高温合金在航天发动机上的应用
新闻来源：www.021zysy.com 发布时间：2023-10-09 09:10 浏览量：
航空发动机被称为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机，特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中最高的性能要求。
高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料。高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。
自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。
第一个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。
第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金。
目前，我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、 北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。
在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40%~60%。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件；此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
燃烧室
燃烧室是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500℃~2000℃之间，因为其余的空间有压缩空气流动，所以燃烧筒合金材料的承受温度一般在800℃~900℃以上，局部达1100℃。因此，燃烧筒要求材料要具有高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能，以及良好的冷热疲劳性能。
燃烧室使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主。例如第三代战斗机F100发动机选用Haynes 188钴基高温合金，F110、F404和F414发动机则选用Hastelloy X镍基高温合金。但是随着飞机推重比的提高，对燃烧筒材料也提出了新的要求。第四代战机燃烧筒主要是镍基高温合金并涂覆陶瓷热胀涂层，并且采用新的燃烧室结构，如F119和F135采用了浮动壁结构，而F136发动机采用了Lamilloy结构。到了第五代战机，多使用Lamilloy结构的高温合金、耐高温1482℃陶瓷复合材料和热胀涂层。因此，为了适应航空发动机新的推重比的要求，研发全新材料基体和制备工艺的高温合金是目前航空航天领域的迫切需求。
导向叶片
导向叶片是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一，但由于它是静止的，所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤，会使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件，要求材料要具有足够的持久强度及良好的热疲劳性能和较高的抗氧化和抗腐蚀的能力。
因此，铸造高温合金即成为了导向叶片的主要制造材料。美国Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作为导向叶片的材料。近年来，由于定向凝固工艺的发展，用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中。此外，FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环的制造也采用了氧化物弥散强化高温合金。
涡轮盘
涡轮盘在工作中受热不均，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力，所受的应力更为复杂。为此，对涡轮盘材料的要求则需合金应具有高的屈服强度和蠕变强度，以及良好的冷热和抗机械疲劳性能，同时线膨胀系数要小，无缺口敏感性，具有较高的低周疲劳性能。
粉末高温合金是现代高性能发动机涡轮盘的必选材料。1965年，高纯预合金粉末技术被研发出来，此后，美国P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先开创了粉末高温合金盘件用于航空发动机的先河；1972年，IN100粉末高温合金涡轮盘被用于F100发动机上，开启了粉末高温合金的实际应用阶段。
我国的粉末高温合金的研究起步于20世纪70年代后期，在后续的发展过程中，根据国家型号需求，陆续开展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制，其中FGH95是目前强度最高的粉末高温合金，最高使用温度达650℃，主要用于制备发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。
目前在粉末高温合金领域，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、中国、日本、意大利以及印度等国均开展了研究工作，美国、俄罗斯、英国、法国、德国和中国等国已掌握了工业生产工艺，其中仅有美国、俄罗斯、法国和英国能独立研发粉末高温合金，并建立了自己的合金牌号。
涡轮叶片
涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然它的工作温度比导向叶片要低些，但是受力大而复杂，工作条件恶劣，因此对涡轮叶片材料具有很高的要求，要求材料具有高的抗氧化和抗腐蚀能力、高的抗蠕变和持久断裂的能力、良好的机械疲劳和热疲劳性能及良好的高温和中温综合性能。
涡轮叶片用材最初普遍采用变形高温合金，但随着材料研制技术和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片，前苏联也在60年代中期开始应用铸造涡轮叶片，英国则在70年代初采用了铸造涡轮叶片。
在航空发动机不断追求高推重比的前提下，促使国内外自上世纪70年代以来，一直在研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料，其中单晶高温合金材料成为目前主流的涡轮盘材料。
单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10，之后，GE、P&W以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功地研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。
我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用于多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10，中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33，中国科学院金属研究所研制的DD90。第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22。第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料目前仅限于实验室的研发阶段。
随着以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装，对WS-10发动机的需求也日益增长；随着国产大型运输机运-20的列装，大涵道比发动机也将进入量产，这将直接驱动航空发动机用高温合金的快速发展。为了提升高温合金材料技术，工信部在发布的《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》中明确要求,突破高温合金等材料技术，为了满足我国航空发展对高温合金材料的要求。
因此，面对航空航天的迫切需求，进行高水平、高质量的高温合金材料的发展和研制工作，稳定现有体系产品的性能和质量是我国科研机构和相关部门今后将关注的重点，同时，研究和探索工作温度超过1100℃以上的后继新高温材料，完善我国的高温合金体系也将是后续研发的关键。此外，在完善高温合金体系的同时，也需要建立和完善我国航空用高温合金的标准。通过开展标准化基础研究，加强新材料研制中的标准化，提高标准制修订的先进性和适用性，完善通用材料标准，加强制定材料配套标准，从而更好地满足我国航空航天发动机生产和发展的需要。也只有依据完善的标准体系，大力发展新材料，改进旧材料的性能，完善制备工艺，才能缩短与其他高温合金领先国家如美国、日本、法国等的差距，提高我国在航空航天领域的竞争力，确保我国在国际事务中的话语权。
高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料。高温合金是为了满足现代航空发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为航空发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。
自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功，迄今为止，我国高温合金的研究、生产和应用已历经60年的发展历程。60年的高温合金发展可以分为三个阶段。
第一个阶段：从1956年至20世纪70年代初是我国高温合金的创业和起始阶段。本阶段主要是仿制前苏联高温合金为主体的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
第二个阶段：从20世纪70年代中至90年代中期，是我国高温合金的提高阶段。主阶段主要试制欧美型号的发动机，提高高温合金生产工艺技术和产品质量控制。
第三阶段：从20世纪90年代中至今，是我国高温合金的全新发展阶段。本阶段主要是应用和开发了一批新工艺，研制和生产了一系列高性能、高档次的新合金。
目前，我国的高温合金研究主要研究单位是钢铁研究总院、北京航空材料研究院、中国科学院金属研究所、 北京科技大学、东北大学、西北工业大学等，主要生产企业有：中航工业、钢研高纳、炼石有色、抚顺特钢、高钢特钢和第二重型机械集团万航模锻厂（二重）等。在此基础上，我国已具备了高温合金新材料、新工艺自主研发和研究的能力。
在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40%~60%。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件；此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。
燃烧室
燃烧室是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500℃~2000℃之间，因为其余的空间有压缩空气流动，所以燃烧筒合金材料的承受温度一般在800℃~900℃以上，局部达1100℃。因此，燃烧筒要求材料要具有高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能，以及良好的冷热疲劳性能。
燃烧室使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主。例如第三代战斗机F100发动机选用Haynes 188钴基高温合金，F110、F404和F414发动机则选用Hastelloy X镍基高温合金。但是随着飞机推重比的提高，对燃烧筒材料也提出了新的要求。第四代战机燃烧筒主要是镍基高温合金并涂覆陶瓷热胀涂层，并且采用新的燃烧室结构，如F119和F135采用了浮动壁结构，而F136发动机采用了Lamilloy结构。到了第五代战机，多使用Lamilloy结构的高温合金、耐高温1482℃陶瓷复合材料和热胀涂层。因此，为了适应航空发动机新的推重比的要求，研发全新材料基体和制备工艺的高温合金是目前航空航天领域的迫切需求。
导向叶片
导向叶片是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一，但由于它是静止的，所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤，会使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件，要求材料要具有足够的持久强度及良好的热疲劳性能和较高的抗氧化和抗腐蚀的能力。
因此，铸造高温合金即成为了导向叶片的主要制造材料。美国Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作为导向叶片的材料。近年来，由于定向凝固工艺的发展，用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中。此外，FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环的制造也采用了氧化物弥散强化高温合金。
涡轮盘
涡轮盘在工作中受热不均，盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度，产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力，所受的应力更为复杂。为此，对涡轮盘材料的要求则需合金应具有高的屈服强度和蠕变强度，以及良好的冷热和抗机械疲劳性能，同时线膨胀系数要小，无缺口敏感性，具有较高的低周疲劳性能。
粉末高温合金是现代高性能发动机涡轮盘的必选材料。1965年，高纯预合金粉末技术被研发出来，此后，美国P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先开创了粉末高温合金盘件用于航空发动机的先河；1972年，IN100粉末高温合金涡轮盘被用于F100发动机上，开启了粉末高温合金的实际应用阶段。
我国的粉末高温合金的研究起步于20世纪70年代后期，在后续的发展过程中，根据国家型号需求，陆续开展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制，其中FGH95是目前强度最高的粉末高温合金，最高使用温度达650℃，主要用于制备发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。
目前在粉末高温合金领域，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、中国、日本、意大利以及印度等国均开展了研究工作，美国、俄罗斯、英国、法国、德国和中国等国已掌握了工业生产工艺，其中仅有美国、俄罗斯、法国和英国能独立研发粉末高温合金，并建立了自己的合金牌号。
涡轮叶片
涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然它的工作温度比导向叶片要低些，但是受力大而复杂，工作条件恶劣，因此对涡轮叶片材料具有很高的要求，要求材料具有高的抗氧化和抗腐蚀能力、高的抗蠕变和持久断裂的能力、良好的机械疲劳和热疲劳性能及良好的高温和中温综合性能。
涡轮叶片用材最初普遍采用变形高温合金，但随着材料研制技术和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片，前苏联也在60年代中期开始应用铸造涡轮叶片，英国则在70年代初采用了铸造涡轮叶片。
在航空发动机不断追求高推重比的前提下，促使国内外自上世纪70年代以来，一直在研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料，其中单晶高温合金材料成为目前主流的涡轮盘材料。
单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10，之后，GE、P&W以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功地研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。
我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用于多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10，中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33，中国科学院金属研究所研制的DD90。第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22。第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料目前仅限于实验室的研发阶段。
随着以歼10B、歼15、歼16为代表的多款三代半战斗机陆续进入列装，对WS-10发动机的需求也日益增长；随着国产大型运输机运-20的列装，大涵道比发动机也将进入量产，这将直接驱动航空发动机用高温合金的快速发展。为了提升高温合金材料技术，工信部在发布的《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》中明确要求,突破高温合金等材料技术，为了满足我国航空发展对高温合金材料的要求。
因此，面对航空航天的迫切需求，进行高水平、高质量的高温合金材料的发展和研制工作，稳定现有体系产品的性能和质量是我国科研机构和相关部门今后将关注的重点，同时，研究和探索工作温度超过1100℃以上的后继新高温材料，完善我国的高温合金体系也将是后续研发的关键。此外，在完善高温合金体系的同时，也需要建立和完善我国航空用高温合金的标准。通过开展标准化基础研究，加强新材料研制中的标准化，提高标准制修订的先进性和适用性，完善通用材料标准，加强制定材料配套标准，从而更好地满足我国航空航天发动机生产和发展的需要。也只有依据完善的标准体系，大力发展新材料，改进旧材料的性能，完善制备工艺，才能缩短与其他高温合金领先国家如美国、日本、法国等的差距，提高我国在航空航天领域的竞争力，确保我国在国际事务中的话语权。
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