劉大響

(1北京航空航天大學，北京 100191；2 中國航空發(fā)動機集團有限公司，北京100097)

一代新材料，一代新型發(fā)動機：航空發(fā)動機的發(fā)展趨勢及其對材料的需求

劉大響1，2

(1北京航空航天大學，北京 100191；2 中國航空發(fā)動機集團有限公司，北京100097)

在對世界航空動力技術加速發(fā)展態(tài)勢進行簡要綜述的基礎上，對航空發(fā)動機關鍵材料技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行分析研究，并按照一代新材料、一代新型發(fā)動機的思路，提出先進航空發(fā)動機主要部件和系統(tǒng)對材料技術的發(fā)展需求，并從質量穩(wěn)定性和工藝成熟度、工程化研究和驗證、材料體系和數(shù)據(jù)、復合材料、適航取證等方面，對提高我國材料技術的發(fā)展和應用水平提出了建議。

航空發(fā)動機；新材料；需求分析；研究和驗證；建議

Abstract： Based on the brief review of accelerated developing status of aircraft power technology in the world, the present status and developing trend of key materials technology for aero-engine were analyzed. In accordance with the idea of “one generation of new material, one generation of new type engine”, development requirements for the materials technology of the system and main parts of aero-engine were proposed. Suggestions for improving development and application level of the materials technology in China were presented from aspects of quality stability and technical maturity, investigation and verification for engineering, materials system and data, composite materials, airworthiness certificate，etc.

Keywords：aero-engine; new materials; analysis for requirements; investigation and verification; suggestions

1 世界航空發(fā)動機技術呈加速發(fā)展態(tài)勢

從二戰(zhàn)結束到21世紀初，軍用噴氣戰(zhàn)斗機及其動力的發(fā)展大致經(jīng)歷四次更新?lián)Q代。推重比8一級渦扇發(fā)動機是目前世界主要大國現(xiàn)役第三代主力戰(zhàn)斗機的動力。第四代推重比10發(fā)動機從20世紀80年代中期開始發(fā)展，其典型機種有美國的F119、西歐四國的EJ200、法國的M88-Ⅲ、俄羅斯的AЛ-41Ф。2005～2007年開始，配裝推重比10一級先進渦扇發(fā)動機的第四代戰(zhàn)斗機(如美國的F/A-22和F-35)，已經(jīng)陸續(xù)取代現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機，成為美國和部分西方國家，甚至我國部分周邊國家和地區(qū)21世紀上半葉的主戰(zhàn)機種。

民用運輸機和旅客機的動力也大致經(jīng)歷了四個階段。早期為活塞式發(fā)動機，1949年出現(xiàn)了第一種用渦輪噴氣發(fā)動機“埃汶”為動力的民航客機——“彗星號”，標志著民用飛機噴氣發(fā)動機時代的到來。第三階段為20世紀60年代初的低涵道比(1.5～2.5)渦輪風扇發(fā)動機，耗油率為0.07～0.08kg/(N·h)，廣泛用于波音-727、-737，DC-9，“三叉戟”等飛機，逐步代替了耗油率高、經(jīng)濟性差的渦噴發(fā)動機。1970年1月22日，裝有4臺涵道比為5.2、推力為193.1kN (19700kgf)的JT9D-3型大涵道比渦輪風扇發(fā)動機的大型遠程旅客機波音747-100投入航線使用，標志著民用航空動力進入了全新的大涵道比渦扇發(fā)動機時代。自20世紀70年代初第一代大涵道比渦扇發(fā)動機JT9D、CF6和RB211投入使用以來，目前已經(jīng)發(fā)展了五代，其耗油率比第一代民用渦扇發(fā)動機降低約20%。2001年美國GE公司為波音-777研制成功GE90-115B高涵道比渦扇發(fā)動機，推力達到547kN(55826kgf)，耗油率下降到0.05 kg/(N·h)左右，是當今世界上推力最大的發(fā)動機，被收入吉尼斯世界紀錄中。目前，世界上窄體干線客機的動力100%選擇了渦扇發(fā)動機；用渦扇發(fā)動機為動力的支線客機訂貨量已超過70%；大涵道比渦扇發(fā)動機使雙發(fā)大型遠程寬體客機實現(xiàn)了不著陸的越洋飛行。航空使世界變成了“地球村”，現(xiàn)在人們可以在24h內到達世界上的任何地方。

工業(yè)水平的提高、科學技術的進步和經(jīng)濟實力的增強，是航空動力快速發(fā)展的源動力。世界航空強國在重視教育、科技和工業(yè)技術發(fā)展的同時，對航空動力技術的預先研究和試驗驗證給予極大的重視，開展了一系列大型研究計劃，為各種先進軍、民用發(fā)動機提供了堅實的技術基礎。特別值得指出的是，美國于20世紀60年代初至80年代中在連續(xù)實施十多項發(fā)動機研究計劃的基礎上，在研制第四代發(fā)動機(F119)的同時，從1988年起至2003年又投入50億美元巨資，由軍方、政府及工業(yè)界聯(lián)合實施不針對特定發(fā)動機型號的“綜合高性能發(fā)動機技術計劃”(即IHPTET計劃)；其目標是利用最新的科技成果，使推進系統(tǒng)的技術能力在1988年的基礎上翻一番，到2005年左右突破推重比12～15一級發(fā)動機的關鍵技術，并通過大量試驗驗證，不斷將新的成果用于型號，為其研制提供強有力的技術支持。這意味著他們用15年左右的時間，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術進步，相當于過去30～40年所取得的成就。

在IHPTET計劃取得巨大成功的基礎上，美國政府和軍方又制定了其后繼計劃——多用途、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機(VAATE)計劃，準備再用12年時間(2006～2017)、大約再投入37億美元，通過多用途核心機、耐久性和智能發(fā)動機三個重點領域的研究，在2017年左右使發(fā)動機經(jīng)濟可承受性(定義為能力與壽命期成本之比，其中能力為推重比與中間狀態(tài)耗油率的函數(shù))提高10倍。

為了同美國競爭，以英國為主，意大利和德國參與共同實施了與IHPTET類似的先進核心軍用發(fā)動機計劃的第二階段(ACME-Ⅱ)，英國和法國又聯(lián)合實施了先進軍用發(fā)動機技術(AMET)計劃，德國宇航研究院聯(lián)合企業(yè)界獨立實施了針對民機的3E(環(huán)境、效率和經(jīng)濟性)發(fā)動機研究計劃。日本早已通過專利生產(chǎn)第三代發(fā)動機，并參與世界一流水平的大型民用渦扇發(fā)動機的國際合作研制，目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍于聲速的HYPR-90組合循環(huán)發(fā)動機，力圖在高超聲速推進技術領域搶占領先地位。印度的軍用發(fā)動機在部分依靠與國外合作的條件下采取自主研制的途徑，自行研制的推重比8一級GTX-35VS雙轉子渦扇發(fā)動機已經(jīng)首飛，在推重比10以上渦扇發(fā)動機和高超聲速組合動力關鍵技術研究方面也取得了不少進展。

上述情況充分表明，世界航空推進技術正呈現(xiàn)出一種加速發(fā)展的態(tài)勢。

2 航空發(fā)動機關鍵材料技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，在各類武器裝備中，航空發(fā)動機對材料和制造技術的依存度最為突出，航空發(fā)動機高轉速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對材料和制造技術的要求逼到了極限。材料和工藝技術的發(fā)展促進了發(fā)動機更新?lián)Q代，如：第一、二代發(fā)動機的主要結構件均為金屬材料，第三代發(fā)動機開始應用復合材料及先進的工藝技術，第四代發(fā)動機廣泛應用復合材料及先進的工藝技術，充分體現(xiàn)了一代新材料、一代新型發(fā)動機的特點。

在航空發(fā)動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關鍵。從總體上看，航空發(fā)動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發(fā)展，航空發(fā)動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發(fā)展，發(fā)動機性能的改進一半靠材料。據(jù)預測，新材料、新工藝和新結構對推重比12～15一級發(fā)動機的貢獻率將達到50% 以上，從未來發(fā)展來看，甚至可占約2/3。因此，先進的材料和制造技術保證了新材料構件及新型結構的實現(xiàn)，使發(fā)動機質量不斷減輕，發(fā)動機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性不斷提高，可以說沒有先進的材料和制造技術就沒有更先進的航空發(fā)動機。

正是由于不斷提高的航空發(fā)動機性能對發(fā)動機材料與制造技術提出了更高的要求，各航空發(fā)達國家都投入了大量人力、物力和財力，對航空發(fā)動機用的材料與制造技術進行全面、深入的研究，取得了豐碩的成果，滿足了先進發(fā)動機的技術要求。從國外航空發(fā)動機材料與制造技術的發(fā)展情況來看，加強材料與制造技術工程化研究是縮短發(fā)動機研制周期、減少應用風險、增加研制投入產(chǎn)出比最有效的途徑之一。因此從20世紀70年代至今，航空發(fā)達國家安排了一系列的發(fā)動機材料和制造技術工程化研究計劃，規(guī)劃了整個材料和制造技術領域的發(fā)展方向，為各種先進軍、民用發(fā)動機提供了堅實的技術基礎。如美國綜合高性能發(fā)動機技術(IHPTET)計劃、下一代制造技術計劃(NGMTI)，美國空軍復合材料經(jīng)濟可承受性計劃(CAI)等(見表1)。

通過這些國家層面的大型研究計劃，大大推動了一批新材料和新工藝在發(fā)動機上的應用，使得材料耐溫、強度水平不斷提高，滿足了部件的承溫承載要求；高可靠性輕量化結構和精密、高效、低成本制造技術迅速發(fā)展和應用，滿足了發(fā)動機新型整體結構的設計要求，使得發(fā)動機部件重量越來越輕；先進涂層技術和特種制造技術得到了廣泛應用，大大縮短了發(fā)動機研制周期、使得新型航空發(fā)動機的性能不斷提升。

表1 美國部分航空發(fā)動機材料和制造技術發(fā)展計劃Table 1 Some plans of aeroengine materials and manufacturing technology in US

3 先進航空發(fā)動機對材料技術的需求

先進航空發(fā)動機主要指第四代和新一代更高推重比/功重比的軍用渦扇/渦軸發(fā)動機，以及新一代干線客機用大涵道比渦扇發(fā)動機，這類先進發(fā)動機除具有更高的性能指標外，還要全面滿足可靠性、安全性、經(jīng)濟性、適航性、環(huán)保性等要求，對材料和工藝提出了新的發(fā)展需求，主要包括：

(1)風扇和壓氣機

鈦合金/高溫合金雙性能(精鍛+高速銑+線性摩擦焊)整體葉盤，整體葉環(huán)(碳纖維樹脂固化環(huán)冠箍或SiC纖維增強鈦基復合材料)，寬弦或小展弦空心掠形葉片(鈦合金超塑成形/擴散連接(SPF/DB)+線性摩擦焊)，風扇/壓氣機軸和軸頸采用SiC纖維鈦基復合材料， 整流葉片及機匣采用阻燃鈦或Ti2AlNb合金，風扇和壓氣機機匣采用增強纖維三維編織(OPC)技術，Alloy C阻燃鈦合金壓氣機機匣，有機復合材料機匣等。

(2)燃燒室

耐溫1450～1650℃的陶瓷基復合材料(CMCs)或MA956合金瓦片浮壁燃燒室，Lamilloy多孔層板火焰筒，抗氧化C/C復合材料或MA956合金Lamilloy多孔層板加力襯筒，精鑄γ-TiAl +HIP多通道擴壓器，Ti2AlNb合金或其復合材料燃燒室機匣等。

(3)渦輪

Rene88DT/N18渦輪盤，CMSX-4G/PWA1484+熱障涂層(TBCs)渦輪葉片，渦輪動葉和導葉采用熱障涂層，渦輪動葉采用單晶對開葉片或雙層壁發(fā)汗冷卻鑄冷葉片，導葉采用陶瓷基復合材料(CMCs)或NiAl，MA956多孔層板高效冷卻雙葉片，雙腹板盤、雙結構盤或輻條式盤雙性能粉末渦輪盤或含Nb的TiAl合金或SiC纖維增強金屬基復合材料(MMC)，渦輪機匣采用超純高溫合金或Ti2AlNb合金或其復合材料，低壓渦輪軸采用SiC長纖維鈦基復合材料(比IN718軸減重30%、比鈦軸剛性增加40%)等。

(4)加力/噴管/機械系統(tǒng)

蜂窩或多孔層板結構鈦合金加力筒體，MA956合金多孔層板隔熱屏，陶瓷基復合材料或C/C復合材料噴管調節(jié)片/密封片，Ti2AlNb合金(SPF/DB)調節(jié)片支撐結構，高強高韌不銹鋼+表面強化齒輪和軸承，潤滑系統(tǒng)為-50～220/250℃低揮發(fā)、高潤滑油(氟硅油)，指尖+刷封+蜂窩低、中、高溫封嚴裝置，密封件為-50～350℃氟醚橡膠或金屬橡膠等。

(5)其他

特種涂層技術：熱障涂層(TBCs)，抗氧化高溫涂層，低、中、高溫硬質、輕質封嚴涂層，低、中、高溫硬質、輕質耐磨涂層，鈦合金防應力腐蝕、抗沖刷涂層和隱身涂層等。

各類表面強化和光飾技術：激光沖擊強化，全方位離子注入，雙輝表面改性， 磨粒流和超聲或振動光飾技術等。

高能焊接技術：電子束、離子束、激光、輝光和摩擦焊等。

4 幾點思考和建議

新中國建立以來，隨著我國航空發(fā)動機研制過程的開展，對于配套的材料研制和制造技術也進行了大量的型號攻關工作，先后完成了鋁合金、鈦合金、高強度鋼、鎳基高溫合金、樹脂基復合材料、各種涂層材料、非金屬材料等數(shù)百種材料仿制、研制，制定了一千余份材料和工藝標準，形成了航空發(fā)動機材料和制造技術生產(chǎn)能力。但由于種種原因，材料和制造技術仍是制約我國航空發(fā)動機發(fā)展的重要因素之一，應找準問題、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調發(fā)展、重點突破。

對此，我有以下幾點看法和建議：

(1)進一步提高現(xiàn)役發(fā)動機關鍵材料的質量穩(wěn)定性和工藝成熟度

國產(chǎn)現(xiàn)役航空發(fā)動機都是多年前仿制國外或自行研制和改進改型的發(fā)動機，經(jīng)過較長時間的使用，迫切需要進一步延長使用壽命，保證我國空軍的戰(zhàn)斗力。這些發(fā)動機采用的主要材料和制造技術，由于其研制時的認識和經(jīng)費的限制，對材料和制造技術工程化的深入研究不夠，在發(fā)動機服役過程中，材料和制造技術的技術質量問題時有發(fā)生，如材料質量不穩(wěn)定引起性能波動、工藝成熟度不高造成零件合格率較低、設計用材料性能數(shù)據(jù)缺失等，給定壽、延壽及排故工作帶來一些障礙，甚至嚴重影響了部隊的作戰(zhàn)訓練。

(2)進一步加強新研和在研材料的工程化應用研究和驗證

國外研究的經(jīng)驗和國內研制的實踐表明：工程化應用研究是新材料與制造技術提高其成熟度的必由之路，不可缺少；不經(jīng)過工程化應用研究，材料與制造技術存在的各種問題就難以得到充分暴露，從而為后面的型號研制帶來很大的風險，甚至嚴重拖延型號的研制進度，大幅增加研制成本。特別是部分已有預研成果的項目，由于缺乏工程化應用研究驗證，難以被發(fā)動機設計所選用，導致部分成熟發(fā)動機發(fā)展后勁不足、在研發(fā)動機研制缺乏有力的技術支持、新研發(fā)動機技術儲備不夠，部分型號無法按照節(jié)點完成研制任務。這些都需要通過新材料的工程化應用研究，盡快突破新材料、新結構的制造技術，穩(wěn)定制造工藝流程和質量，提高技術成熟度。

(3)梳理材料體系，優(yōu)選品種，完善數(shù)據(jù)，建立完善我國自主研制的發(fā)動機材料譜系和試驗數(shù)據(jù)庫

由于歷史原因，我國航空發(fā)動機材料重復仿制現(xiàn)象較嚴重，造成材料牌號多、生產(chǎn)批量少、材料標準兼容性差、材料性能數(shù)據(jù)不全且分散度較大等問題，如：提供給設計使用的數(shù)據(jù)有缺項；工業(yè)生產(chǎn)條件下毛坯的性能數(shù)據(jù)不足，數(shù)據(jù)的可信度不高；與制造技術相關聯(lián)的材料性能數(shù)據(jù)更顯不足等。有必要下大決心，進一步梳理材料體系，優(yōu)選品種，完善數(shù)據(jù)，建立完善我國自主研制發(fā)動機必不可少的材料譜系和試驗數(shù)據(jù)庫。

(4)大力加強發(fā)動機用高性能復合材料的研究和驗證

復合材料構件具有材料/結構/制造一體化特征，是先進發(fā)動機突破輕量化和整體化的關鍵途徑之一。其中纖維增強樹脂基復合材料、纖維增強鈦基復合材料、纖維增強陶瓷基復合材料分別是支撐未來先進發(fā)動機低溫部件、中溫部件和高溫部件的三大關鍵新型材料。我國復合材料研究起步較晚，目前存在的主要問題有：缺乏復合材料構件一體化設計方法；對復合材料的損傷失效模式認識不清，尚未完全建立復合材料構件的設計準則；缺乏復合材料構件的驗證考核方法等。

(5)重視民用航空發(fā)動機材料的適航取證研究工作

在民用航空發(fā)動機用材料方面，我國現(xiàn)有發(fā)動機產(chǎn)品系列不全，適航取證經(jīng)驗缺乏，大涵道比渦扇發(fā)動機和長壽命航改燃機剛剛起步，長壽命、高可靠性發(fā)動機材料和制造技術工程化應用研究還是空白，與型號的迫切需求還存在明顯的差距。需要在民用航空發(fā)動機材料的適航取證方面進行補課，盡快開展相關研究工作。

(本文責編：楊 雪)

One Generation of New Material, One Generation of New Type Engine：Development Trend of Aero-engine and Its Requirements for Materials

LIU Da-xiang1,2

(1 Beihang University,Beijing 100191,China;2 Aero Engine Corporation of China,Beijing 100097,China)

10.11868/j.issn.1001-4381.2017.100001

V25

A

1001-4381(2017)10-0001-05

2017-07-26;

2017-08-20

劉大響(1937-)，中國工程院院士。曾任中國燃氣渦輪研究院(原624研究所)總工程師和第一總設計師，中國航空工業(yè)集團公司科技委副主任?，F(xiàn)任北京航空航天大學教授、博士生導師，中國航空發(fā)動機集團有限公司高級顧問。兼任總裝備部科技委委員，航空動力專業(yè)組長；中國空軍科技顧問；國防科工局科技委委員；國家863計劃航空航天領域專家委員會顧問；國家大型飛機重大科技專項專家委委員；中國科學院、中國工程院“航空發(fā)動機及燃氣輪機”重大專項論證委員會副主任。是《材料工程》編委會顧問委員，《航空動力學報》編委會顧問。50多年來，一直從事航空發(fā)動機設計和研究工作。曾任一項國家重點工程(高空臺)和三項重大發(fā)動機預研工程項目的總工程師、第一總設計師或技術負責人?？缛?1世紀后，擔任原國防科工委(現(xiàn)國防科工局)某技術驗證計劃專家委員會主任、總師組組長和總裝備部某大型研究計劃專家委副主任。獲俄羅斯科學院榮譽博士學位。榮獲國家科技進步特等獎1項、二等獎2項，部級科技進步獎10余項，中國航空工業(yè)第一集團公司“航空報國”金獎， “何梁何利”科技進步獎，“光華科技”一等獎。1997年當選中國共產(chǎn)黨“十五大”代表。2003年當選第十屆全國人大代表、人大常務委員會委員、外事委員會委員。主編出版《航空發(fā)動機設計手冊》(第七分冊：進、排氣裝置)、《航空發(fā)動機——飛機的心臟》等專著，撰寫科研報告和論文100余篇。