先进航天发动机叶片材料

先进航天发动机叶片材料专题学习报告

一、航空发动机叶片材料基础

冯强教授就《先进航天发动机叶片材料与服役损伤》给我们做了报告。讲座中，冯老师结合自己的学习、研究经历，向我们展示了先进航空发动机在国防和民用中不可替代的地位，指出我国在航空发动机领域和发达国家还有很大的差距，而这些差距主要是在高压涡轮叶片材料方面。

燃气涡轮是航空燃气涡轮发动机的重要部件之一，为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度。涡轮进口温度每提高 100 ℃，航空发动机的推重比能够提高 10%左右，国外现役最先进第四代推重比 10 一级发动机的涡轮进口平均温度已经到了 1600 ℃左右，预计未来新一代战斗机发动机的涡轮进口温度有望达到 1800 ℃左右。

表1 各代发动机涡轮叶片材料

航空发动机涡轮叶片(包括涡轮工作叶片和导向叶片)是航空发动机中承受

温度载荷最剧烈和工作环境最恶劣的部件之一，在高温下要承受很大、很复杂的应力，因而对其材料的要求极为苛刻。

二、航空发动机涡轮叶片材料国内外研究进展

航空发动机涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。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，前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片，英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。而航空发动机不断追求高推重比，使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求，因而国外自70年代以来纷纷开始研制新型高温合金，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；单晶高温合金已经发展到了第3代。80年代，又开始研制了陶瓷叶片材料，在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。

航空发动机的发展对涡轮叶片用材料的使用温度提出了越来越高的要求；中国涡轮叶片用材料也从变形高温合金发展到了单晶高温合金和金属间化合物基高温合金，其使用温度从700℃提高到了1100-1150℃。

三、该领域的研究热点及代表性文献分析

目前，国内外的研究热点主要集中在以下几个方面：

（1）定向凝固和单晶精铸

定向凝固和单晶精铸技术已经成为推重比10以上高性能发动机关键制造技术之一。单晶叶片是基于定向凝固技术发展出的一种沿叶身方向完全消除晶界织构的叶片。作为高推重比航空发动机的核心部件，必须具有优良的高温抗蠕变、抗热机械疲劳、抗氧化腐蚀性能和较高的承温能力，它也是衡量一种型号发动机先进程度的重要标志。

国外已批量生产叶身无余量的各种尺寸的叶片精锻件和定向及单晶合金空心叶片精铸件，现役发动机已普遍采用的精铸单晶空心叶片和超塑性锻造粉末高温合金涡轮盘；美国Howmet公司已生产100多种100多万件精铸单晶叶片。此外，国外还在研究尺寸达2000毫米的精铸件和已研究成功复杂内腔的单晶叶片与双性能涡轮盘。

（2）精密锻造

高推重比发动机的锻件占结构重量55%以上。精密锻造技术已经成为高性能发动机的关键制造技术。目前，国外已批量生产投影面积1.2～3.5平方米的各种材料的大型模锻件，并已研究成功投影面积5.16平方米的钛合金模锻件。另外，正在研发的有：用等温锻造技术制造带叶片的压气机整体叶盘转子；用粉末冶金超塑热等静压和等温锻造精化技术制造具有无偏析超细晶粒及难以成形的锻件毛坯，材料利用率可提高4倍。精密锻造精度和质量主要依靠计算机对锻造过程进行控制，以获取最佳的锻件精度和质量。

（3）热障涂层技术

高推重比发动机结构中将大量采用以热障涂层技术为代表的先进涂层技术。热端

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部件采用热障涂层以提高结构强度，其中有陶瓷涂层和多层隔热层。陶瓷热障涂层需先在零件表面喷涂MCrALY底层以提高结合强度。多层复合隔热涂层是在基体金属表面钎焊一层柔性金属纤维结构,可减少冷却气流80%。涡轮工作叶片和导向器的隔热涂层采用低压等离子喷涂涂敷，也可以采用电子束物理气相沉积

（EB-PVD）涂敷。发动机冷端部件均采用封严涂层、耐磨和防腐蚀涂层。涂敷方法多采用等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂和真空等离子喷涂。

北京科技大学新金属材料国家重点实验室和国家材料服役安全科学中心的胡聘聘、陈晶阳、冯强等人分别就Mo和Ru对镍基单晶合金组织及持久性能的影响进行了研究，研究表明Mo的添加提高了γ’相的体积分数和错配度，并促进筏排组织的形成，有利于合金持久性能的提高，但由于Mo促进TCP相的大量析出，从而使合金的持久寿命降低。另一项试验中，1100℃、140 MPa条件下持久性能测试表明，Ru显著提高合金的持久寿命，这与Ru增加合金中的γ’相体积分数和γ/γ’点阵错配度，促进筏排组织的形成，并减小时效组织中的γ通道宽度有关。

沈阳中科三耐新材料股份有限公司和中国科学院金属研究所的刘鸣、姜卫国等人报道了《复杂结构空心高压涡轮导向叶片精密铸造工艺》，他们对双联复杂结构空心高压涡轮叶片的精密铸造工艺进行了研究，结果表明，采用硅基陶瓷型芯为主芯并组合石英管，使制备空心叶片铸造用陶瓷型芯工艺过程明显简单化，提高了陶瓷型芯的成品率。采用该型芯成功制备了合格的双联空心高压涡轮叶片。

中航工业沈阳发动机设计研究所的张志强、宋文兴、陆海鹰等人在《热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究》一文中详细研究了陶瓷热障涂层的材料与制备方法，介绍了热障涂层的基本原理和主要工艺特点，他们解决了热障涂层在喷涂过程中所产生的堵塞气膜孔、减小排气面积、降低疲劳性能、遮挡等方面的难点问题，给出了热障涂层叶片在试验和试车中的考核结果。

四、我校在该领域的特色和优势

在先进航空发动机叶片材料的研制领域，北京科技大学新金属材料国家重点实验室以及国家材料服役安全科学中心具有得天独厚的优势，在新金属结构材料、新金属功能材料、材料制备新技术新工艺方面具有极强的优势，在高温耐热合金方面，曾开发出具有我国独立知识产权的新一代航空航天用发动机材料—高温高性能高铌钛铝合金材料，并且即将步入产业化阶段，这一技术将使我国航空航天发动机材料居世界领先水平。

参考文献

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