材料应用：航空发动机上的金属材料

　　高温合金

　　高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

　　高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。

　　在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

　　我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。

　　70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。

　　超高强度钢

　　超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

　　第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。

　　应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。

　　飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低30.3%。俄罗斯米格－1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。

　　国外还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。

　　金属间化合物

　　高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

　　目前在航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。例如和TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究，一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。