軍用渦軸發(fā)動機(jī)材料技術(shù)及發(fā)展趨勢

■何建 唐湘林 唐小天 吳學(xué)深 李俊霖 葉飛

渦軸發(fā)動機(jī)屬于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的主要種類之一，是直升機(jī)或旋翼無人機(jī)的動力裝置，為其旋翼提供扭矩，廣泛運(yùn)用于軍用領(lǐng)域。渦軸發(fā)動機(jī)的核心機(jī)與渦扇、渦噴、渦槳發(fā)動機(jī)一致，由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪構(gòu)成，不同之處在于渦軸發(fā)動機(jī)通過自由渦輪將高溫燃?xì)獾臒崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生扭矩，驅(qū)動旋翼轉(zhuǎn)動。

軍用渦軸發(fā)動機(jī)對高功重比、高可靠性、高耐久性和低油耗率有著極致的追求。各國工程師圍繞其結(jié)構(gòu)、材料和工藝進(jìn)行精益求精的探索，發(fā)現(xiàn)航空渦軸發(fā)動機(jī)的性能改進(jìn)一半依靠材料技術(shù)，從未來趨勢看，甚至?xí)_(dá)到三分之二。當(dāng)前，材料技術(shù)已經(jīng)成為了渦軸發(fā)動機(jī)性能提升的關(guān)鍵之一。

一、軍用渦軸發(fā)動機(jī)主要材料技術(shù)

隨著渦軸發(fā)動機(jī)對性能要求的不斷提升，功重比和渦輪前溫度持續(xù)升高，對發(fā)動機(jī)材料是一個極大的考驗(yàn)。

1.單晶空心葉片

單晶空心葉片具有優(yōu)良的抗高溫、抗蠕變、抗熱疲勞、抗氧化以及抗腐蝕性能，在渦軸發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用。與其他葉片顯著的不同之處在于單晶葉片只保留一顆晶粒，消除了多晶葉片存在的缺陷，提升了葉片基體性能，葉片孔洞結(jié)構(gòu)可以通過引低溫氣體對葉片表面進(jìn)行高效冷卻。

葉片材料經(jīng)歷了鍛造高溫合金、普通鑄造等軸晶高溫合金、定向凝固高溫合金和單晶高溫合金等四個階段，材料性能不斷提升，每個階段材料組織差異顯著，單晶合金組織結(jié)構(gòu)優(yōu)異。單晶合金首次應(yīng)用于20 世紀(jì)80 年代，普惠公司研制的PW1480 合金是第一代單晶合金的典型代表。各國工程師通過調(diào)整成分配比，添加錸、鈷、鉭、鎢、鉬、釕等多種難熔元素，使其合金性能不斷提升。當(dāng)前美國已研制出第四代單晶合金，新一代單晶合金工作溫度比上一代提升約30～40℃。

先進(jìn)單晶葉片的生產(chǎn)，工業(yè)上通常采用在定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，加上選晶技術(shù)或籽晶技術(shù)。通過定向凝固技術(shù)可控制晶體生長取向，選取平行于主應(yīng)力軸<001>取向的晶粒，可獲得具有更好綜合性能的定向單晶葉片。如圖1 所示，選晶技術(shù)即在定向凝固技術(shù)的裝置下加裝螺旋選晶器。

圖1 單晶葉片模組和毛坯

2.熱障涂層

熱障涂層技術(shù)是一種熱防護(hù)手段，在提高耐溫能力和延長熱端部件壽命方面效果顯著，已成為高性能發(fā)動機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

熱障涂層是將具有耐高溫、耐腐蝕、低導(dǎo)熱率的陶瓷材料覆蓋在熱端部件的基體表面，從而在一定程度上減少燃?xì)鉁囟认蚧w擴(kuò)散，降低基體的工作溫度，延長基體工作壽命。當(dāng)前熱障涂層主要有三種結(jié)構(gòu)類型，包括雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)。

工業(yè)制備陶瓷層的典型工藝有等離子噴涂和電子束物理氣相沉積，工業(yè)制備粘結(jié)層的主要制備工藝有真空電弧離子鍍、低壓等離子噴涂、化學(xué)氣相沉積。羅羅公司應(yīng)用等離子噴涂熱障涂層技術(shù)研發(fā)出第1 代熱障涂層，該涂層可使基體溫度下降50℃，零部件壽命增長近1倍。當(dāng)前，普惠公司已研發(fā)出第3 代技術(shù)PWA266 涂層，其陶瓷材料采用ZrO2-7Y2O3。

3.粉末高溫合金

渦軸發(fā)動機(jī)的渦輪盤等熱端部件屬于發(fā)動機(jī)工作環(huán)境最惡劣的部位。渦輪盤既承受著高溫高壓環(huán)境，也承受著徑向載荷和橫向載荷。

歐美制造商先后研制出4 代粉末高溫合金。前3 代分別是高強(qiáng)型、損傷容限型、高強(qiáng)度損傷容限型，第1 代耐溫可達(dá)650℃，第2 代和第3 代分別比上一代提高約100℃。第4 代是通過優(yōu)化工藝、精細(xì)調(diào)控成分，使其能獲得更好的高溫性能。

粉末高溫合金的工藝主要包括粉末制備、粉末熱固結(jié)成型、熱處理等流程。

（1）粉末制造主要有氬氣氣霧法制粉和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉等兩種方法，其中氬氣氣霧法的粉末顆粒度更細(xì)，制坯后組織更均勻，夾雜物更少。典型氣霧法制粉的設(shè)備根據(jù)功能可分為熔煉系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣源系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)和粉末收集系統(tǒng)。

母合金在真空熔煉爐中加熱至熔融狀態(tài)；在重力和霧化氣流的吸力作用下，通過導(dǎo)流管進(jìn)入霧化室，在導(dǎo)流管的末端，受到高速氣流的剪切力影響，克服表面張力形成毫米級或微米級的熔滴，熔滴在氣流、重力、慣性等影響下在霧化室內(nèi)分散飛行，與氣流發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換后，快速凝固為不同粒徑的粉末顆粒，再通過粉末收集系統(tǒng)，分級收集。

（2）粉末熱固結(jié)成型工藝主要采用熱等靜壓成型、真空熱壓成型和熱擠壓等工藝。熱等靜壓工藝應(yīng)用最廣泛，在高溫和高壓的條件，促使材料致密化和元素?cái)U(kuò)散，從而減少缺陷提高整體力學(xué)性能。

（3）熱處理工藝主要是固溶和時效兩種。固溶處理使合金中各種分布不均的析出相充分溶解至基體中。時效處理使高溫合金的強(qiáng)化相均勻地析出，實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化，提高合金的綜合性能。

4.增材制造技術(shù)

增材制造是一種變革性的材料制備技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一體化成型，顯著提高生產(chǎn)效率、降低制造成本。目前該技術(shù)在渦軸發(fā)動機(jī)的工藝上已有運(yùn)用，包括鑄造型芯和樹脂模的快速打印、直接成型部分零部件以及大型復(fù)雜構(gòu)建的修復(fù)。

當(dāng)前主要的工藝有光固化立體成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光直接沉積（LMD）、選區(qū)激光熔化（SLM）、電子束選區(qū)激光熔化（EBM）。通用公司利用選區(qū)激光熔化技術(shù)，對航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴開展試制，相比于通過傳統(tǒng)鍛造、機(jī)加工及焊接等工藝，增材制造技術(shù)可以減少大量的零件焊接組裝工序。

二、軍用渦軸發(fā)動機(jī)材料技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來軍用直升機(jī)需要具備更高的機(jī)動性、更高的可靠性、更高的安全性、更好的維修性以及更遠(yuǎn)的續(xù)航能力。軍用渦軸發(fā)動機(jī)必須將功重比增加、油耗率降低，可靠性、安全性、維修性同步增強(qiáng)。材料將朝著質(zhì)量更輕、性能更強(qiáng)、工藝性更好以及一體化成型等趨勢發(fā)展。

1.先進(jìn)復(fù)合材料

復(fù)合材料是未來渦軸發(fā)動機(jī)使用的趨勢。未來渦軸發(fā)動機(jī)上將有30%的材料使用復(fù)合材料，甚至高達(dá)50%。復(fù)合材料可以結(jié)合兩種或多種材料的優(yōu)勢，通過工藝優(yōu)化后，使其達(dá)到所需要的最佳性能。

先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料是高溫部件的優(yōu)良材料，其強(qiáng)度是傳統(tǒng)鎳基合金的兩倍，但密度只有鎳基合金的1/3，具有更好的耐高溫、耐腐蝕性能。如新型碳化硅陶瓷纖維，具有密度小、可以承受1315℃高溫的特點(diǎn)，是未來燃燒室、導(dǎo)向葉片、工作葉片的選材方向。

樹脂基復(fù)合材料是冷端部件的重要結(jié)構(gòu)材料，其相比于傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料，具有明顯的輕量化和可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢。如樹脂基復(fù)合材料葉片可比金屬基葉片減重10%～15%，通過設(shè)計(jì)可達(dá)到更高效的氣動外形，具備更好的進(jìn)氣效率。通過調(diào)整材料成分和工藝，可使樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐溫能力進(jìn)一步優(yōu)化。

碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料是碳基復(fù)合材料的代表，也是現(xiàn)階段研究最多的一種耐高溫材料，其具有熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性好的優(yōu)點(diǎn)。在歐美先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)上已有試驗(yàn)，未來一定有更廣泛的應(yīng)用。

2.先進(jìn)增材制造技術(shù)

先進(jìn)增材制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)一體化高效成型的顛覆性技術(shù)。目前增材制造技術(shù)在很多方面還存在局限性，一些指標(biāo)不能完全滿足渦軸發(fā)動機(jī)的需求。

增材制造技術(shù)將朝著以下方向發(fā)展。第一，提升工藝技術(shù)，突破技術(shù)瓶頸。工藝優(yōu)化后，增材制造逐步應(yīng)用到關(guān)重件、復(fù)雜件的一體成型工藝。其二，加強(qiáng)對新材料的研發(fā)和現(xiàn)有原材料的改進(jìn)，包括高分子材料、金屬粉末材料和陶瓷材料，如金屬粉末的顆粒度、均勻性和純度等都是關(guān)鍵要素。其三，建立材料特性及成型工藝標(biāo)準(zhǔn)體系。其四，與傳統(tǒng)制造技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)混合加工，將雙方的優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)。第五，與拓?fù)鋬?yōu)化等創(chuàng)新技術(shù)融合，形成設(shè)計(jì)到制造的閉環(huán)，可以在成型前通過拓?fù)鋬?yōu)化使產(chǎn)品進(jìn)一步輕量化以及提高性能。

三、結(jié)語

材料技術(shù)是航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵要素。當(dāng)前，單晶空心葉片、熱障涂層、粉末高溫合金和增材制造技術(shù)為渦軸發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供了關(guān)鍵動力。未來，先進(jìn)復(fù)合材料和先進(jìn)增材制造技術(shù)將為下一代渦軸發(fā)動機(jī)提供有力支撐。