高温合金概览（四） ——高温合金的应用之航空发动机

有研究表明，航空发动机用高温合金占高温合金总需求一半以上，此外还广泛应用于电力、汽车、机械等行业中。

（一）航空发动机

航空发动机被称为“工业之花”，是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机，特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能，这几乎是结构材料中最高的性能要求。

航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关，高温合金是推动航空发动机发展的最为关键的结构材料。军用航空发动机通常可以用其推重比（推力/重量）综合地评定发动机的水平。提高推重比最直接和最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度。因此高温合金材料的性能和选择是决定航空发动机性能的关键因素。随着航空装备的不断升级，对航空发动机推重的要求比不断提高，发动机对高性能高温合金材料的依赖越来越大。

在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40%-60%。在航空发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件；此外，还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

军用航空发动机通常以其推重比的大小来综合判定发动机的水平。提高推重比最直接、最有效的技术措施是提高涡轮前的燃气温度。

（二）燃烧室

燃烧室的功用是把燃油的化学能释放变为热能，是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500~2000℃之间。其余的压缩空气在燃烧室周围流动，穿过室壁的槽孔使室壁保持冷却。燃烧筒合金材料承受温度可达800~900℃以上，局部可达1100℃。

用于制造燃烧室的主要材料有高温合金、不锈钢和结构钢；其中用量最大、最为关键的是变形高温合金。由于传统的高温合金板材受限于合金的熔点的限制，现在基本已经达到其极限使用温度，难以进一步发展。要使燃烧室用高温合金材料进一步发展，必须研究全新的材料基体和材料制备工艺。目前国际在研的新材料有碳/碳复合材料、高温陶瓷材料、氧化物弥散强化合金、金属间化合物、高温高强钛合金等。

（三）导向叶片

导向叶片是调整从燃烧室出来的燃气流动方向的部件，是航空发动机上受热冲击最大的零件之一。一般来讲，导向叶片的温度比同样条件下的涡轮叶片温度高约100℃，但叶片承受的应力比较低。

在熔模精铸技术突破后，铸造高温合金成为了导向叶片的主要制造材料。近年来，由于定向凝固工艺的发展，用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中；此外，FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环制造采用了氧化物弥散强化高温合金。

（四）涡轮盘

涡轮盘在四大热端部件中所占质量最大。涡轮盘工作时，轮缘温度达550-750℃，而轮心温度只有300℃左右，整个部件的温差大；转动时承受重大的离心力；启动和停车过程中承受大应力低疲劳周期。

用于涡轮盘制造的主要材料是变型高温合金，其中G4169合金是用量最大、应用范围最广的一个主要品种。近年来，随着航空发动机性能不断提高，对涡轮盘要求也越来越高，粉末涡轮盘组织均匀、晶粒细小、强度高、塑性好等优点使其成为航空发动机上理想的涡轮盘合金，但我国工艺生产的粉末涡轮盘夹杂物较多，正在进一步研制中。

（五）涡轮叶片

涡轮叶片是航空发动机上最关键的构件，涡轮叶片的工作环境最恶劣，涡轮叶片在承受高温同时要承受很大的离心应力、振动应力、热应力等。用于涡轮叶片制造的主材材料是铸造高温合金。近三十多年来铸造工艺的发展，普通精铸、定向和单晶铸造叶片合金得到了广泛应用。单晶合金在国际上得到了快速发展，已经发展了五代单晶合金，成为高性能现金航空发动机高温涡轮工作叶片的主要材料；我国在20世纪80年代开始单晶合金研制，根据专著《中国高温合金50年》（师昌绪），第二代单晶合金已经在先进发动机中进行使用。