航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。

高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。

自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個(gè)階段。

第一個(gè)階段：從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。

第二個(gè)階段：從20世紀(jì)70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。

第三階段：從20世紀(jì)90年代中至今，是我國高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新合金。

目前，我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、 北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬航模鍛廠(二重)等。在此基礎(chǔ)上，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

燃燒室

燃燒室是動(dòng)力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500℃~2000℃之間，因?yàn)槠溆嗟目臻g有壓縮空氣流動(dòng)，所以燃燒筒合金材料的承受溫度一般在800℃~900℃以上，局部達(dá)1100℃。因此，燃燒筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能，以及良好的冷熱疲勞性能。

燃燒室使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主。例如第三代戰(zhàn)斗機(jī)F100發(fā)動(dòng)機(jī)選用Haynes 188鈷基高溫合金，F(xiàn)110、F404和F414發(fā)動(dòng)機(jī)則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。但是隨著飛機(jī)推重比的提高，對(duì)燃燒筒材料也提出了新的要求。第四代戰(zhàn)機(jī)燃燒筒主要是鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱脹涂層，并且采用新的燃燒室結(jié)構(gòu)，如F119和F135采用了浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu)，而F136發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Lamilloy結(jié)構(gòu)。到了第五代戰(zhàn)機(jī)，多使用Lamilloy結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐高溫1482℃陶瓷復(fù)合材料和熱脹涂層。因此，為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)新的推重比的要求，研發(fā)全新材料基體和制備工藝的高溫合金是目前航空航天領(lǐng)域的迫切需求。

導(dǎo)向葉片

導(dǎo)向葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一，但由于它是靜止的，所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，會(huì)使導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件，要求材料要具有足夠的持久強(qiáng)度及良好的熱疲勞性能和較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。

因此，鑄造高溫合金即成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。美國Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作為導(dǎo)向葉片的材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中。此外，F(xiàn)WS10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)的制造也采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此，對(duì)渦輪盤材料的要求則需合金應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，以及良好的冷熱和抗機(jī)械疲勞性能，同時(shí)線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，具有較高的低周疲勞性能。

粉末高溫合金是現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的必選材料。1965年，高純預(yù)合金粉末技術(shù)被研發(fā)出來，此后，美國P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先開創(chuàng)了粉末高溫合金盤件用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先河；1972年，IN100粉末高溫合金渦輪盤被用于F100發(fā)動(dòng)機(jī)上，開啟了粉末高溫合金的實(shí)際應(yīng)用階段。

我國的粉末高溫合金的研究起步于20世紀(jì)70年代后期，在后續(xù)的發(fā)展過程中，根據(jù)國家型號(hào)需求，陸續(xù)開展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制，其中FGH95是目前強(qiáng)度最高的粉末高溫合金，最高使用溫度達(dá)650℃，主要用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤擋板以及直升機(jī)用渦輪盤。

目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國、俄羅斯、英國、法國、德國、加拿大、瑞典、中國、日本、意大利以及印度等國均開展了研究工作，美國、俄羅斯、英國、法國、德國和中國等國已掌握了工業(yè)生產(chǎn)工藝，其中僅有美國、俄羅斯、法國和英國能獨(dú)立研發(fā)粉末高溫合金，并建立了自己的合金牌號(hào)。

渦輪葉片

渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然它的工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些，但是受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對(duì)渦輪葉片材料具有很高的要求，要求材料具有高的抗氧化和抗腐蝕能力、高的抗蠕變和持久斷裂的能力、良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能及良好的高溫和中溫綜合性能。

渦輪葉片用材最初普遍采用變形高溫合金，但隨著材料研制技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。美國從20世紀(jì)50年代后期開始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯(lián)也在60年代中期開始應(yīng)用鑄造渦輪葉片，英國則在70年代初采用了鑄造渦輪葉片。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比的前提下，促使國內(nèi)外自上世紀(jì)70年代以來，一直在研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料，其中單晶高溫合金材料成為目前主流的渦輪盤材料。

單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料。20世紀(jì)80年代初期以來，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。80年代后期，以PWA1484、ReneN5為代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到大量使用，目前美國的第二代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應(yīng)用在軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。90年代后期，美國研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10，之后，GE、P&W以及NASA合作開發(fā)了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國和英國也分別研制單晶高溫合金，并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。近年來，日本又相繼成功地研制了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。

我國的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世紀(jì)80年代初率先開始研究的，并成功研制出我國第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6，并廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。此外，我國的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的DD9與DD10，中國科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33，中國科學(xué)院金屬研究所研制的DD90。第四代單晶高溫合金是由中國科學(xué)院金屬研究所研制的DD22。第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。這些材料目前僅限于實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)階段。

隨著以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝，對(duì)WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也日益增長；隨著國產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20的列裝，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)也將進(jìn)入量產(chǎn)，這將直接驅(qū)動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金的快速發(fā)展。為了提升高溫合金材料技術(shù)，工信部在發(fā)布的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》中明確要求,突破高溫合金等材料技術(shù)，為了滿足我國航空發(fā)展對(duì)高溫合金材料的要求。

因此，面對(duì)航空航天的迫切需求，進(jìn)行高水平、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展和研制工作，穩(wěn)定現(xiàn)有體系產(chǎn)品的性能和質(zhì)量是我國科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)部門今后將關(guān)注的重點(diǎn)，同時(shí)，研究和探索工作溫度超過1100℃以上的后繼新高溫材料，完善我國的高溫合金體系也將是后續(xù)研發(fā)的關(guān)鍵。此外，在完善高溫合金體系的同時(shí)，也需要建立和完善我國航空用高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)。通過開展標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)新材料研制中的標(biāo)準(zhǔn)化，提高標(biāo)準(zhǔn)制修訂的先進(jìn)性和適用性，完善通用材料標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)制定材料配套標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地滿足我國航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和發(fā)展的需要。也只有依據(jù)完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，大力發(fā)展新材料，改進(jìn)舊材料的性能，完善制備工藝，才能縮短與其他高溫合金領(lǐng)先國家如美國、日本、法國等的差距，提高我國在航空航天領(lǐng)域的競爭力，確保我國在國際事務(wù)中的話語權(quán)。