高温合金：现代航空发动机的基石

图1 高温合金在现代民用航空发动机的应用部位

航空发动机在高温、高压、高转速下长期工作，高温合金是热部件的首选材料，主要用于燃烧室、涡轮、喷管等热部件和压气机后段零件，见图1。

1 在压气机部件的应用及需求

压气机的功能是进一步压缩空气，为燃油的燃烧提供气源，也为热部件冷却、冷部件加温及封严提供高速气流。压气机进出口气流的平均温度300~600摄氏度，峰值温度超过700摄氏度，总压比超过20。

压气机部件用材料较多，高温合金是关键材料之一。压气机后段温度较高，采用GH4169等变形合金制造转子件（叶片、轮盘等）和静子件(叶片、机匣等）。性能更优的粉末盘、GH4169G、718Puls已在先进发动机中应用。为满足先进高性能发动机需求，国内外正在研究TiAl系金属间合金、Ti基复合材料（MMC）等轻质材料。

2 在燃烧室部件的应用及需求

燃烧室的功能是将燃油的化学能释放为热能，是发动机热能发源地。燃烧室进出口气流平均温度600~2000摄氏度，芯部燃气平均温度1500~2100摄氏度。有两股气流冷却燃烧室降低壁温。燃烧室是温度最高、温度变化最大的热部件。

燃烧室部件用的高温合金种类较多，以变形合金为主，主要用于内外机匣、火焰筒等零件。传统的高温合金板材受合金熔点限制，已基本达到许用极限温度，难以进一步发展，须研究新材料和制备技术，以满足使用需求。目前国际上研究比较热门的新材料有陶瓷基复合材料（CMC）、MMC、机械合金化合金（ODS）、TiAl金属间化合物和多孔层板等，用于火焰筒的CMC已可耐1670摄氏度高温。

3 在涡轮部件的应用及需求

涡轮的功能是将燃气的热能转化为机械能，驱动压缩系统转子，为发动机和飞机提供机械能。涡轮是热负荷和机械负荷最大的热部件。涡轮盘和叶片是发动机技术难度的典型代表，最能体现“一代发动机、一代材料、一代工艺”的变化和高温合金的发展。

导向叶片调整燃烧室出口燃气流动方向，是涡轮部件受热冲击最大、温度最高的零件。一般来说，同一状态下导向叶片的平均温度比工作叶片高100摄氏度左右，但应力较低。

工作叶片是离心负荷最大、工况最恶劣的零件。叶片在高温下高速旋转作功，承受的离心力相当于自重的20000倍，犹如“冰质糕匙搅热汤”，对材料、工艺和设计都是严峻考验。

熔模精铸技术突破后，采用定向凝固制备的定向、单晶合金的许用温度接近其初熔点的90%，各国先进航空发动机都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片提高工作温度。F119发动机用二代单晶PWA1484制成的超级冷却铸冷涡轮叶片，工作温度达到1621~1677摄氏度（比F100高200摄氏度）。

国际上单晶合金发展很快，现已发展到第五代。单晶合金熔点有限制，提高叶片工作温度主要靠冷却技术。冷却效果越高，叶片内腔结构越复杂，制造难度越大，需要发展制造工艺和新材料。目前国际上已在研究对开单晶叶片、多孔层板叶片和耐温更高的Nb-Mo合金、CMC叶片、碳/碳复材整体涡轮等。

涡轮盘是四大热部件质量和负荷最大的零件。盘轮缘温度550〜750摄氏度，轮毂约300摄氏度，温差应力和离心应力很大，还需承受启动、停车的大应力交变疲劳。GH4169涡轮盘用量最大，性能更优的粉末盘成为涡轮盘的首选，第二代粉末盘、双性能粉末盘已在先进发动机应用。第三代粉末盘、纤维增强金属基涡轮盘、单晶叶片+粉末盘整体涡轮等是当前热门研究课题。

4 在加力燃烧室和喷管部件的应用及需求

加力燃烧室组织第二次燃烧，使燃气进一步加温加速，通过喷管按设定方式急速排出而产生推力。加力燃烧室和喷管工况恶劣，尾喷口燃气的温度727~1877摄氏度，燃气的速度在亚声速和超声速之间，内壁主要承受燃气冲刷、热应力和振动应力等。

加力燃烧室和喷管部件用变形高温合金较多，K24等铸造合金主要制造喷管调节片等薄壁件。调节片长、宽、厚悬殊精铸工艺难度不亚于涡轮叶片。更耐温的CMC调节片已在先进发动机应用，减重效果显著。