歷來談到航空發(fā)動機，都會談到材料，材料技術(shù)是航空發(fā)動機的最重要基石，那么，現(xiàn)在最新的航空發(fā)動機的各個部分都應(yīng)用了哪些高新材料？而中國目前在航空發(fā)動機材料領(lǐng)域，又處于怎樣的技術(shù)水平和位置？

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冷端、熱端材料大不同

航空發(fā)動機是一個非常復(fù)雜的設(shè)備，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(huán)境和要求，因此采用的材料也是不同的。總的來說，航空發(fā)動機按照工作的環(huán)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(fēng)扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等，它們要么是接近發(fā)動機進氣一方的，要么是在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)外圍，承擔(dān)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速也很高，承受的壓力也很高，經(jīng)常稱之為“三高”，在這三高環(huán)境下，需要采用一系列非常特殊的耐熱耐壓高性能材料。

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冷端外機匣：鎂合金

航空發(fā)動機的冷端外機匣，要求又輕又足夠結(jié)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，但物理性能卻相當(dāng)，承受沖擊載荷能力也比鋁合金強。此外，在發(fā)動機齒輪機匣、油泵和油管等地方，它也很常用。

風(fēng)扇葉片、機匣：樹脂基復(fù)合材料

樹脂基復(fù)合材料是以樹脂材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強材料研制而成的一類新材料。比起金屬材料而言，其最大優(yōu)勢就是質(zhì)量輕，據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)扇段質(zhì)量約占發(fā)動機總質(zhì)量的30%~35%，降低風(fēng)扇段質(zhì)量是降低發(fā)動機質(zhì)量和提高發(fā)動機效率的關(guān)鍵手段。風(fēng)扇葉片每減重1千克，風(fēng)扇機匣和傳動系統(tǒng)也相應(yīng)減少1千克，同時發(fā)動機結(jié)構(gòu)和飛機的機翼/機身結(jié)構(gòu)也分別減重0.5千克。因此用樹脂基復(fù)合材料制造風(fēng)扇葉片、機匣可以大幅減重。此外，樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片受撞擊后對風(fēng)扇機匣的沖擊較小，有利于提升風(fēng)扇機匣包容性，也有利于提高發(fā)動機的防鳥撞性能。目前世界上最先進的大飛機發(fā)動機的風(fēng)扇葉片，很多都采用了樹脂基復(fù)合材料，這些風(fēng)扇直徑有的超過3米，制造難度也相當(dāng)大。

熱端部件：高溫合金、碳化硅基材料、陶瓷基材料和熱障涂層

發(fā)動機熱端部件，比如渦輪、燃燒室、尾噴管等，工作環(huán)境更為惡劣，世界主流發(fā)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(yán)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(shù)來保證性能。目前得到應(yīng)用的新材料，主要有渦輪表面的熱障涂層材料和用于熱端先進渦輪盤部件的粉末冶金合金（高溫合金）材料；而碳化硅基和陶瓷基復(fù)合材料等新材料，技術(shù)難度更大，目前正在研究之中，將來可能會大展身手。

熱障涂層，是指為了讓發(fā)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涂覆的一層起保護作用的涂層。高性能的熱障涂層，是英美發(fā)動機使用壽命遠(yuǎn)超其他國家同類發(fā)動機的“不傳之秘”。有了高性能熱障涂層，以往壽命200到600小時的發(fā)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于1650℃并有一定儲量的金屬，包括鎢、鉬、鈮、鉻、鋯、鈦等。難熔金屬廣泛用于發(fā)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(fā)動機動輒要制造成千上萬臺，對難熔金屬需求量很大，這就使得其應(yīng)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(jì)70年代開始，經(jīng)過三代發(fā)展，目前的世界主流先進第三代、第四代軍用渦扇發(fā)動機，都普遍使用了以上三種合金材料。

碳化硅基材料、陶瓷基材料則是目前正在研發(fā)的下一代高性能熱端材料中最熱門的兩種，他們兩種都屬于高分子復(fù)合纖維材料，這兩種材料并非完全獨立發(fā)展，也可以同時使用，經(jīng)過不同的配方和組成結(jié)構(gòu)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(fā)動機上率先使用了陶瓷基材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片。
中國所處位置：第二梯隊中后部

在鎂合金、鋁合金等常用發(fā)動機冷端和外機匣部件上，中國已經(jīng)完全能實現(xiàn)自主生產(chǎn)。在高溫合金研究領(lǐng)域，我國也實現(xiàn)鎳基合金和鈦基合金的自主研發(fā)和應(yīng)用，其中第三代鎳基合金已經(jīng)成功應(yīng)用在國產(chǎn)大推力渦扇發(fā)動機上。熱障涂層曾是中國航發(fā)的攔路虎，現(xiàn)在也已被攻克，“太行”發(fā)動機上就應(yīng)用了我們自己開發(fā)的熱障涂層，工作性能和壽命因此大幅提升。而在樹脂基材料領(lǐng)域，我國目前也已成功通過實驗室研發(fā)階段，研制出復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，目前正在向工程應(yīng)用階段發(fā)展。而在陶瓷基和碳化硅基新熱端材料研發(fā)上，目前我國還主要處于早期預(yù)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(yīng)用階段過渡，還存在15~20年的技術(shù)差距。總體來看，中國航空發(fā)動機通過前些年的努力投入，已經(jīng)進入了第二梯隊，稍稍落后于俄羅斯、日本，處于第二梯隊中后部位置，與第一梯隊的美國和歐洲還存在很大差距，需要奮起直追，通過跨越式發(fā)展實現(xiàn)趕超。