材料和製造工藝技術的進步推動航空發動機技術發展

整體葉環

RR1000雙性能粉末渦輪盤

航空發動機技術的發展以材料和製造工藝技術的進步為基礎，並且對新材料、新工藝的依賴性將越來越大。航空發動機高轉速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對材料和製造技術的要求逼到了極限。未來先進航空發動機推重比的提高，材料和製造技術的貢獻將占到50％~70％。

航空發動機結構向著輕量化、整體化、複合化的方向發展；材料向著高溫、高強、低密度的方向發展；新工藝技術不斷湧現，向優質、高效、低成本方向發展。

渦輪葉片結構由實心發展到空心簡單冷卻、複合氣膜冷卻、雙層壁超級冷卻；葉片材料工藝由高溫合金等軸晶鑄造發展為無餘量定向柱晶-單晶-金屬間化合物合金精密鑄造。單晶合金渦輪葉片在控制冷卻效果和隔熱塗層防護下，

已經滿足了推比10發動機F119-PW-100的渦輪前溫度和迴圈壽命的要求，並可能通過進一步優化葉片的冷卻結構，應用於更大推比的先進發動機。渦輪盤由變形高溫合金普通鍛造盤發展到第一、二、三代粉末高溫合金盤。第一代粉末盤Rene，95，使用溫度為650℃，用於GE公司第三代發動機如：F404、F110、T700系列等；第二代粉末盤如：Rene，88DT（抗損傷容限型），使用溫度750℃，已逐步替代Rene，95應用於第三代、第四代軍用發動機；第三代粉末盤使用溫度800℃以上，為雙組織/雙性能渦輪盤，擬用於第五代發動機。GEAE與PWA聯合研製的René104(ME3)合金是第三代合金的典型代表，據報導，René104合金的熱時壽命是第二代粉末高溫合金的20～30倍，該合金已經在GP7200等發動機得到了應用，並在空客A380、波音787等大型客機上獲得應用。

風扇和壓氣機葉片、盤的材料由鋼發展到400℃鈦合金、500℃阻燃鈦合金、600℃高溫鈦合金、760℃~800℃TiAl、Ti3Al金屬化合物。第三代發動機鈦合金用量約占30％；第四代發動機廣泛應用了阻燃鈦合金和高溫鈦合金，

高溫鈦合金逐步取代鎳基高溫合金。

在第四代發動機F119和EJ200上，風扇、壓氣機和渦輪採用了整體葉盤結構，減輕重量30％；壓氣機和渦輪整體葉盤或整體葉輪結構在第二代渦軸發動機已開始採用。其製造方法包括：電子束焊接、超塑成形擴散焊接、線性摩擦焊接、五座標數控銑削加工或電解加工、“鍛接法”及熱等靜壓等。

壓氣機整體葉環由於採用複合材料，葉片直接固定在承力環上，取消了輪盤，使結構重量減輕70％。

第四代發動機F119、EJ200採用了寬弦空心風扇葉片，普遍採用真空擴散連接-超塑成型工藝、精密加工和光整工藝。

仲介機匣和渦輪後機匣是發動機的關鍵承力部件，歐美等發達國家生產的鈦合金整體結構精鑄仲介機匣最大重量100kg左右，最大尺寸1300mm以上，精度達到CT6~CT7級；高溫合金渦輪機匣的整體精密鑄造外廓尺寸達1500mm、最小壁厚0.8mm，缺陷少，性能高，產品合格率高，在第三代發動機上廣泛採用，結構簡化、重量減輕、可靠性大大提高。

樹脂基複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、碳/碳複合材料及其構件製造技術是推重比15~20高性能發動機必須的技術，美英等國加大力度支援優先發展。

樹脂基複合材料在第三、四代大中型渦扇發動機上廣泛應用。RTM工藝被用於第四代發動機F119進氣機匣、風扇出口機匣等部件。高損傷容限、使用溫度更高的新型樹脂基複合材料是未來研究的重點。

金屬基（Ti和Al）、金屬間化合物基（TiAl）等複合材料將成為推重比15~20發動機的結構材料。GE公司採用連續碳化矽纖維增強的鈦金屬基複合材料通過超塑成形/擴散連接工藝製造出空心風扇葉片。SiC纖維增強的鈦基複合材料工作溫度可達700℃，已用於低壓渦輪軸、鼓筒等發動機部件，可減輕結構重量的20％~40％。

陶瓷基複合材料（CMC）的使用溫度高達1650℃，而密度為2.4g/cm3，與鋁合金相當,已經成為高溫材料的發展重點，噴口魚鱗板已在歐洲第四代EJ200發動機上應用。

碳/碳複合材料工作溫度可達1500~2000℃，將被用於燃燒室、渦輪葉片等結構件。目前研究的重點是改善其抗氧化特性，其中噴口調節片等零件已用於法國M88發動機。美國早在八十年代就在F100發動機上進行了碳/碳複合材料燃燒室和噴管試驗，在JTD驗證機上進行了渦輪盤及葉片的超轉試驗。

先進塗層技術已在第三代、第四代航空發動機關鍵零件的隔熱、高溫防護、耐磨、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面起了重要的作用。

以高能束流加工為代表的特種加工技術在難切削材料加工、複雜構件的型腔、型面、型孔、微小孔、細微槽及縫的加工中顯示出突出優點，解決了常規加工很難解決的難題。

特殊材料和結構的特種焊接技術在航空發動機焊接結構件中的應用越來越廣泛。鐳射快速原型製造技術在先進航空發動機複雜零件坯料的直接快速成形、零件修復等方面，是非常有前景的製造技術。

先進的材料和製造技術保證了新材料構件及新型結構的實現，使發動機重量不斷減輕，發動機的效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高。（中國航發貴陽所 楊升）

缺陷少，性能高，產品合格率高，在第三代發動機上廣泛採用，結構簡化、重量減輕、可靠性大大提高。

樹脂基複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料、碳/碳複合材料及其構件製造技術是推重比15~20高性能發動機必須的技術，美英等國加大力度支援優先發展。

樹脂基複合材料在第三、四代大中型渦扇發動機上廣泛應用。RTM工藝被用於第四代發動機F119進氣機匣、風扇出口機匣等部件。高損傷容限、使用溫度更高的新型樹脂基複合材料是未來研究的重點。

金屬基（Ti和Al）、金屬間化合物基（TiAl）等複合材料將成為推重比15~20發動機的結構材料。GE公司採用連續碳化矽纖維增強的鈦金屬基複合材料通過超塑成形/擴散連接工藝製造出空心風扇葉片。SiC纖維增強的鈦基複合材料工作溫度可達700℃，已用於低壓渦輪軸、鼓筒等發動機部件，可減輕結構重量的20％~40％。

陶瓷基複合材料（CMC）的使用溫度高達1650℃，而密度為2.4g/cm3，與鋁合金相當,已經成為高溫材料的發展重點，噴口魚鱗板已在歐洲第四代EJ200發動機上應用。

碳/碳複合材料工作溫度可達1500~2000℃，將被用於燃燒室、渦輪葉片等結構件。目前研究的重點是改善其抗氧化特性，其中噴口調節片等零件已用於法國M88發動機。美國早在八十年代就在F100發動機上進行了碳/碳複合材料燃燒室和噴管試驗，在JTD驗證機上進行了渦輪盤及葉片的超轉試驗。

先進塗層技術已在第三代、第四代航空發動機關鍵零件的隔熱、高溫防護、耐磨、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面起了重要的作用。

以高能束流加工為代表的特種加工技術在難切削材料加工、複雜構件的型腔、型面、型孔、微小孔、細微槽及縫的加工中顯示出突出優點，解決了常規加工很難解決的難題。

特殊材料和結構的特種焊接技術在航空發動機焊接結構件中的應用越來越廣泛。鐳射快速原型製造技術在先進航空發動機複雜零件坯料的直接快速成形、零件修復等方面，是非常有前景的製造技術。

先進的材料和製造技術保證了新材料構件及新型結構的實現，使發動機重量不斷減輕，發動機的效率、使用壽命、穩定性和可靠性不斷提高。（中國航發貴陽所 楊升）