手机 铝镁合金 中国航发材料处于世界什么位置：第二梯队中后部

手机 铝镁合金 中国航发材料处于世界什么位置：第二梯队中后部

谈到航空发动机，总是会提到材料。 材料技术是航空发动机最重要的基石。 那么，最新航空发动机的各个部件都采用了哪些高科技材料呢？ 而我国目前在航空发动机材料领域的技术水平和地位如何？

航空发动机是一种非常复杂的设备，拥有数以万计的零件。 不同的零件有不同的作用和功能，有不同的工作环境和要求，因此所使用的材料也不同。 一般来说，航空发动机根据工作环境可分为两个部分，即冷端部件和热端部件。 其中，冷端部件，如风扇机壳、压气机叶片、进气机壳等，要么靠近发动机进气侧，要么位于发动机结构外围，承担着结构支撑和包裹； 而热端部件，例如涡轮、燃烧室、尾喷管等，工作温度非常高、转速高、压力大。 它们通常被称为“三高”。 在这三高环境中，需要一系列非常特殊的系统。 耐热、耐压的高性能材料。

航空发动机的冷端外壳要求足够轻且坚固。 过去，航空铝合金主要用于冷端外壳等部件。 近年来，镁合金开始得到应用。 它比铝合金更轻，密度更低，但物理性能相当，承受冲击载荷的能力比铝合金更强。 此外，还常用于发动机齿轮箱、油泵、油管等。

图例：涡扇10发动机。现代航空发动机的“机壳”大量采用轻质镁合金材料

树脂基复合材料是以树脂材料为基体、高性能连续纤维为增强材料而开发的新型材料。 与金属材料相比，其最大的优点是重量轻。 据统计，风扇截面的质量约占发动机总质量的30%～35%。 减轻风扇截面质量是降低发动机质量、提高发动机效率的关键手段。 风机叶片重量每减轻1公斤，风机外壳和传动系统也随之减轻1公斤。 同时，发动机结构和飞机机翼/机身结构也各减轻了0.5公斤。 因此，采用树脂基复合材料制造风扇叶片和机壳可以显着减轻重量。 此外，树脂基复合材料风扇叶片在撞击后对风扇箱的冲击力较小，有利于提高风扇箱的耐受性，提高发动机的防鸟撞性能。 目前，世界上最先进的大型航空发动机的风扇叶片很多采用树脂基复合材料制成。 其中一些风扇的直径超过3米，制造起来相当困难。

注：CFM开发的新型LEAP-X发动机的风扇和机壳采用树脂基复合材料制成。

发动机的热端部件，如涡轮、燃烧室、尾喷管等，工作环境更加恶劣。 世界主流发动机中，涡轮预燃温度达到或超过1300~1400℃。 即使是最耐热的金属也无法以这种方式工作。 在恶劣温度下保持物理性能需要各种高温耐热材料和冷却技术来保证性能。 目前应用的新材料主要有涡轮表面热障涂层材料和先进涡轮盘热端部件使用的粉末冶金合金（高温合金）材料； 而碳化硅基、陶瓷基复合材料等新材料，技术难度较大，目前正在研究中，未来可能会使用。

热障涂层是指保证发动机热端部件能够长期保持正常工作和耐高温的目的。 其表面涂有保护涂层，例如涡轮盘。 高性能热障涂层是英美发动机使用寿命远超其他国家同类发动机的“不为人知的秘密”。 采用高性能热障涂层，可使原来寿命为200至600小时的发动机工作寿命延长2至3倍，工作温度可提高数百度。

高温合金主要分为难熔金属和金属间化合物两大类。 难熔金属是指熔点高于1650℃且有一定储量的金属，包括钨、钼、铌、铬、锆、钛等。难熔金属广泛应用于发动机热端部件。 但难熔金属有一个缺点，那就是其储量很小，而且大多与稀土矿等稀有矿床伴生。 飞机发动机的生产量往往达到数千台，难熔金属的需求量巨大，这使得其应用受到限制。

目前最常用的高温合金主要是镍基合金、钛基合金和钛基金属间化合物。 从20世纪70年代开始，经过三代发展，目前世界上主流的先进第三代、第四代军用涡扇发动机普遍采用上述三种合金材料。

碳化硅基材料和陶瓷基材料是目前正在开发的两种最受欢迎​​的下一代高性能热端材料。 两者都是高分子复合纤维材料。 这两种材料并不是完全独立开发的。 它们还可以同时使用，不同配方和组成结构混合，形成不同成分的新材料。 目前，美国率先在其最新的F414中推力发动机上使用陶瓷基材料涡轮转子叶片。

注：F414-400发动机，GE在其进一步改进的型号中首次使用陶瓷基材料。

我国已全面实现镁合金、铝合金等通用发动机冷端和外壳部件的自主生产。 在高温合金研究领域，我国也实现了镍基合金、钛基合金的自主研发和应用。 其中，第三代镍基合金已成功应用于国产大推力涡扇发动机。 热障涂层曾经是中国航空发展的绊脚石，但现在已经被克服。 “太行”发动机应用了我们自己的热障涂层，大大提高了其性能和使用寿命。 在树脂基材料领域，我国已成功通过实验室研发阶段并研制出复合材料风扇叶片，目前正发展到工程应用阶段。 在新型陶瓷基、碳化硅基热端材料的研发方面，我国目前还主要处于前期预研和材料原理测试阶段。 英国和美国从实验阶段过渡到工程应用阶段还存在技术差距。 总体来看，中国航空发动机经过这几年的努力，已经进入第二梯队，略落后于俄罗斯，处于第二梯队的中后部。 与第一梯队的美国、欧洲还有一定差距。 需要奋起直追，通过跨越式发展实现赶超。