高温合金在航空发动机应用一览

      经过新中国航空工业70年的发展，我国已经从最初仿制苏联战机，发展到具备完全独立自主的设计、制造能力。从仿制米格的歼-5、歼-6、歼-7等起步，到歼-8开始自主创新，到歼-10作为“争气机”的一飞冲天，再到歼-20的横空出世，中国的战机一举赶上了国外军机水平。70年来，我国冶金工业为战机的发展和人民空军的壮大做出了不可磨灭的贡献，为我国历代战机打造强大的“心脏”——航空发动机提供了关键材料支撑。

我国航空用高温合金的研发和生产概况

      高温合金作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金属材料，在先进的航空发动机中，目前其用量占比已高达50%以上。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平，因此高温材料有“先进发动机基石”的美誉。如果没有冶金工业研制的高温合金，就不可能有高速发展、高效率、安全可靠的航空工业，也就不能实现我国航空发动机从中等推力到大推力的跨越、从涡喷发动机到涡扇发动机的跨越、从第二代发动机到第四代发动机的跨越。

      高温合金是在镍基耐蚀合金基础上发展起来的，但其发展的原动力是航空用喷气发动机发展需求的牵引。我国航空发动机于1955年问世，于1956年试制出了最简单的镍基高温合金GH3030。1958年前后，为适应航空工业发展的需要，我国开始研制自己的高温合金，如GH4033、GH4037、GH4049和K417等合金。从20世纪60年代以来，我国研制的高温合金牌号超过百余个，其中有些已经达到国外同类合金水平，例如叶片用合金K417、K417G、K403、DZ404、DZ422、DZ417G、DZ4125、DZ4125L、IC6（JG4006）、DD403、DD402、DD407、DD406等，涡轮盘用合金GH2901、GH4133B、GH4169、GH4720、GH4065、FGH4097等，燃烧室用合金GH1140、GH4099、GH1015、GH3230等和环形件用合金GH2903、GH2907、GH2909。总之，我国的高温合金已基本形成了具有中国特色的体系和研究生产基地，航空和其他工业部门使用的各种高温合金均可在国内生产供应。

       由于高温合金是航空发动机的关键材料，国际上高温合金化学成分，力学性能公开，生产工艺是严格保密和封锁的。几十年来，我国依靠自力更生、自主创新，克服了各种难关，结合国情走自己特色的道路，形成了产学研结合、有中国特色、具有自主创新能力的高温合金研发体系，满足了先进航空发动机热端关键部件的需求，为我国航空工业发展做出了巨大的贡献。

       原创和跟踪相结合，在跟踪中创新，结合国情走自己特色的研究道路是我们的一贯方针。通过几十年的发展，我国取得了一批达到国际水平的科研成果，原始创新了一批合金，典型高温合金有GH4133B、 GH3128、GH4586、K13、GH4761等；生产工艺技术创新有微量元素改性及微合金化技术、高合金化高温合金热加工技术、包套锻造技术、纯净化和低偏析特种熔炼技术、特大型涡轮盘生产技术等。

高温合金在我国航空发动机上的应用

      目前，高温合金主要应用于航空发动机的四大热端部件：燃料室，涡轮导向叶片、涡轮工作叶片和涡轮盘，此外还用于机匣、环件和尾喷口调节片、涡轮轴、支撑环、壳体、各种螺栓等部件。在高性能的航空发动机中，高温合金也用于压气机后端的盘和转子叶片等。由于航空发动机结构较为复杂，各部位温度和受力情况等差别较大，对材料的要求和选用也就各不相同。

      涡轮盘用高温合金。我国在产和在研的发动机涡轮盘用变形高温合金有10多种。涡轮盘用变形高温合金可分为两类：第一类为铁基高温合金，典型的有GH2036、GH2132、GH2901等，工作温度在650℃以下；第二类为镍基高温合金，典型的有：GH4169适合在650℃以下工作，GH4133、GH4133B和GH4698适合在700℃~750℃范围内工作，GH4500、GH4710、GH4720、GH4742、GH4079适合在800℃以下工作。我国研制的FGH4097高温合金粉末涡轮盘综合性能也已完全达到俄罗斯EP741NP粉末盘的水平。

      在上述合金中，GH2132合金是最早开发的铁基高温合金，除用来做涡轮盘外，还可以轧制成型材，用于制作航空发动机其他用高温零件。GH4133B合金是在GH4033合金的基础上经过微合金化研制的国产化合金，是目前用得最好、用得最广的一种高温合金，用在10余种发动机上，制造了数十种涡轮盘。GH4169合金主要用来制作盘件、叶片、轴、紧固件等，在航空工业中具有广阔的应用前景。太行发动机采用了多种GH4169合金盘件，其中利用先进的DA工艺生产的优质高强GH4169合金高压涡轮盘，是国内迄今为止生产的尺寸最大的、性能最高的GH4169涡轮盘。“十五”以来，随着钢厂对冶炼设备和开坯设备的技术改造，我国生产出直径达660mm的优质GH4169合金真空自耗锭。目前，国内钢厂可以冶炼出高质量的GH4169合金，使我国高温合金的冶炼水平上了一个台阶。随着GH4169合金在多种型号的直升机、歼击机和火箭发动机中的成功应用，该品种的市场需求量越来越大，质量要求也不断提升，因此，降低GH4169合金的生产成本，提高其在国际市场上的竞争力和产品质量是今后要研究和努力的方向。

高温合金发展趋势及应用前景

      随着航空发动机的发展，发动机涡轮进口温度的提高，要求做涡轮热端部件材料的承温能力越来越高。目前，高温合金用量占燃气涡轮总重的50%以上，以后定向凝固柱晶和单晶高温合金、粉末冶金高温合金等高性能合金所占的用量比例将越来越大。

      具体来说，未来高温合金发展的趋势是：用Re、Ru、Ir作为合金化元素，最大限度提高高温蠕变强度，发展第三代、第四代单晶合金；含一定量Hf、Y提高合金氧化抗力和工艺性能；更广泛地应用定向凝固和单晶涡轮叶片及导向器叶片铸件；提高涡轮盘合金纯洁度以便最大程度减少涡轮盘合金的固有内部缺陷；更广泛地应用等温锻造使涡轮盘获得均匀的晶粒组织；更广泛地应用预合金化粉末生产涡轮盘合金；更广泛地应用热等静压工艺，使铸造涡轮叶片减少疏松，组织更致密；更广泛地发展和应用组合部件，这种组合部件是利用精铸或扩散连接方法将两个或更多零件连接在一起，形成整体部件。

      不过，高温合金的熔点低于1400℃，很难在1200℃或更高温度条件下使用，因此也面临着新的挑战。金属间化合物、碳-碳和金属基复合材料、难熔金属和陶瓷将是主要的竞争材料。但是这类材料塑性低，成型和焊接困难，在世界上都是一大难题。高温合金虽然面临新型材料强有力的挑战，但我国新工艺的出现和新技术的发展，为研制新的高温合金，提高合金使用温度和可靠性、降低成本提供了条件。今后几十年，高温合金仍将是未来航空发动机的主导材料，在目前和未来仍有着较强的生命力和光明的前景。

      航空发动机已成为衡量一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。新时期，我们将继续发扬传统，学习国外先进技术，缩短与国外的差距，走中国特色高温合金自主创新道路，大胆探索，加强基础研究和前沿技术研究，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，不断增强创新能力，激发创新活力；冶金工业的广大科技工作者将在以习近平同志为核心的党中央领导下，不忘初心，牢记使命，在高温合金研制生产方面再立新功，继续为高推重比航空发动机发展做出新的更大贡献。