梁春華， 李曉欣

(沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)

20世紀(jì)90年代末期，美國國防部負(fù)責(zé)研究與工程的副部長埃尼塔·約翰遜(Anita Jones)在FY97和FY98材料與工藝技術(shù)領(lǐng)域計劃中將材料、信息、傳感器和經(jīng)濟可承受性列為美國國防部科技研究優(yōu)先發(fā)展的四大技術(shù)［1，2］。在美國空軍2025年展望中，將材料與工藝列為空軍六大高效力技術(shù)之一［1，2］。航空技術(shù)發(fā)展在很大程度上依賴于材料進(jìn)步，“一代材料、一代裝備”是材料推動航空技術(shù)進(jìn)步的真實寫照。航空發(fā)動機推重比的提高、性能的提升同樣離不開材料的進(jìn)步。因而，很多國家通過實施專項和綜合性研究計劃，來研發(fā)軍用發(fā)動機用先進(jìn)材料及工藝，以提高其綜合性能。目前，戰(zhàn)斗機發(fā)動機材料正在向著密度更小、耐溫能力更高、費用更低、壽命更長、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料工藝一體化等方向發(fā)展。

1 應(yīng)用趨勢

1.1 第3代戰(zhàn)斗機發(fā)動機

20世紀(jì)70年代后期以來，美國PW和GE公司開始研制第3代戰(zhàn)斗機發(fā)動機F100，F(xiàn)110，F(xiàn)404和F414等發(fā)動機，俄羅斯開始研制AL31F發(fā)動機，歐洲共同體開始研制RB199，M88等發(fā)動機。這代發(fā)動機將第2代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的推重比5.0～6.0提高到7.0～8.0、渦輪進(jìn)口溫度由1400～1550K 提高到1600～1750K［3］。為了滿足這些挑戰(zhàn)，質(zhì)量輕的樹脂基復(fù)合材料開始使用、鈦合金用量加大，耐更高溫度的高溫合金的用量也有所提升。下面為第3代戰(zhàn)斗機發(fā)動機典型部件用材情況。

風(fēng)扇以鈦合金為主，為減輕外涵機匣質(zhì)量，外涵機匣采用了樹脂基復(fù)合材料［4～6］。RB199，AL31F，F(xiàn)100發(fā)動機的風(fēng)扇為全鈦結(jié)構(gòu)，其中F100發(fā)動機的轉(zhuǎn)子葉片選用 Ti-6-6-2，盤選用 Ti-8-1-1，軸選用Ti-6-4;AL31F發(fā)動機的轉(zhuǎn)子葉片選用ВТ3-1鈦合金和 ВТ20鈦合金，盤選用 ВТ9鈦合金。F110-GE-132，F(xiàn)404，F(xiàn)414發(fā)動機外涵機匣采用了樹脂基復(fù)合材料。

壓氣機以鈦合金和高溫合金為主［4～6］。壓氣機的前部葉片、盤和機匣多數(shù)選用鈦合金，后部選用鋼、鎳鉻高溫合金或鎳基高溫合金。如:F100發(fā)動機1～3級盤為鈦合金，4級選用 PW1016，5，7，9級為高溫合金，6，8，10級為In100粉末高溫合金;轉(zhuǎn)子葉片1～4級為鈦合金，5～10級為高溫合金。又如F110發(fā)動機的前3級為鈦合金，后6級選用高溫合金。F414發(fā)動機的前2級轉(zhuǎn)子選用Ti17，后5級選用In718。

燃燒室以鎳基或鈷基高溫合金為主。AL31F發(fā)動機機匣選用ЭП708高溫合金，火焰筒選用ЭП648鎳基(高鉻含量)高溫合金。F100發(fā)動機選用Haynes 188鈷基高溫合金，F(xiàn)110，F(xiàn)404和F414發(fā)動機則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。

渦輪葉片最初主要選用空向凝固鎳基高溫合金加熱障涂層，后來更多選用單晶高溫合金加熱障涂層;盤最初主要選用鎳基高溫合金［4～6］，后來更多選用粉末高溫合金。如:AL31F發(fā)動機高壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片選用ЖС6У鎳基高溫合金，渦輪盤選用ЭП742鎳基高溫合金或粉末高溫合金，機匣選用ЭП708。F100-PW-220和F100-PW-229發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用PW1480或PW1484單晶高溫合金表層沉積熱障涂層，盤選用In100粉末高溫合金。F110發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片選用ReneN5單晶合金表層沉積熱障涂層，低壓渦輪第1級轉(zhuǎn)子葉片選用Rene125，盤選用Rene95或Rene88DT粉末高溫合金;第2級轉(zhuǎn)子葉片選用Rene80，盤選用In718。

加力燃燒室多選擇用高溫合金［4～6］。AL31F，F(xiàn)100，F(xiàn)414分別選用ЭП199高溫合金、帶陶瓷涂層的Haynes 188和Hastelloy X高溫合金。

噴管外殼選用鈦合金，其余選用鎳基高溫合金。

1.2 第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機

20世紀(jì)80年代中期以來，美國PW和GE公司開始研制F119，F(xiàn)135，F(xiàn)136等第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機。這代發(fā)動機的推重比提高到9.0～10.0、渦輪進(jìn)口溫度提高到1800～1950K［3］。為了滿足這些極具挑戰(zhàn)的要求，鈦合金用量更高，樹脂基復(fù)合材料開始大量使用，新型阻燃鈦合金、單晶鎳基合金和更耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用到發(fā)動機部件上，獨特的冷卻技術(shù)(如:Lamilloy結(jié)構(gòu)、超級冷卻和鑄冷等)也應(yīng)用在發(fā)動機上。下面為第4代戰(zhàn)斗機發(fā)動機典型部件的用材情況。

外涵機匣均為樹脂基復(fù)合材料。F119發(fā)動機選用PMR-15基復(fù)合材料。風(fēng)扇多為全鈦結(jié)構(gòu)，F(xiàn)119和F135都采用實心結(jié)構(gòu)，而F136發(fā)動機第1級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片選用空心結(jié)構(gòu);最為特殊的F135發(fā)動機第1級空心靜子葉片采用樹脂基復(fù)合材料［4～6］。

高壓壓氣機轉(zhuǎn)子前幾級采用鈦合金，后幾級采用高溫合金;靜子葉片選用高強度阻燃鈦合金或高強度鎳基高溫合金，F(xiàn)119發(fā)動機采用高強度阻燃鈦合金Alloy C，F(xiàn)135和F136發(fā)動機的前部采用鈦合金，后部分別采用高溫合金。F135發(fā)動機的3號軸承可能選用氮化硅摻雜陶瓷材料。

燃燒室火焰筒主要為鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱障涂層，F(xiàn)119發(fā)動機和F135發(fā)動機采用了浮動壁結(jié)構(gòu)，而F136發(fā)動機采用了Lamilloy結(jié)構(gòu)。

渦輪轉(zhuǎn)子葉片采用第2代單晶鎳基高溫合金并沉積熱障涂層;靜子葉片采用第2代單晶合金或陶瓷，如F135發(fā)動機120個導(dǎo)向器葉片選用陶瓷，F(xiàn)136發(fā)動機選用Lamilloy結(jié)構(gòu)的單晶鎳基合金;盤選用粉末合金或鎳基高溫合金，如F119發(fā)動機采用雙重?zé)崽幚淼姆勰└邷睾辖?隔熱支撐環(huán)選用低熱膨脹合金。

加力燃燒室隔熱屏選用鎳基高溫合金，筒體采用鈦合金或高強度阻燃鈦合金Alloy C。噴管主調(diào)節(jié)片選用高溫合金;外調(diào)節(jié)片為 SPECARBINOX A262碳纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料。

1.3 第5代戰(zhàn)斗機發(fā)動機

第5代戰(zhàn)斗機發(fā)動機是目前準(zhǔn)備研制的推重比12～15的小涵道比加力渦扇發(fā)動機，將以在空軍科技研究計劃、IHPTET、AMET、VAATE、UEET 等綜合性研究計劃［7～9］中的先進(jìn)材料與工藝和在 HITEMP、TMCTECC、經(jīng)濟型的樹脂基復(fù)合材料、DOD MANTECH、空軍科技等專項研究計劃下開發(fā)和驗證的先進(jìn)材料為基礎(chǔ)。

第5代戰(zhàn)斗機發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機葉片、支板、進(jìn)氣機匣、外涵機匣等低溫部件更多地選用樹脂(如PMR15、AFR700B等)基復(fù)合材料。低壓軸、葉片、整體葉環(huán)、殼體結(jié)構(gòu)等中溫部件將更多地選用耐溫816～982℃的鈦鋁金屬間化合物和連續(xù)纖維增強的金屬基復(fù)合材料。燃燒室火焰筒將更多地選用Lamilloy結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐溫1482℃陶瓷基復(fù)合材料和熱障涂層;擴壓器將更多地選用鈦鋁金屬間化合物;外機匣將更多地選用金屬基復(fù)合材料。渦輪葉片將更多地選用鎳基單晶高溫合金的超冷、鑄冷結(jié)構(gòu)、耐溫1538～1649℃纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料、高溫鉬基和鈮基合金、耐溫1093～1371℃金屬間化合物、耐溫1149℃熱障涂層;渦輪盤將更多地采用耐高溫的粉末合金和纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料。加力燃燒室襯套將更多地選用耐1204℃陶瓷、金屬基復(fù)合材料、耐溫1538℃碳/碳復(fù)合材料。噴管將更多地選用樹脂基復(fù)合材料、耐溫1093℃金屬間化合物、耐溫1371℃無冷卻的非金屬材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料。

2 發(fā)展趨勢

2.1 密度降低，強度提高

減輕發(fā)動機部件的質(zhì)量對于增大戰(zhàn)斗機發(fā)動機的推重比非常重要，而其最直接且有效的途徑就是采用質(zhì)量更輕的材料。因而，隨著先進(jìn)輕質(zhì)材料的開發(fā)成功，戰(zhàn)斗機發(fā)動機用材正在向低密度與高強度方向發(fā)展。

目前，樹脂基復(fù)合材料(PMC)、金屬(特別是鈦合金)基復(fù)合材料(MMC)［10～12］和鈦鋁金屬間化合物逐漸替代鋼、鈦合金和鎳基合金［13，14］用于制造風(fēng)扇/包容機匣、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子/靜子葉片、發(fā)動機短艙和反推力裝置等低溫部件;樹脂基復(fù)合材料、金屬(鈦、鎳)基復(fù)合材料和鈦鋁/鎳鋁金屬間化合物將替代鈦合金和鎳基高溫合金用于壓氣機轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機整體葉環(huán)、發(fā)動機低壓軸、壓氣機靜子葉片、機匣、排氣噴管作動筒與調(diào)節(jié)片的連桿等中溫部件;新一代高溫合金、鎳鋁金屬間化合物、先進(jìn)熱障涂層和陶瓷基復(fù)合材料(CMC)［15～17］逐步替代鎳基高溫合金用于燃燒室、渦輪、加力燃燒室與噴管等高溫部件。這將使戰(zhàn)斗機發(fā)動機的推重比明顯增大。表1示出了這些先進(jìn)材料相對被其替代材料的優(yōu)勢。

表1 先進(jìn)材料相對被其替代材料的優(yōu)勢Table 1 Advantages on advanced materials compared to the original materials

據(jù)GEAE公司報道，TF39發(fā)動機采用了386個樹脂基復(fù)合材料零件，總質(zhì)量為84.4kg，占發(fā)動機總質(zhì)量的3%，替代了122.6kg的金屬零件，零件質(zhì)量減輕35%，零件費用降低30%;CF6-6和CF6-50發(fā)動機采用了285個樹脂基復(fù)合材料零件，總質(zhì)量為127.1kg，占發(fā)動機總質(zhì)量的4%，替代了181.6kg的金屬零件，零件質(zhì)量減輕35%，零件費用降低30%。之后研制的發(fā)動機，如GEAE公司的F404、F414增推、F110-GE-132、F136等軍用發(fā)動機和GE90-115B、GENX等民用發(fā)動機，PW公司的F119、F135等軍用發(fā)動機和PW4084、PW4168、PW8000等民用發(fā)動機，SNECMA公司的M88軍用發(fā)動機，RR公司的 TRENT700、TRENT800、TRENT900、TRENT 1000等民用發(fā)動機，采用了更多的樹脂基復(fù)合材料零件。在IHPTET研究計劃中，AFR700B基復(fù)合材料用于制造驗證機支板，并進(jìn)行了驗證，將應(yīng)用于F136發(fā)動機上;對由AFR700B基復(fù)合材料制造的IHPTET研究計劃驗證機外涵機匣等靜止部件進(jìn)行了驗證，并準(zhǔn)備用于F119發(fā)動機上。

鈦基復(fù)合材料在壓氣機靜子/轉(zhuǎn)子葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機匣、尾部結(jié)構(gòu)和作動桿等零部件上的應(yīng)用研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展，并已經(jīng)在F414增推型、F100改進(jìn)型、聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器(JTAGG)驗證機上進(jìn)行了試驗驗證。

2.2 耐溫能力增強

提高溫度是增大戰(zhàn)斗機發(fā)動機推重比非常重要的措施，而其最直接且有效的途徑就是采用耐更高溫度的材料、熱障涂層和散熱性好的結(jié)構(gòu)。

戰(zhàn)斗機發(fā)動機用材呈現(xiàn)2個發(fā)展趨勢:(1)現(xiàn)有材料向更耐高溫度發(fā)展;(2)更耐高溫度的新材料取代現(xiàn)有材料。

渦輪葉片用單晶高溫合金［13，14］已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初PW公司成功研制的第1代單晶高溫合金—PW1480發(fā)展到第5代，平均換代時間為5年左右;每代耐溫能力提高接近30℃(每年提高大約6℃)，每代的蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性等都得到了不同程度的提高。

渦輪盤用粉末合金，已由1972年P(guān)W公司成功開發(fā)的第1代鎳基粉末高溫合金—IN100發(fā)展到第3 代(Alloy 10，ME3，LSHR，NR3)，耐溫能力由650℃提高到750℃以上;抗拉強度比第2代高，比第1代略低;但裂紋擴展速率較第2代更低。

高溫部件的熱障涂層［15～17］于20世紀(jì)50年代成功地應(yīng)用于戰(zhàn)斗機發(fā)動機燃燒室上。20世紀(jì)80年代初，等離子噴涂熱障涂層PWA264成功地應(yīng)用在JT9D戰(zhàn)斗機發(fā)動機渦輪葉片上;20世紀(jì)80年代中后期以來，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在戰(zhàn)斗機發(fā)動機高溫部件上。目前，已經(jīng)發(fā)展了隔熱效果達(dá)到167℃的第4代陶瓷熱障涂層與環(huán)境障涂層，更高效的第5代納米熱障涂層也正在研制。

陶瓷基復(fù)合材料［10，12］具有低密度、耐高溫、耐腐蝕和耐燒蝕等優(yōu)點，是戰(zhàn)斗機發(fā)動機燃燒室/加力燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子/靜子葉片、加力燃燒室火焰穩(wěn)定器、排氣噴管調(diào)節(jié)片等部件的極好候選材料。目前，GEAE、SNECMA、PW、RR 等公司集中研究具有二維或三維纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料，如金屬纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維增強的陶瓷基復(fù)合材料和陶瓷纖維或晶須增強的陶瓷基復(fù)合材料，其中SNECMA公司已將其應(yīng)用于M53和M88發(fā)動機上。耐溫1370℃的陶瓷基復(fù)合材料，正在中等載荷發(fā)動機零件上試驗驗證;近期耐溫1480℃的陶瓷基復(fù)合材料將在美國NASA開發(fā)和驗證;遠(yuǎn)期耐溫1650℃的陶瓷基復(fù)合材料將由美國NASA開發(fā)和驗證。

碳/碳復(fù)合材料［11］具有質(zhì)量輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕等優(yōu)異性能，是世界戰(zhàn)斗機發(fā)動機先進(jìn)國家為未來戰(zhàn)斗機發(fā)動機熱端部件研究和發(fā)展的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。美國已經(jīng)將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于F100發(fā)動機的加力燃燒室噴嘴，還計劃將其應(yīng)用于F119發(fā)動機的排氣噴管;法國已經(jīng)將它應(yīng)用于M53發(fā)動機加力燃燒室的噴油桿、隔熱屏和調(diào)節(jié)片。目前，人們正在研究和解決其高溫抗氧化性能差的問題。

2.3 材料、工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化

材料、工藝和設(shè)計研究人員針對特定部件，共同選擇和確定材料與工藝，甚至進(jìn)行材料選擇、工藝設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計，使部件達(dá)到整體優(yōu)化。

直到進(jìn)入20世紀(jì)70年代，戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計與制造商才開始開展材料與工藝的綜合研究。最為典型的就是鎳基高溫合金，通過不斷優(yōu)化材料組分、增強材料特性開發(fā)先進(jìn)的工藝，如柱晶、單晶、共晶、快速凝固和超單晶等，發(fā)展新型鎳基單晶合金和渦輪盤粉末高溫合金，進(jìn)一步增強材料的特性。

20世紀(jì)80年代以來，世界戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計與制造商對 AFll5，DTP In100，Alloyl0，ME3 以及LSHR等材料進(jìn)行了單合金雙性能粉末盤研究。PW公司采用雙重?zé)崽幚砉に?DTP)制造了Inl00雙性能粉末盤，并成功地應(yīng)用到F119發(fā)動機的高壓/低壓渦輪上。該盤輪緣部分的損傷容限能力提高，適應(yīng)了榫槽可能出現(xiàn)的微裂紋;輪轂部分的強度提高，滿足了高強度和低循環(huán)疲勞的要求。在IHPTET研究計劃下，PW公司將AF2-1DA粉末合金進(jìn)行熱等靜壓、擠壓制坯和超塑性鍛造，制成盤件，再進(jìn)行真空定向熱處理;采取控制溫度梯度的方法，在輪緣和輪轂部分獲得不同的晶粒度和性能。

20世紀(jì)90年代，世界戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計與制造商開始進(jìn)行雙合金粉末盤和雙合金整體渦輪的研究。美國TRW公司和GE公司采用熱等靜壓預(yù)成形工藝，制造了AF115/Rene95雙合金粉末渦輪盤，并在IHPTET研究計劃第2階段的JTDE驗證機上驗證了“抗蠕變和抗疲勞特性較當(dāng)時(2002年)材料提高167℃，輪緣工作溫度達(dá)到816℃”的特性。俄羅斯采用熱等靜壓擴散連接工藝，制造了雙合金粉末合金渦輪盤。日本從氣體霧化粉末開始，采用熱等靜壓成形和超塑性鍛造技術(shù)，制造了由TMP-3輪轂/AFll5輪緣構(gòu)成的雙合金渦輪盤。美國在IHPTET研究計劃下，還驗證了將CMSX-4單晶葉片與NF3粉末盤相連接的整體渦輪和將Lamilloy單晶葉片與粉末合金盤連接的XTC16/1A核心機整體渦輪。

特別是在復(fù)合材料的開發(fā)與制造過程中，世界戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計與制造商將結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師、材料人員與工藝人員等組成一體化小組，在設(shè)計之初進(jìn)行全面合作，使構(gòu)件的功能特性、材料的組分比例與取向的選擇和確定、制件的成形與加工過程、制件的形狀和質(zhì)量實現(xiàn)了真正的融合，使部件的綜合性能實現(xiàn)了整體優(yōu)化。例如:樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片/進(jìn)口機匣、金屬基復(fù)合材料整體葉環(huán)、陶瓷基復(fù)合材料火焰筒/渦輪葉片/噴管調(diào)節(jié)片等部件已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)成功，并成功地在戰(zhàn)斗機發(fā)動機上應(yīng)用。

3 結(jié)論

戰(zhàn)斗機發(fā)動機先進(jìn)材料向密度更低、強度更高、耐溫能力更好、材料/工藝/設(shè)計全面一體化的方向發(fā)展，并促進(jìn)發(fā)動機研制向推重比更高、機動性更好、可靠性更高、壽命更長等方向發(fā)展。

［1］Headquarters Air Force Material Command，Directorate of Science and Technology.FY97 Materials and Processes Technology Area Plan［R］.Ohio:Wright Patterson AFB.1997.

［2］AirForceResearch Laboratory. FY98 Materialsand Processes Technology Area Plan［R］.Ohio:Wright Patterson AFB.1997.

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