材料和制造工艺技术的进步推动航空发动机技术发展

机工

整体叶环

RR1000双性能粉末涡轮盘

航空发动机技术的发展以材料和制造工艺技术的进步为基础，并且对新材料、新工艺的依赖性将越来越大。航空发动机高转速、高温的苛刻使用条件和长寿命、高可靠性的工作要求，把对材料和制造技术的要求逼到了极限。未来先进航空发动机推重比的提高，材料和制造技术的贡献将占到50％~70％。
航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展；材料向着高温、高强、低密度的方向发展；新工艺技术不断涌现，向优质、高效、低成本方向发展。
涡轮叶片结构由实心发展到空心简单冷却、复合气膜冷却、双层壁超级冷却；叶片材料工艺由高温合金等轴晶铸造发展为无余量定向柱晶-单晶-金属间化合物合金精密铸造。单晶合金涡轮叶片在控制冷却效果和隔热涂层防护下，已经满足了推比10发动机F119-PW-100的涡轮前温度和循环寿命的要求，并可能通过进一步优化叶片的冷却结构，应用于更大推比的先进发动机。涡轮盘由变形高温合金普通锻造盘发展到第一、二、三代粉末高温合金盘。第一代粉末盘Rene，95，使用温度为650℃，用于GE公司第三代发动机如：F404、F110、T700系列等；第二代粉末盘如：Rene，88DT（抗损伤容限型），使用温度750℃，已逐步替代Rene，95应用于第三代、第四代军用发动机；第三代粉末盘使用温度800℃以上，为双组织/双性能涡轮盘，拟用于第五代发动机。GEAE与PWA联合研制的René104(ME3)合金是第三代合金的典型代表，据报道，René104合金的热时寿命是第二代粉末高温合金的20～30倍，该合金已经在GP7200等发动机得到了应用，并在空客A380、波音787等大型客机上获得应用。
风扇和压气机叶片、盘的材料由钢发展到400℃钛合金、500℃阻燃钛合金、600℃高温钛合金、760℃~800℃TiAl、Ti3Al金属化合物。第三代发动机钛合金用量约占30％；第四代发动机广泛应用了阻燃钛合金和高温钛合金，高温钛合金逐步取代镍基高温合金。
在第四代发动机F119和EJ200上，风扇、压气机和涡轮采用了整体叶盘结构，减轻重量30％；压气机和涡轮整体叶盘或整体叶轮结构在第二代涡轴发动机已开始采用。其制造方法包括：电子束焊接、超塑成形扩散焊接、线性摩擦焊接、五坐标数控铣削加工或电解加工、“锻接法”及热等静压等。压气机整体叶环由于采用复合材料，叶片直接固定在承力环上，取消了轮盘，使结构重量减轻70％。
第四代发动机F119、EJ200采用了宽弦空心风扇叶片，普遍采用真空扩散连接-超塑成型工艺、精密加工和光整工艺。
中介机匣和涡轮后机匣是发动机的关键承力部件，欧美等发达国家生产的钛合金整体结构精铸中介机匣最大重量100kg左右，最大尺寸1300mm以上，精度达到CT6~CT7级；高温合金涡轮机匣的整体精密铸造外廓尺寸达1500mm、最小壁厚0.8mm，缺陷少，性能高，产品合格率高，在第三代发动机上广泛采用，结构简化、重量减轻、可靠性大大提高。
树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料及其构件制造技术是推重比15~20高性能发动机必须的技术，美英等国加大力度支持优先发展。
树脂基复合材料在第三、四代大中型涡扇发动机上广泛应用。RTM工艺被用于第四代发动机F119进气机匣、风扇出口机匣等部件。高损伤容限、使用温度更高的新型树脂基复合材料是未来研究的重点。
金属基（Ti和Al）、金属间化合物基（TiAl）等复合材料将成为推重比15~20发动机的结构材料。GE公司采用连续碳化硅纤维增强的钛金属基复合材料通过超塑成形/扩散连接工艺制造出空心风扇叶片。SiC纤维增强的钛基复合材料工作温度可达700℃，已用于低压涡轮轴、鼓筒等发动机部件，可减轻结构重量的20％~40％。
陶瓷基复合材料（CMC）的使用温度高达1650℃，而密度为2.4g/cm3，与铝合金相当,已经成为高温材料的发展重点，喷口鱼鳞板已在欧洲第四代EJ200发动机上应用。
碳/碳复合材料工作温度可达1500~2000℃，将被用于燃烧室、涡轮叶片等结构件。目前研究的重点是改善其抗氧化特性，其中喷口调节片等零件已用于法国M88发动机。美国早在八十年代就在F100发动机上进行了碳/碳复合材料燃烧室和喷管试验，在JTD验证机上进行了涡轮盘及叶片的超转试验。
先进涂层技术已在第三代、第四代航空发动机关键零件的隔热、高温防护、耐磨、封严以及钛合金零件的防微动磨损、阻燃等方面起了重要的作用。
以高能束流加工为代表的特种加工技术在难切削材料加工、复杂构件的型腔、型面、型孔、微小孔、细微槽及缝的加工中显示出突出优点，解决了常规加工很难解决的难题。
特殊材料和结构的特种焊接技术在航空发动机焊接结构件中的应用越来越广泛。激光快速原型制造技术在先进航空发动机复杂零件坯料的直接快速成形、零件修复等方面，是非常有前景的制造技术。
先进的材料和制造技术保证了新材料构件及新型结构的实现，使发动机重量不断减轻，发动机的效率、使用寿命、稳定性和可靠性不断提高。（中国航发贵阳所 杨升）