在航空發動機材料領域，中國什麼水平？
本文《兵工科技》
歷來談到航空發動機，都會談到材料，材料技術是航空發動機的最重要基石，那麼，現在最新的航空發動機的各個部分都應用了哪些高新材料？而中國目前在航空發動機材料領域，又處於怎樣的技術水平和位置？
冷端、熱端材料大不同
航空發動機是一個非常複雜的裝置，上面有上萬個零部件，不同的零部件有不同的作用和功能，有不同的工作環境和要求，因此採用的材料也是不同的。總的來說，航空發動機按照工作的環境，可以分作兩部分，即冷端部件和熱端部件。其中冷端部件，風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等，它們要麼是接近發動機進氣一方的，要麼是在發動機的結構外圍，承擔結構支承和包裹作用的；而熱端部件，比如渦輪、燃燒室、尾噴管等，工作溫度很高，轉速也很高，承受的壓力也很高，經常稱之為“三高”，在這三高環境下，需要採用一系列非常特殊的耐熱耐壓高效能材料。
冷端外機匣：鎂合金
航空發動機的冷端外機匣，要求又輕又足夠結實。以前冷端外機匣等部件，主要用航空鋁合金。最近這些年則開始用鎂合金，它比鋁合金更輕，密度更低，但物理效能卻相當，承受衝擊載荷能力也比鋁合金強。此外，在發動機齒輪機匣、油泵和油管等地方，它也很常用。
圖注：渦扇-10發動機。現代航空發動機的“外殼”，大量使用了輕質鎂合金材料
風扇葉片、機匣：樹脂基複合材料
樹脂基複合材料是以樹脂材料為基體、高效能連續纖維為增強材料研製而成的一類新材料。比起金屬材料而言，其最大優勢就是質量輕，據統計，風扇段質量約佔發動機總質量的30%~35%，降低風扇段質量是降低發動機質量和提高發動機效率的關鍵手段。風扇葉片每減重1千克，風扇機匣和傳動系統也相應減少1千克，同時發動機結構和飛機的機翼/機身結構也分別減重0。5千克。因此用樹脂基複合材料製造風扇葉片、機匣可以大幅減重。此外，樹脂基複合材料風扇葉片受撞擊後對風扇機匣的衝擊較小，有利於提升風扇機匣包容性，也有利於提高發動機的防鳥撞效能。目前世界上最先進的大飛機發動機的風扇葉片，很多都採用了樹脂基複合材料，這些風扇直徑有的超過3米，製造難度也相當大。
圖注：CFM公司研製的LEAP-X新型發動機的風扇和機匣，都採用了樹脂基複合材料
熱端部件：高溫合金、碳化矽基材料、陶瓷基材料和熱障塗層
發動機熱端部件，比如渦輪、燃燒室、尾噴管等，工作環境更為惡劣，世界主流發動機，渦輪前燃溫度達到或超過1300~1400℃，即便是最耐熱的金屬，都無法在這樣嚴酷的溫度下保持物理特性，需要各種高溫耐熱材料和冷卻技術來保證效能。目前得到應用的新材料，主要有渦輪表面的熱障塗層材料和用於熱端先進渦輪盤部件的粉末冶金合金（高溫合金）材料；而碳化矽基和陶瓷基複合材料等新材料，技術難度更大，目前正在研究之中，將來可能會大展身手。
熱障塗層，是指為了讓發動機熱端部件保持長時間正常工作和高溫耐受能力。而在其表面如渦輪盤等表面塗覆的一層起保護作用的塗層。高效能的熱障塗層，是英美髮動機使用壽命遠超其他國家同類發動機的“不傳之秘”。有了高效能熱障塗層，以往壽命200到600小時的發動機，工作壽命可以延長2~3倍，工作溫度也能提高好幾百度。
而高溫合金，則主要分為難熔金屬和金屬間化合物兩類，而難熔金屬指熔點高於1650℃並有一定儲量的金屬，包括鎢、鉬、鈮、鉻、鋯、鈦等。難熔金屬廣泛用於發動機熱端部件。但難熔金屬有個缺點，就是儲量很少，而且大都伴生在稀土礦等稀有礦藏中，而航空發動機動輒要製造成千上萬臺，對難熔金屬需求量很大，這就使得其應用受到限制。
目前最常用的高溫合金，主要是鎳基合金、鈦基合金和鈦基金屬間化合物等，從上世紀70年代開始，經過三代發展，目前的世界主流先進第三代、第四代軍用渦扇發動機，都普遍使用了以上三種合金材料。
碳化矽基材料、陶瓷基材料則是目前正在研發的下一代高效能熱端材料中最熱門的兩種，他們兩種都屬於高分子複合纖維材料，這兩種材料並非完全獨立發展，也可以同時使用，經過不同的配方和組成結構混合起來，形成不同成分的新材料。目前，美國在最新型F414中等推力發動機上率先使用了陶瓷基材料渦輪轉子葉片。
圖注：F414-400發動機，GE公司在它的進一步改進型號上首次使用了陶瓷基材料
中國所處位置：第二梯隊中後部
在鎂合金、鋁合金等常用發動機冷端和外機匣部件上，中國已經完全能實現自主生產。在高溫合金研究領域，我國也實現鎳基合金和鈦基合金的自主研發和應用，其中第三代鎳基合金已經成功應用在國產大推力渦扇發動機上。熱障塗層曾是中國航發的攔路虎，現在也已被攻克，“太行”發動機上就應用了我們自己開發的熱障塗層，工作效能和壽命因此大幅提升。而在樹脂基材料領域，我國目前也已成功透過實驗室研發階段，研製出複合材料風扇葉片，目前正在向工程應用階段發展。而在陶瓷基和碳化矽基新熱端材料研發上，目前我國還主要處於早期預研和材料原理試驗階段，距離英美兩國的從試驗階段向工程應用階段過渡，還存在15~20年的技術差距。總
體來看，中國航空發動機透過前些年的努力投入，已經進入了第二梯隊，稍稍落後於俄羅斯、日本，處於第二梯隊中後部位置，與第一梯隊的美國和歐洲還存在很大差距，需要奮起直追，透過跨越式發展實現趕超
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