航空航天发动机需要哪些合金材料

1 铝合金

铝合金具有比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点，因此被认为是航空航天工业中用量最起着至关重要的作用。

主要应用位置：发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等。

2 钛合金

与铝、镁、钢等金属材料相比，钛合金具有比强度很高、抗腐蚀性能良好、抗疲劳性能良好、热导率和线膨胀系数小等优点，可以在350~450℃以下长期使用，低温可使用到-196℃。

主要应用位置：航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等。

3 超高强度钢

超高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性，并且有良好的焊接性和成形性。

主要应用位置：航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿轮。

4 镁合金

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗震能力强、可承受较大冲击载荷等特点。

主要应用位置：航天发动机机匣、齿轮箱等。

复合材料

航空发动机的发展之快，尤其是越来越严苛的温度和重量要求，渐进提高的传统材料已然不能满足，转而呼唤材料科学开辟新的体系，那就是复合材料。根据复合材料各自的特点，可用于发动机不同的零部件上。

1 金属基复合材料

金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。

主要应用位置：适合用作发动机的中温段部件。

随着科学技术的快速发展，一些尖端的科学技术突飞猛进，因此对于材料性能提出了更高的要求，传统的单一的材料已经远远不能满足实际的生产需求。就是在这样一个大环境下，复合材料应运而生。

就拿复合材料在航空发动机上的应用为例。传统的航空发动机材料（镍合金和钛合金）虽然仍然可以进一步发展，但它的发展空间已经不大了，很难满足未来航空发动机更加苛刻的温度和重量要求。如今，航空发动机性能不断的提高，重量相比过去有了很大的减少，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，将会更看重高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进材料。现在，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和C/C复合材料因为具有优良的低温性能，已成为航空发动机风扇和压气机等部件的候选材料。

复合材料在航空发动机的应用

航空发动机上应用的先进复合材料

涵机匣

与常规的钛合金风扇外涵机匣相比，在保证能够执行所有功能和承受整台发动机的静态与飞行载荷的前提下，树脂基复合材料制造的外涵机匣能减轻发动机的重量，减少发动机的研制成本。

复合材料与钛合金机匣

GE公司的F404发动机最早由钛合金的外涵机匣改进为PMR15复合材料的外涵机匣，达到了重量减轻30%和成本减少30%的效果。之后，GE公司又进一步将这一技术应用到F414增推型发动机、GenX发动机等发动机上。

美国的普惠公司的F191和F135发动机以及法国的斯奈克玛公司的M88发动机都采用树脂基复合材料制造的外涵机匣。其减轻重量和降低成本的效果都很明显。

F404发动机

F135发动机

GenX的复合材料机匣

静子叶片

与钛合金的静子叶片相比，树脂基复合材料静子叶片能减轻重量50%，降低成本50%以上。同时，通过优化纤维取向，复合材料静子叶片的固有频率可以被修正，以加大其许用机械和气动设计空间。

树脂复合基叶片

普惠的PW4084和PW4168发动机风扇静子叶片采用PR500环氧树脂基复合材料，其中，PW4084发动机直径为3.04米的静子重量减轻39%、成本减少38%。德国MTU公司在PW8000发动机的高速低压压气机的进口导流叶片和第一级或第二级可调静子叶片采用PMC复合材料。这些叶片的抗外损伤能力、抗振动特性、抗腐蚀性和结构完整性已经得到了验证。

PW4084发动机

转子叶片

复合材料的低密度和高强度特性不仅能减轻重量，而且能使转子叶片具有3维气动设计形状，像掠形叶片、弓形叶片。除了能降低制造成本外，复合材料转子叶片还具有脱落事故中表现出来的非破坏特性，进而降低了包容要求。

碳纤维树脂基转子叶片

风扇叶片采用复合材料不但可以明显的减轻叶片本身的重量，还能减轻其包容系统、盘以及整个转子系统的重量，具有低成本、抗振性能好、抗损伤能力强等特点。就目前，GE公司的GenX和GE90-115B发动机采用了高流量弯掠复合材料风扇叶片和有机物基材料风扇机匣，还计划将进一步研究复合空心叶型高压比风扇。

GE90发动机复合材料叶片

金属基复合材料

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，如不锈钢、钨、被、妮、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、硼化钦等。

金属基复合材料

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。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。

金属基材料

GE公司为联合技术验证机发动机计划研究了钛基复合材料的低压轴，重量比inco合金减轻30%，刚性比钛合金提高40%，且寿命和耐用性均有所改善。若F110发动机采用这种复合材料轴，重量可减轻68kg。在不久的将来，金属复合材料将会取代镍、钛合金，成为未来航空发动机的主要材料。

新型高强韧钛合金/钛铝系合金/变形高温合金及复合材料

钛合金、钛铝（TiAl）系合金伴随着发动机轻质化需求而不断发展。钛合金目前的最高使用温度为600～650℃，TiAl系合金的使用温度范围为650950℃，但其突出的室温脆性、缺口敏感等问题，使其只能部分替代高温合金或单晶合金。另外，随着发动机各截面工作温度的提高，还需发展更耐温、更高强韧的新型变形高温合金。

我国自20世纪80年代开始自主研制高温钛合金，目前已掌握了合金成分、组织、性能匹配控制及优化等关键技术，研制及应用水平基本实现了与国际先进水平同步，但还需要进一步提高组织性能均匀性，挖掘合金潜力。针对TiAl系合金，重点突破了材料设计、制备工艺、组织优化与控制、塑韧性提高等关键技术，研发出多个代表性合金，但还需要深化研究高强韧性组织匹配、低塑韧性材料应用设计等技术，拓展其应用。随着合金设计方法的进步、铸-锻设备及工艺的发展，多种新型变形高温合金成功获得应用，但随着合金化程度的提高，合金熔铸与热加工艺难度大增，需突破大尺寸锭重熔精炼、均匀变形等技术瓶颈，实现组织性能均匀稳定，实现性能、效率与成本的综合平衡，加速研发和应用，为未来更高性能变形高温合金的自主研发奠定基础。

目前，冷端转子采用整体叶盘结构的应用已趋设计极限，而整体叶环集先进结构、材料于一体，综合性能优异且可实现轻量化，是下一代发动机轻质化转子的标志性选择。SiC纤维增强钛基（Ti-MMC）、TiAl基（TiAl-MMC）和镍基复合材料（Ni-MMC）应用趋势急速上升，MTU公司与罗罗公司等已造出Ti-MMC整体叶环（如图1所示）、涡轮轴等试验件，并进行了考核，轻质效果显著。据预测，未来发动机用材中Ti-MMC约占30%，TiAl-MMC约占15%。

罗罗公司研制的Ti-MMC整体叶环

我国自20世纪90年代开始Ti-MMC及其构件研制，迄今先后突破了高性能单丝SiC纤维批产、高品质先驱丝制备、构件成形等关键技术，打通了Ti-MMC整体叶环一体化制造技术路线，但还需强化增强环芯形性控制、残余应力调控等技术研究，充分发挥Ti-MMC的优势。

新型单晶合金与粉末合金

随着涡轮前温度的提高，涡轮叶片材料从变形、铸造高温合金发展到定向、单晶高温合金，涡轮盘材料由合金钢、变形高温合金发展为粉末高温合金。过去五六十年间，涡轮前温度提高了约600K，材料与铸造工艺贡献了30%～40%。自普惠公司发明世界上第一个单晶合金PW1480至今，业界成功开发了多代镍基、镍铝（Ni3Al）系单晶合金。中国是世界上较早研究单晶合金的国家之一，至今多个牌号已逐步获得应用。但随着发动机发展，现用单晶合金受耐温能力及铸造工艺性限制，应用已趋于极限，急需发展初熔温度更高、组织性能更优、铸造及焊接工艺性良好、成本可接受的新型单晶合金。

20世纪60年代初，美国率先研制粉末高温合金并在涡轮盘上成功应用以来，粉末合金涡轮盘已在多型发动机上累计安全工作数千万小时，粉末合金已成为先进航空发动机涡轮盘的首选材料。业界已开发出服役温度更高、综合性能更优的高代次粉末合金，并根据涡轮盘不同部位对性能的侧重，发展出双性能/双合金、双辐板涡轮盘。我国已成功研制出第一代、第二代粉末合金，目前正在开发第三代、第四代粉末合金，但随着发动机发展，还需在高品质粉末、双性能/双合金/双辐板涡轮盘制备及低成本工艺等方面深入开展研究。

发动机材料及工艺体系存在的问题与不足

航空发动机材料工艺体系是一个以材料、工艺技术为核心，遵循技术发展规律，围绕技术发展和产品应用，按照基础研究、应用研究、工程应用等展开，由基础、制备、应用、分析、保障等技术要素构成的系统有机整体。从航空发动机材料体系的历史沿革来看，主体材料已由第一代发动机的钢，发展到第三代发动机的钛、高温合金和复合材料，辅以各种新工艺、新结构又演进出第四代发动机的主体材料、工艺（见表1）。世界领先的航空发动机公司持续推出了各具特色的品牌材料或工艺，并建立了各自的发动机材料及工艺体系。

涡扇发动机典型材料和工艺

结束语

轻质、高强韧、耐高温的战略型、革命性先进材料及工艺是未来先进航空发动机的标志性选择。应进一步聚焦基础瓶颈、聚焦工程应用、聚焦资源投入、聚焦双链完整，强化需求牵引、强化行业抓总、强化体系布局、强化协同融合、强化集中投入，走出中国特色的发动机材料及工艺自主、自立、自强之路。

声   明：文章内容来源于材料圈。仅作分享，不代表本号立场，如有侵权，请联系小编删除，谢谢！