先进航天发动机叶片材料专题学习报告

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、探讨经验，向我们展示了先进航空发动机在国防和

民用中不行替代的地位，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口|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、重量轻的状况下获得高性能，主要的措施是采纳更高的燃气温度。涡

轮进口温度每提高100°C,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一级发动机的涡轮进口平均温度已经到了1600℃左

右，预料将来新一代战斗机发动机的涡轮进口温度有望达到1800°C左右。

表1各代发动机涡轮叶片材料

代别笫二代笫三代笫四代第五代

推耐比：4-6；推术比：7-8：推取比：9-10；推正比：12-15；

主要性

涡轮前温度：涡轮前温度：涡轮前温度：涡轮前温度:

能指标

13X)-15OOKI68O-175OKI85O-19XOK21(X)-22(X)K

典型斯贝MK2O2F1OO.F11OF119,EJ2OO

预计2018年

发动机服役：20世纪60年代服役：20世纪70年代服役：20世纪末

涡结气膜冷却空心泗轮叶双U型超冷/铸冷涡轮

实心叶片一合冷却空心叶片

轮构片叶片

叶材第一代单品和定向合金融间化介物

定向合金和高温合金第二代单品合金

片料金第三代单晶合金

航空发动机涡轮叶片一（包括涡轮工作叶片和导向叶片一）是航空发动机中承受

温度载荷最猛烈和工作环境最恶劣的部件之」在高温下要承受很大、很困难的

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探讨进展

航空发动机涡轮叶片用材料最初普遍采纳变形高温合金。随着材料研制技术

和加工工艺的发展，铸造高温合金渐渐成为涡轮叶片的候选材料美国从20世纪

50年头后期起先尝试运用铸造高温合金涡轮叶片，前苏联在60年头中期应用了铸

造涡轮叶片，英国于70年头初采纳了铸造涡轮叶片。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意其越来越高的温度及性能要求,

因而国外自70年头以来纷纷起先研制新型高湘合今，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年头，又起先研制了陶瓷叶片材料，在叶片上起先采纳防腐、隔热涂层

等技术。

航空发动机的发展对涡轮叶片用材料的运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，其运用温度从700℃提高到了1100-1150℃。

三、该领域的探讨热点及代表性文献分析

目前，国内外的探讨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退晶界织构的

叶片"作为高推重比航空发动机的核心部件，必需具有优良的高温抗蠕变、抗热

机械疲惫、抗氧化腐蚀性能和较高的承温实力，它也是衡量一种型号发动机先进

程度的重要标记。

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纳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Howmct公司已生产100多种100多万件精铸单晶叶片。此外,

国外还在探讨尺寸达2000亳米的精铸件和已探讨胜利困难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，并已探讨胜利投影面积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；用粉木冶金

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

进行限制，以获得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纳以热障涂层技术为代表的先进涂层技术。热端

部件采纳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

层需先在冬件表面喷涂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，可削减冷却气流80与。涡轮工作叶片和导向

器的隔热涂层采纳低压等离子喷涂涂敷，也可以采纳电子束物理气相沉积

（EB-PVD）涂敷。发动机冷端部件均采纳封严涂层、耐磨和防腐蚀涂层。涂敷方

法多采纳等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂和真空等离子喷涂。

北京科技高校新金属材料国家重点试验室和国家材料服役平安科学中心的

胡聘聘、陈晶阳、冯强等人分别就M。和Ru对银基单晶合金组织及长久性能的影响

进行了探讨，探讨表明Mo的添加提高了丫'相的体积分数和错配度，并促进筏排

组织的形成，有利于合金长久性能的提高，但由于M。促进TCP相的大量析出，从

而使合金的长久寿命降低。另一项试验中，1100C、140MPa条件下长久性能测

试表明，而显著提高合金的长久寿命，这与Ru增加合金中的y'相体积分数和Y

/Y'点阵错配度，促进筏排组织的形成，并减小时效组织中的丫通道宽度有关。

沈阳中科三耐新材料股份有限公司和中国科学院金属探讨所的刘鸣、姜卫国

等人报道了《困难结构空心高压涡轮导向叶片精密铸造工艺》，

他们对双联困难结构空心高压涡轮叶片的精密铸造工艺进行了探讨，结果表

明，采纳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

艺过程明显简洁化，提高了陶瓷型芯的成品率。采纳该型芯胜利制备了合格为双

联空心高压涡轮叶片。

中航工业沈阳发动机设计探讨所的张志强、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探讨》一文中具体探讨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、降低疲惫性能、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。

用生面层骷接除培基体

图1热障涂层工作原理

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，北京科技高校新金属材料国家重点

试验室以及国家材料服役平安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学问产权的新一代航空航天用发动机材料一高温高

性能高银钛铝合金材料，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。

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