整机丨624所：高温合金在航空发动机三大部件中的应用与需求

导读：简述高温合金在航空发动机的应用和需求， 剖析存在问题， 提出改进发展高温合金， 推动航空发动机研制的建议。

高温合金是为满足航空发动机热部件对材料的苛刻要求而开始研制的，现已成为军用和民用发动机不可取代的关键材料。

1 高温合金在航空发动机中的作用和地位

高温合金在600摄氏度以上具有良好的综合性能，在现代航空发动机研制中的用量占到发动机质量40%~60%，被誉为“先进发动机的基石”。高温合金已成为决定发动机技术发展进程的关键因素。军用发动机通常以推重比综合评定其技术水平，提高涡轮前温度是提高推重比最直接的途径。航空装备不断升级，对发动机推重比的要求越来越高，对高温合金的依赖越来越大，要求越来越苛刻。改进发展高温合金，推动航空发动机研制，任重而道远。

2 高温合金在航空发动机的应用及需求

航空发动机在高温、高压、高转速下长期工作，高温合金是热部件的首选材料，主要用于燃烧室、涡轮、喷管等热部件和压气机后段零件，见图1。

2.1 在压气机部件的应用及需求

压气机的功能是进一步压缩空气，为燃油的燃烧提供气源，也为热部件冷却、冷部件加温及封严提供高速气流。压气机进出口气流的平均温度300~600摄氏度，峰值温度超过700摄氏度，总压比超过20。

压气机部件用材料较多，高温合金是关键材料之一。压气机后段温度较高，采用GH4169等变形合金制造转子件（叶片、轮盘等）和静子件(叶片、机匣等）。性能更优的粉末盘、GH4169G、718Puls已在先进发动机中应用。为满足先进高性能发动机需求，国内外正在研究TiAl系金属间合金、Ti基复合材料（MMC）等轻质材料。

2.2 在燃烧室部件的应用及需求

燃烧室的功能是将燃油的化学能释放为热能，是发动机热能发源地。燃烧室进出口气流平均温度600~2000摄氏度，芯部燃气平均温度1500~2100摄氏度。有两股气流冷却燃烧室降低壁温。燃烧室是温度最高、温度变化最大的热部件。

燃烧室部件用的高温合金种类较多，以变形合金为主，主要用于内外机匣、火焰筒等零件。传统的高温合金板材受合金熔点限制，已基本达到许用极限温度，难以进一步发展，须研究新材料和制备技术，以满足使用需求。目前国际上研究比较热门的新材料有陶瓷基复合材料（CMC）、MMC、机械合金化合金（ODS）、TiAl金属间化合物和多孔层板等，用于火焰筒的CMC已可耐1670摄氏度高温。

2.3 在涡轮部件的应用及需求

涡轮的功能是将燃气的热能转化为机械能，驱动压缩系统转子，为发动机和飞机提供机械能。涡轮是热负荷和机械负荷最大的热部件。涡轮盘和叶片是发动机技术难度的典型代表，最能体现“一代发动机、一代材料、一代工艺”的变化和高温合金的发展，见表1、图2。

导向叶片调整燃烧室出口燃气流动方向，是涡轮部件受热冲击最大、温度最高的零件。一般来说，同一状态下导向叶片的平均温度比工作叶片高100摄氏度左右，但应力较低。

工作叶片是离心负荷最大、工况最恶劣的零件。叶片在高温下高速旋转作功，承受的离心力相当于自重的20000倍，犹如“冰质糕匙搅热汤”，对材料、工艺和设计都是严峻考验。

熔模精铸技术突破后，采用定向凝固制备的定向、单晶合金的许用温度接近其初熔点的90%，各国先进航空发动机都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片提高工作温度。F119发动机用二代单晶PWA1484制成的超级冷却铸冷涡轮叶片，工作温度达到1621~1677摄氏度（比F100高200摄氏度）。

国际上单晶合金发展很快，现已发展到第五代。单晶合金熔点有限制，提高叶片工作温度主要靠冷却技术。冷却效果越高，叶片内腔结构越复杂，制造难度越大，需要发展制造工艺和新材料。目前国际上已在研究对开单晶叶片、多孔层板叶片和耐温更高的Nb-Mo合金、CMC叶片、碳/碳复材整体涡轮等。

涡轮盘是四大热部件质量和负荷最大的零件。盘轮缘温度550〜750摄氏度，轮毂约300摄氏度，温差应力和离心应力很大，还需承受启动、停车的大应力交变疲劳。GH4169涡轮盘用量最大，性能更优的粉末盘成为涡轮盘的首选，第二代粉末盘、双性能粉末盘已在先进发动机应用。第三代粉末盘、纤维增强金属基涡轮盘、单晶叶片+粉末盘整体涡轮等是当前热门研究课题。

2.4 在加力燃烧室和喷管部件的应用及需求

加力燃烧室组织第二次燃烧，使燃气进一步加温加速，通过喷管按设定方式急速排出而产生推力。加力燃烧室和喷管工况恶劣，尾喷口燃气的温度727~1877摄氏度，燃气的速度在亚声速和超声速之间，内壁主要承受燃气冲刷、热应力和振动应力等。

加力燃烧室和喷管部件用变形高温合金较多，K24等铸造合金主要制造喷管调节片等薄壁件。调节片长、宽、厚悬殊精铸工艺难度不亚于涡轮叶片。更耐温的CMC调节片已在先进发动机应用，减重效果显著。

3 改进发展高温合金，推动航空发动机研制

我国航空发动机长期落后于国外先进水平，航空材料是三大制约因素之一。高温合金是航空材料主体，剖析其技术难点和创新思路，对加快合金发展，推动发动机研制至关重要。

3.1 高温合金的技术难点与创新

在高温环境下材料各种性能退化加速，组织性能不稳定，在温度和应力交互作用下容易变形、裂纹、氧化腐蚀等，危及使用安全。合金耐温能力和组织稳定性主要取决其化学成分和组织结构。成分复杂、合金化程度高，容易元素偏析、变形困难和组织不均，对铸造和变形合金组织性能危害极大。合金在试验室的组织性能，不能完全代表零件在服役环境下材料的组织性能，目前尚难以表征二者材料行为和伤损失效模式的对应关系，需成倍增加试验考核成本和风险。这些都是高温合金研究和应用的技术难点。

高温合金发展是合金化理论和制备工艺不断改进创新的过程，工艺对合金发展起到极大推动作用。真空溶炼技术，去除有害杂质和气体，精确控制合金成分，使高温合金组织性能不断提高。定向凝固、粉末冶金、等温锻造等工艺创新，推动合金迅猛发展和发动机技术进步。如定向凝固技术提高合金许用温度，促使铸造高温合金形成等轴晶、定向柱晶和单晶合金分支，推动涡轮叶片冷却技术进步。粉末高温合金也由第一代650摄氏度发展到750摄氏度、850摄氏度粉末涡轮盘和双性能粉末盘。精密制坯超塑性锻造使锻件质量和材料利用率大幅度提高。

继承性创新是高温合金快速发展必由之路。在成熟合金基础上发展新合金，技术继承性、工程认可度和性价比高。如低膨胀合金GH907、GH909,改型GH4169G等，在成分没有重大改变前提下，显著提高性能，弥补原合金的不足，已用于先进发动机。718Plus在IN718和Waspaloy基础上发展的新合金，许用温度达到704摄氏度，填补了这一档次盘类合金空白。

3.2 改进发展高温合金措施的建议

声明: 文章内容来源于《第十三届中国高温合金年会》