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      本文詳細(xì)介紹了包括高溫合金、鈦合金、鋼材等關(guān)鍵金屬材料及陶瓷基復(fù)合材料在內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)材料的研發(fā)和應(yīng)用情況。簡述了我國航空發(fā)動機(jī)材料的研發(fā)現(xiàn)狀、研發(fā)主體以及市場需求前景。每種航空發(fā)動機(jī)材料都有其各自的應(yīng)用部件和階段性研發(fā)成果。此外，本文也客觀闡述了我國航空發(fā)動機(jī)材料研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用方面存在的問題以及與國外的差距，并分析了問題的原因所在和未來努力的方向。
 

1 應(yīng)用領(lǐng)域重點裝備用材情況
 
1.1 航空發(fā)動機(jī)材料整體情況
 
      航空發(fā)動機(jī)是尖端武器裝備、民用航空器必不可少的動力系統(tǒng)，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其發(fā)展水平集中體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)基礎(chǔ)和科技水平，是綜合國力的象征之一。當(dāng)前世界航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)形成了以美國GE、PW，英國RR，法國SNECMA等公司為主的高度壟斷局面。我國航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，特別是“十一五”以來快速發(fā)展，初步形成了以渦噴系列為代表的第二代發(fā)動機(jī)和以渦扇系列為代表的第三代發(fā)動機(jī)生產(chǎn)、新一代先進(jìn)軍用航空發(fā)動機(jī)以及國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動機(jī)研發(fā)的大格局，極大提高了武器裝備研制生產(chǎn)保障能力，為國防工業(yè)和民用航空工業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。
 
      航空發(fā)動機(jī)材料是航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，一些關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化與自主化取得了長足進(jìn)步，尤其是改革開放以來，國家工信部、發(fā)改委、總裝備部、科技部等部門通過設(shè)立各類科技項目支持，開始了與國際同步的自主創(chuàng)新研究，一些新材料推動了我國航空發(fā)動機(jī)的順利研制，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了特殊的貢獻(xiàn)。在新型先進(jìn)動力型號的設(shè)計、研制和生產(chǎn)需求牽引下，研制和生產(chǎn)了一系列高品質(zhì)的高溫合金（Superalloy）、鈦合金、鋼材等關(guān)鍵金屬材料及陶瓷基復(fù)合材料。
 
1.2 航空發(fā)動機(jī)材料應(yīng)用
 
      先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發(fā)展，除了先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，發(fā)動機(jī)性能的提高強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)材料及制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強(qiáng)度、抗氧化的高溫合金、鈦合金、熱障涂層和陶瓷基復(fù)合材料等先進(jìn)材料，高溫合金、鈦合金、熱障涂層三大類材料的用量已超過先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)總重量的80%。
 
      高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的抗疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，主要用作航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片、渦輪盤、渦輪軸、渦輪機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)機(jī)匣、環(huán)形件、各類緊固件、各類管路等部件，已成為航空發(fā)動機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料，被譽(yù)為“先進(jìn)發(fā)動機(jī)基石”。高溫合金按基體元素種類可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金；按照合金強(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和沉淀強(qiáng)化型高溫合金；按照材料成型方式可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。
 
       鈦合金可以分為傳統(tǒng)鈦合金和Ti-Al系金屬間化合物材料（TiAl、Ti3Al和Ti2AlNb合金），其中傳統(tǒng)鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片、輪盤、鼓筒和機(jī)匣等零部件，這些零件要求材料在高溫工作條件下（350-600℃）具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，固溶強(qiáng)化型的鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。在650-850℃溫度范圍，將使用有序強(qiáng)化的Ti-Al系金屬間化合物材料，這些合金具有高比強(qiáng)度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，此外還具有低密度特點，有助于發(fā)動機(jī)整體減重，是航空發(fā)動機(jī)600℃以上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)件的主選輕質(zhì)耐高溫材料，可用于制備高壓壓氣機(jī)的葉片、輪盤、機(jī)匣和低壓渦輪葉片等零部件。
  
      航空發(fā)動機(jī)高性能熱障與防護(hù)涂層提高了熱端部件抗腐蝕、抗高溫氧化和抗磨損等能力，可有效延長零部件的使用壽命，是提升航空發(fā)動機(jī)性能的重要保障性材料。熱障涂層材料可以分為YSZ熱障涂層（使用溫度1170℃，涂層熱障溫度50-100℃）、稀土復(fù)合氧化物新型熱障涂層（使用溫度1200-1300℃，涂層熱障溫度150-200℃）、稀土鎂基六鋁酸鹽新型熱障涂層（使用溫度1350℃，涂層熱障溫度200-250℃）。
 
     陶瓷基復(fù)合材料由于其顯著的耐溫性以及優(yōu)異的綜合性能，符合先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)性能提升帶來的對材料承溫能力大幅提高的迫切需求，成為國外先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研究的熱點，國外已通過試車驗證。國際上重點發(fā)展的超高溫陶瓷及其復(fù)合材料主要有：1200-1400℃級SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料、1400-1650℃級SiCf/SiBCN系陶瓷基復(fù)合材料。未來，陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。
 
      高溫合金、鈦合金已成為軍民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料，主要用于熱端關(guān)鍵部件（如圖1所示），如高、低壓渦輪盤，高、低壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片，筆齒盤，壓氣機(jī)盤，渦輪軸、燃燒室、機(jī)匣等。這些熱端部件長期在高溫、高壓、熱腐蝕、氧化、高應(yīng)力的苛刻條件下工作，因此對其冶金質(zhì)量和制備工藝提出了嚴(yán)格的要求。
 
1.3 航空發(fā)動機(jī)材料研發(fā)現(xiàn)狀
 
      經(jīng)過60余年的發(fā)展，我國基本形成了航空發(fā)動機(jī)材料基礎(chǔ)研究、材料研制、材料生產(chǎn)材料應(yīng)用研究和材料應(yīng)用的主要力量，突破了關(guān)鍵材料研制與應(yīng)用系列關(guān)鍵技術(shù)，基本解決了航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的迫切需求問題；同時基本形成了關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)主體單位，在產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與裝備等方面取得了較好進(jìn)展，實現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)材料產(chǎn)業(yè)從無到有的轉(zhuǎn)變。
 
      航空發(fā)動機(jī)材料基礎(chǔ)研究以北京科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)等高校為主體；材料研制以中國航發(fā)北京航空材料研究院、北京鋼研高納科技股份有限公司、中國科學(xué)院金屬研究所、西北有色金屬研究院、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、航空工業(yè)北京航空制造工藝研究所、中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所等為主體；材料應(yīng)用研究以中國航發(fā)北京航空材料研究院為主體；材料生產(chǎn)方面，形成了以撫順特殊鋼股份有限公司、寶武特種冶金有限公司、攀鋼集團(tuán)江油長城特殊鋼有限公司、寶雞鈦業(yè)股份有限公司、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司為主的生產(chǎn)基地。在應(yīng)用市場的帶動下，國內(nèi)部分民營企業(yè)也開發(fā)了品質(zhì)優(yōu)異的高溫合金、鈦合金材料，典型的民營企業(yè)包括江蘇隆達(dá)超合金航材有限公司、江蘇圖南合金股份有限公司、江蘇永瀚特種合金技術(shù)有限公司等，但實際應(yīng)用量總體偏少；材料應(yīng)用以中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司、中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司、中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司、中國航發(fā)成都發(fā)動機(jī)有限公司、中國航發(fā)貴州黎陽航空發(fā)動機(jī)有限公司等為主。
 
2 航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域材料應(yīng)用存在的問題
 
      目前我國已形成了航空發(fā)動機(jī)材料研制與應(yīng)用研究的主要力量，突破了材料研制與應(yīng)用研究的系列關(guān)鍵技術(shù)，基本解決了航空發(fā)動機(jī)研制需求問題；同時基本形成了航空發(fā)動機(jī)材料產(chǎn)業(yè)主體單位，在產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)與裝備等方面取得了較好進(jìn)展，實現(xiàn)了關(guān)鍵材料從無到有的轉(zhuǎn)變。但與美國、英國、俄羅斯等航空發(fā)動機(jī)強(qiáng)國相比，我國航空發(fā)動機(jī)材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模偏小、水平偏低，目前航空發(fā)動機(jī)材料主要存在以下問題：
 
1）高溫合金、鈦合金以仿制為主，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的合金較少，未形成自主材料體系，自主創(chuàng)新能力亟待加強(qiáng)。由于歷史及諸多原因，我國高溫合金、鈦合金以跟蹤仿制模式為主，自主創(chuàng)新能力不足，難以適應(yīng)武器裝備比肩和引領(lǐng)發(fā)展的需求。國內(nèi)仿制了英國、美國、俄羅斯等國100多個牌號的高溫合金，也就是說，在如此多的應(yīng)用領(lǐng)域里，基本為仿制合金，沒有形成自主材料體系，單晶高溫合金方面，雖然自主研制了四個代次的合金，但由于航空發(fā)動機(jī)仿制需求仍仿制了多個國外合金；粉末高溫合金方面，第一代和第二代粉末高溫合金全部是仿制國外的。由于國內(nèi)以仿制合金為主，未形成自主材料體系，亟需提高自主創(chuàng)新能力，鈦合金主要仿制了美國、俄羅斯材料，形成了300-600℃范圍內(nèi)用的多種合金系列。
 
2）航空發(fā)動機(jī)材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究不足，研制單位過于分散，同水平材料過多，導(dǎo)致大部分材料特別是變形高溫合金材料技術(shù)成熟度低，批次穩(wěn)定性差、價格高，很多材料依賴進(jìn)口。
 
在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)關(guān)鍵材料特別是變形高溫合金材料研制生產(chǎn)單位尚未按照材料研制的全過程開展系統(tǒng)的研制工作，導(dǎo)致材料技術(shù)成熟度低，批次穩(wěn)定性差，價格高，部分牌號合金大量依賴進(jìn)口，如航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域用變形高溫合金GH4169大規(guī)格棒材國內(nèi)價格約350元/kg，國外對應(yīng)牌號的IN718合金價格只有200元/kg，所以國內(nèi)該合金70%以上依賴進(jìn)口；冷拉棒材、絲材、帶材、管材也主要依賴進(jìn)口。
 
3）航空發(fā)動機(jī)材料應(yīng)用研究嚴(yán)重不足，生產(chǎn)與應(yīng)用銜接不夠，一方面，導(dǎo)致對材料研制過程和批產(chǎn)穩(wěn)定性牽引和考核嚴(yán)重不足；另一方面，導(dǎo)致零部件制備工藝、設(shè)計使用技術(shù)不成熟甚至缺乏，設(shè)計使用數(shù)據(jù)和典型件考核試驗嚴(yán)重不足，航空廠零件批產(chǎn)穩(wěn)定性差、零件性能滿足不了服役需求。出現(xiàn)“有材不會用、用不好，出了問題反而歸結(jié)到材料上”的現(xiàn)象。
 
4）國內(nèi)市場容量有限、應(yīng)用的牌號品種規(guī)格過多，導(dǎo)致需求牽引力不夠，難以形成產(chǎn)業(yè)。航空用變形高溫合金年需求量約10000噸，但牌號近80種；鑄造高溫合金年需求量不超過5000噸；粉末高溫合金年需求量不超過1000噸；鈦合金需求量不足4000噸。另外，國產(chǎn)民用航空發(fā)動機(jī)預(yù)計在未來10年很難達(dá)到批量生產(chǎn)狀態(tài)，所需航空用高溫合金、鈦合金材料總量很難有大幅度提升。
 
5）國內(nèi)部分前沿材料和前沿先進(jìn)技術(shù)尚未獲得工程應(yīng)用。在變形高溫合金方面，750℃用盤件合金國外已實現(xiàn)應(yīng)用，高溫合金的三聯(lián)純凈化熔煉工藝，國外在20世紀(jì)90年代已實現(xiàn)成熟應(yīng)用，國內(nèi)目前尚未應(yīng)用；國外陶瓷基復(fù)合材料已經(jīng)完成試車驗證，而國內(nèi)均尚處于研發(fā)階段，且存在多種技術(shù)路線；國外鑄造合金葉片已獲得應(yīng)用，而國內(nèi)尚處于研發(fā)階段。
 
6）航空發(fā)動機(jī)材料生產(chǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)“少、缺、散”現(xiàn)象較為嚴(yán)重，原始數(shù)據(jù)的記錄內(nèi)容很少，數(shù)據(jù)背景信息不完整，可追溯性差，很難形成數(shù)據(jù)資源積累，無法滿足發(fā)動機(jī)設(shè)計所對材料數(shù)據(jù)的快速、及時的應(yīng)用需求，難以保證數(shù)據(jù)的可追溯性。



 

 
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