镍基高温合金
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现仅就航空航天材料的一般情况进行介绍，以供 参考。 由于航空航天事业发展很快，对材料的需 求也与 日俱增，青年科学工作者继往开来，责重 道远。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
航宇材料的特点
总要求
高质量 高可靠性 保障供应 价格因素
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
投入或损失
1.发展更耐高温的合金
2.采用先进制造工艺
铸造高温合金：多晶（1958）－柱晶（1962）－单晶（1970）
3.采用不同冷却技术
对流冷却（60年代初，美61年，中国66年） 冲击冷却 气膜冷却 层板冷却（冷却效果700-800℃） 发汗冷却（难点：碳化问题）
4.发展热障涂层
导热率最低的ZrO2涂层可提高250℃，用于海洋及工业气氛中的抗腐蚀涂 层采用Pt-Al，一般腐蚀采用Al或MCrAlY
20-30 590 钛合金、高温合金
35-40 695 TiAl, Ti合金高温合金
65-75 765 Ti合金、TiAl金属基复合材料
燃 温升(℃)
800
1050-1150
1250-1350
烧 关键材料 室
850℃镍基高温合金 1100℃镍基高温合金+陶瓷涂层
1540℃陶瓷基复合材料
高 进气温度(℃)
图7 未来发动机材料预测
可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及难 熔金属也将介入。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
应该指出，涡轮前温度提高对发动机推力的提高十分重要，一般来说， 涡轮前温度每提高100℃，推力提高20～25％，热效率提高8％，对材料 来说，难度最大的是涡轮叶片和涡轮盘。对叶片材料来说，目前是镍基 高温合金，由于熔点（1250 ～ 1350 ℃ ）所限，工作温度不可能太高， 因而采用以下几种措施：
以
价 汽车材料……………………….1
格 为
民航材料……………… …100
重
军机材料……………… 150
点
空间材料………..1,500
图3 飞行器每减重1公斤减重 所取得的经济效益
源自文库
以效能为重点
图4 不同材料使用性能与价格关系 （价格 VS 效能）
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
对卫星及航天飞机来说，需要最好的材料，而很少考虑材料的
真空出氧和质量损耗 耐电子和原子辐照 耐氧原子：氧原子在高空200km，飞行速度达8km/s条件下，温度 可达1000～1500K，有机物挥发严重。
耐冷热交变疲劳（-120℃～+170℃） 抗空间微陨石和空中垃圾撞击，以及屏蔽设计选材
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
因再入温度可高达2000℃以上，用于军事目的的导弹还要求 弹头材料耐更高温度和比强度。弹头减轻1kg，可增加15km 的射程或相当于减少起飞重量50kg，下图为材料与导弹射程 的关系。
航空材料的特点
高性能（高比强度及比刚度，耐高温） 长寿命（抗疲劳，耐腐蚀与氧化、抗磨损、耐高温） 高可靠性（测试与质量保证的投入高）
可靠性 图1 材料测试投入与报废率的关系
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
航天材料的特点
除高比强度、高比刚度、高可靠、批量小、高成本以外。 还要求： 耐空间环境
玻璃钢
芳纶
C/C复合材料
金属
射程(公里)
图2 导弹壳体材料与射程关系
此外，由于再入时温度过高，烧蚀材料发生电离，形成黑障 及尾流，要求防热材料高纯度，碱金属或碱土金属含量要求 很低。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
材料在航空与0航天所处地位
材料性能（比强度、比刚度等）飞行器所收效益与飞行 速度有关，因而飞行器材料的价格与飞行器的速度密切 相关。
价格，因为选用好材料每减重1克其收益就很显著，反之汽车每 减重1公斤，所得收益很少，而材料在汽车产值中占53%，材料 的价格就影响很大。
材料决定飞机及其发动机的性能，因而有“一代材料，一代飞 机”，“一代材料一代发动机”的说法。
29% 29％
42%
29 69% 42
图5 材料对飞机性能的提高所处地位
目录
1
前言
2
航宇材料的特点
3
材料在航空航天的地位
4
航宇材料
5
结束语
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
前言
航空与航天的发展是人类现代化的重要标志之 一， 也是一个国家科技水平与工业水平的体现。 当前 大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长 志气， 为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄 傲，也是 材料工作者的光荣。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
涡轮盘在航空发动机中是另一类难度最大的材料，温度虽然不太高 （<850℃），但受力复杂，除承受涡轮叶片高强的离心力外，还有热应 力，涡轮盘的断裂将导致机毁人亡，而且由于其尺寸较大，在凝固过程 中容易发生合金元素的偏析，而导致脆性相的发生。解决的办法：
1350-1500
压 绝热效率
0.86
涡
冷却
复合冷却
轮 关键材料 定向凝固或单晶叶片
(1100℃)
1550-1750
0.89-0.90 高效冷却 粉末涡轮盘 单晶叶片+热障涂层 金属间化物(1200℃)
1800-2100
0.92 气膜冷却 多孔层板 金属间化物复合材料C/C复合材料
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
推重比的不断提高要求材料的轻量化，高压涡轮温度的攀升 是材料中的最大难点。除了采用耐高温材料以外，需要有效 冷却。图7为美国宇航局对今后航空发动机材料的预测。
Ti基复合材料
钢
Ni基合金
高分子基复合材料 Al、Mg基复合材料
钴基合金 钛铝化合物基 复合材料 Ni、Fe、Nb铝化 物基复合材料
碳基复合材料 难熔
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
航宇材料
航空发动机是飞机的心脏，下表为历代发动机的主要参数
及所用材料
表1 国外军用发动机典型部件
现役机种(3代)
现役机种(4代)
预研机种(5代)
整 推重比 机 代表型号
7-9 F100，RB199
9-11 F119
15-20
压 增压比
气 出口温度(℃) 机 关键材料
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
由于材料、设计及动力装置的不断改进，以及机型的加大， 波音飞机从波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高 2.5倍。
客机从波音707到747，30年间
燃油效率提高2.5倍
燃
油
效
率 每
2.5倍
座
哩
加 仑
( ·/ )
初始服役年份
图6 历代民机座·哩的油耗
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航宇材料的特点
总要求
高质量 高可靠性 保障供应 价格因素
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投入或损失
1.发展更耐高温的合金
2.采用先进制造工艺
铸造高温合金：多晶（1958）－柱晶（1962）－单晶（1970）
3.采用不同冷却技术
对流冷却（60年代初，美61年，中国66年） 冲击冷却 气膜冷却 层板冷却（冷却效果700-800℃） 发汗冷却（难点：碳化问题）
4.发展热障涂层
导热率最低的ZrO2涂层可提高250℃，用于海洋及工业气氛中的抗腐蚀涂 层采用Pt-Al，一般腐蚀采用Al或MCrAlY
20-30 590 钛合金、高温合金
35-40 695 TiAl, Ti合金高温合金
65-75 765 Ti合金、TiAl金属基复合材料
燃 温升(℃)
800
1050-1150
1250-1350
烧 关键材料 室
850℃镍基高温合金 1100℃镍基高温合金+陶瓷涂层
1540℃陶瓷基复合材料
高 进气温度(℃)
图7 未来发动机材料预测
可以看出，今后TiAl基材料大幅增加，不耐氧化的碳基及难 熔金属也将介入。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
应该指出，涡轮前温度提高对发动机推力的提高十分重要，一般来说， 涡轮前温度每提高100℃，推力提高20～25％，热效率提高8％，对材料 来说，难度最大的是涡轮叶片和涡轮盘。对叶片材料来说，目前是镍基 高温合金，由于熔点（1250 ～ 1350 ℃ ）所限，工作温度不可能太高， 因而采用以下几种措施：
以
价 汽车材料……………………….1
格 为
民航材料……………… …100
重
军机材料……………… 150
点
空间材料………..1,500
图3 飞行器每减重1公斤减重 所取得的经济效益
源自文库
以效能为重点
图4 不同材料使用性能与价格关系 （价格 VS 效能）
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
对卫星及航天飞机来说，需要最好的材料，而很少考虑材料的
真空出氧和质量损耗 耐电子和原子辐照 耐氧原子：氧原子在高空200km，飞行速度达8km/s条件下，温度 可达1000～1500K，有机物挥发严重。
耐冷热交变疲劳（-120℃～+170℃） 抗空间微陨石和空中垃圾撞击，以及屏蔽设计选材
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
因再入温度可高达2000℃以上，用于军事目的的导弹还要求 弹头材料耐更高温度和比强度。弹头减轻1kg，可增加15km 的射程或相当于减少起飞重量50kg，下图为材料与导弹射程 的关系。
航空材料的特点
高性能（高比强度及比刚度，耐高温） 长寿命（抗疲劳，耐腐蚀与氧化、抗磨损、耐高温） 高可靠性（测试与质量保证的投入高）
可靠性 图1 材料测试投入与报废率的关系
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
航天材料的特点
除高比强度、高比刚度、高可靠、批量小、高成本以外。 还要求： 耐空间环境
玻璃钢
芳纶
C/C复合材料
金属
射程(公里)
图2 导弹壳体材料与射程关系
此外，由于再入时温度过高，烧蚀材料发生电离，形成黑障 及尾流，要求防热材料高纯度，碱金属或碱土金属含量要求 很低。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
材料在航空与0航天所处地位
材料性能（比强度、比刚度等）飞行器所收效益与飞行 速度有关，因而飞行器材料的价格与飞行器的速度密切 相关。
价格，因为选用好材料每减重1克其收益就很显著，反之汽车每 减重1公斤，所得收益很少，而材料在汽车产值中占53%，材料 的价格就影响很大。
材料决定飞机及其发动机的性能，因而有“一代材料，一代飞 机”，“一代材料一代发动机”的说法。
29% 29％
42%
29 69% 42
图5 材料对飞机性能的提高所处地位
目录
1
前言
2
航宇材料的特点
3
材料在航空航天的地位
4
航宇材料
5
结束语
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
前言
航空与航天的发展是人类现代化的重要标志之 一， 也是一个国家科技水平与工业水平的体现。 当前 大飞机的立项与神舟7号的成功，为国人长 志气， 为世人所瞩目，是我国宇航工作者的骄 傲，也是 材料工作者的光荣。
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
涡轮盘在航空发动机中是另一类难度最大的材料，温度虽然不太高 （<850℃），但受力复杂，除承受涡轮叶片高强的离心力外，还有热应 力，涡轮盘的断裂将导致机毁人亡，而且由于其尺寸较大，在凝固过程 中容易发生合金元素的偏析，而导致脆性相的发生。解决的办法：
1350-1500
压 绝热效率
0.86
涡
冷却
复合冷却
轮 关键材料 定向凝固或单晶叶片
(1100℃)
1550-1750
0.89-0.90 高效冷却 粉末涡轮盘 单晶叶片+热障涂层 金属间化物(1200℃)
1800-2100
0.92 气膜冷却 多孔层板 金属间化物复合材料C/C复合材料
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
推重比的不断提高要求材料的轻量化，高压涡轮温度的攀升 是材料中的最大难点。除了采用耐高温材料以外，需要有效 冷却。图7为美国宇航局对今后航空发动机材料的预测。
Ti基复合材料
钢
Ni基合金
高分子基复合材料 Al、Mg基复合材料
钴基合金 钛铝化合物基 复合材料 Ni、Fe、Nb铝化 物基复合材料
碳基复合材料 难熔
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航宇材料
航空发动机是飞机的心脏，下表为历代发动机的主要参数
及所用材料
表1 国外军用发动机典型部件
现役机种(3代)
现役机种(4代)
预研机种(5代)
整 推重比 机 代表型号
7-9 F100，RB199
9-11 F119
15-20
压 增压比
气 出口温度(℃) 机 关键材料
2008航空宇航科学与技术全国博士生学术论坛
由于材料、设计及动力装置的不断改进，以及机型的加大， 波音飞机从波音707（1958）到747（1988），燃油效率提高 2.5倍。
客机从波音707到747，30年间
燃油效率提高2.5倍
燃
油
效
率 每
2.5倍
座
哩
加 仑
( ·/ )
初始服役年份
图6 历代民机座·哩的油耗