2AlNb合金），其中传统钛合金主要用于制造航空发动机风扇和压气机叶片、轮盘、鼓筒和机匣等零部件，这些零件要求材料在高温工作条件下（350-600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。经过几十年的发展，固溶强化型的钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。在650-850℃温度范围，将使用有序强化的Ti-Al系金属间化合物材料，这些合金具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，此外还具有低密度特点，有助于发动机整体减重，是航空发动机600℃以上应用的结构件的主选轻质耐高温材料，可用于制备高压压气机的叶片、轮盘、机匣和低压涡轮叶片等零部件。
航空发动机高性能热障与防护涂层提高了热端部件抗腐蚀、抗高温氧化和抗磨损等能力，可有效延长零部件的使用寿命，是提升航空发动机性能的重要保障性材料。热障涂层材料可以分为YSZ热障涂层（使用温度1170℃，涂层热障温度50-100℃）、稀土复合氧化物新型热障涂层（使用温度1200-1300℃，涂层热障温度150-200℃）、稀土镁基六铝酸盐新型热障涂层（使用温度1350℃，涂层热障温度200-250℃）。
陶瓷基复合材料由于其显著的耐温性以及优异的综合性能，符合先进航空发动机性能提升带来的对材料承温能力大幅提高的迫切需求，成为国外先进航空发动机研究的热点，国外已通过试车验证。国际上重点发展的超高温陶瓷及其复合材料主要有：1200-1400℃级SiCf/SiC陶瓷基复合材料、1400-1650℃级SiCf/SiBCN系陶瓷基复合材料。未来，陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用潜力巨大。
高温合金、钛合金已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料，主要用于热端关键部件（如图1所示），如高、低压涡轮盘，高、低压涡轮工作叶片和导向叶片，笔齿盘，压气机盘，涡轮轴、燃烧室、机匣等。这些热端部件长期在高温、高压、热腐蚀、氧化、高应力的苛刻条件下工作，因此对其冶金质量和制备工艺提出了严格的要求。
1.3 航空发动机材料研发现状
经过60余年的发展，我国基本形成了航空发动机材料基础研究、材料研制、材料生产材料应用研究和材料应用的主要力量，突破了关键材料研制与应用系列关键技术，基本解决了航空发动机领域的迫切需求问题；同时基本形成了关键材料产业主体单位，在产业化关键技术与装备等方面取得了较好进展，实现了航空发动机材料产业从无到有的转变。
航空发动机领域材料应用存在的问题
目前我国已形成了航空发动机材料研制与应用研究的主要力量，突破了材料研制与应用研究的系列关键技术，基本解决了航空发动机研制需求问题；同时基本形成了航空发动机材料产业主体单位，在产业化关键技术与装备等方面取得了较好进展，实现了关键材料从无到有的转变。但与美国、英国、俄罗斯等航空发动机强国相比，我国航空发动机材料的产业规模偏小、水平偏低，目前航空发动机材料主要存在以下问题：
（1）高温合金、钛合金以仿制为主，具有自主知识产权的合金较少，未形成自主材料体系，自主创新能力亟待加强。由于历史及诸多原因，我国高温合金、钛合金以跟踪仿制模式为主，自主创新能力不足，难以适应武器装备比肩和引领发展的需求。国内仿制了英国、美国、俄罗斯等国100多个牌号的高温合金，也就是说，在如此多的应用领域里，基本为仿制合金，没有形成自主材料体系，单晶高温合金方面，虽然自主研制了四个代次的合金，但由于航空发动机仿制需求仍仿制了多个国外合金；粉末高温合金方面，第一代和第二代粉末高温合金全部是仿制国外的。由于国内以仿制合金为主，未形成自主材料体系，亟需提高自主创新能力，钛合金主要仿制了美国、俄罗斯材料，形成了300-600℃范围内用的多种合金系列。
（2）航空发动机材料领域基础研究不足，研制单位过于分散，同水平材料过多，导致大部分材料特别是变形高温合金材料技术成熟度低，批次稳定性差、价格高，很多材料依赖进口。在航空发动机领域，发动机关键材料特别是变形高温合金材料研制生产单位尚未按照材料研制的全过程开展系统的研制工作，导致材料技术成熟度低，批次稳定性差，价格高，部分牌号合金大量依赖进口，如航空发动机领域用变形高温合金GH4169大规格棒材国内价格约350元/kg，国外对应牌号的IN718合金价格只有200元/kg，所以国内该合金70%以上依赖进口；冷拉棒材、丝材、带材、管材也主要依赖进口。
（3）航空发动机材料应用研究严重不足，生产与应用衔接不够，一方面，导致对材料研制过程和批产稳定性牵引和考核严重不足；另一方面，导致零部件制备工艺、设计使用技术不成熟甚至缺乏，设计使用数据和典型件考核试验严重不足，航空厂零件批产稳定性差、零件性能满足不了服役需求。出现“有材不会用、用不好，出了问题反而归结到材料上”的现象。
（4）国内市场容量有限、应用的牌号品种规格过多，导致需求牵引力不够，难以形成产业。航空用变形高温合金年需求量约10000吨，但牌号近80种；铸造高温合金年需求量不超过5000吨；粉末高温合金年需求量不超过1000吨；钛合金需求量不足4000吨。另外，国产民用航空发动机预计在未来10年很难达到批量生产状态，所需航空用高温合金、钛合金材料总量很难有大幅度提升。
（5）国内部分前沿材料和前沿先进技术尚未获得工程应用。在变形高温合金方面，750℃用盘件合金国外已实现应用，高温合金的三联纯净化熔炼工艺，国外在20世纪90年代已实现成熟应用，国内目前尚未应用；国外陶瓷基复合材料已经完成试车验证，而国内均尚处于研发阶段，且存在多种技术路线；国外铸造合金叶片已获得应用，而国内尚处于研发阶段。
（6）航空发动机材料生产应用数据“少、缺、散”现象较为严重，原始数据的记录内容很少，数据背景信息不完整，可追溯性差，很难形成数据资源积累，无法满足发动机设计所对材料数据的快速、及时的应用需求，难以保证数据的可追溯性。
