摘要：长三角G60激光联盟陈长军导读：燃气轮机发动机从周围大气中吸入空气，并利用高度压缩空气的燃烧产物的能量产生动力，用于发电、泵送天然气、为船舶提供动力和推动飞机。该装置由大量采用至少二十五个不同合金等级制造的部件组成，以满足在高要求运行条件下的性能要求。在系统机

燃气轮机发动机用于多种应用，如陆基发电、石油和天然气工业、船舶和飞机推进等。然而，自发明以来，燃气轮机发动机已成为推动飞机的实际动力装置。1939 年发明的吸气式燃气轮机发动机驱动的飞机被认为是机械工程设计的革命性成果，对大众航空运输和军事应用均有益处。自问世以来，燃气轮机发动机行业对提高飞机性能（更高速度、更低油耗、增加航程、降低噪音以及减少氮氧化物和二氧化碳排放等）的需求不断增长，同时提高其自身的安全性和可靠性。因此，相关技术，即空气动力学和机械设计、结构完整性、提升策略、传感器技术、材料、制造和检测技术、发动机部件的测试和鉴定方法不断发展。几十年来，全球领先的组织（通用电气、罗尔斯・罗伊斯、MTU 航空发动机、霍尼韦尔航空航天、赛峰飞机发动机、NPO 土星、克里莫夫、普惠、CFM 国际等）成功设计、开发、测试并认证了所需产品，并将其投入使用。发动机技术所需的复杂跨学科知识也要求提前了解未来需求、规划技术路线图，以及工业界和学术界不懈的研究努力。因此，通过并行的材料技术开发、部件开发、部件改进和各种技术演示项目，为目标技术、部件、子系统和系统的设计、制造和鉴定提供持续创新支持。材料技术的贡献是提高发动机推重比的关键参数。

汉斯・冯・奥海因于 1934 年为喷气发动机概念申请了专利。1939 年，同一发动机推动了海因克尔在德国制造的第一架喷气发动机飞机。与此同时，弗兰克・惠特尔在英国构思了一种喷气发动机，并于 1941 年使一架流星飞机试飞成功。自概念化以来，基本发动机结构保持不变。它旨在通过进气口、风扇（低压压缩机）和压缩机（高压压缩机）加速气流。风扇（低压压缩机）和压缩机（高压压缩机）模块将进气气体压缩到高压，同时随着气体通过静态和旋转叶片的交替级，温度升高。热压缩空气在燃烧器中与雾化燃料混合。气流温度在燃烧室内达到最高水平。燃烧产物被导向涡轮模块，以提取热气流的热能来驱动风扇和压缩机。气流在涡轮中的膨胀也导致气体压力和温度降低。热气流离开涡轮，通过喷管和喷嘴，产生推动飞机所需的推力。运行时沿发动机轴线的典型压力和温度分布分别如图 1 和图 2 所示。军事应用中的燃气轮机发动机在涡轮和喷管之间还设有加力燃烧室模块，以产生敏捷性和机动性所需的额外推力。

在本文中，作者详细介绍了飞机用燃气轮机发动机的架构，并对其部件的材料要求、发动机材料面临的挑战和未来需求进行了综述。

风扇、压缩机和涡轮的旋转叶片安装在盘上，并组装在发动机轴上。这种配置以每分钟 8000 - 20000 转（rpm）的速度旋转，以压缩或膨胀气流。发动机运行期间，叶片、盘和轴遇到的离心载荷非常高。由于气流温度高，严重程度进一步加剧。还需要考虑气体弯曲载荷、由于温度梯度作用在这些部件上的热应力。静止部件（静子叶片和机匣）除离心载荷外也承受所有这些载荷。在发动机部件的材料选择和设计过程中考虑了这些因素。运行地形（靠近海洋的含盐大气、靠近沙漠的沙尘吸入等）也对设计和材料选择有很大限制。

燃气轮机发动机部件使用多种金属材料、复合材料和涂层系统来满足其结构和功能要求。非常苛刻的运行条件（高温、应力、氧化和腐蚀环境）、重量限制和寿命要求决定了发动机特定部件的材料选择。对于军事应用，隐身等额外要求对材料选择施加了进一步限制。材料选择标准是根据材料的机械和物理性能、微观结构稳定性以及特定部件的功能、结构和运行条件要求制定的。

推进系统应用中的燃气轮机发动机使用多种金属材料，即钢、铝合金、镁合金、钛合金、铁基、镍基和钴基高温合金。

各种等级的钢在任何工程系统中都有普遍应用。然而，对于发动机部件，选择非钢合金等级是显而易见的，这是由以下因素决定的：

喷气推进系统的材料演变和新发展是由航空业的改进所决定的。

钛合金具有比强度高、密度低以及优异的耐腐蚀和耐热性能等优点。使用钛合金可显著减轻重量（比钢减轻 40%），从而有助于提高燃油效率和降低噪音水平。锻造 Ti - 6Al - 4V 是一种常用的航空航天材料，用于发动机前端（风扇或低压压缩机）的所有部件（转子叶片、静子叶片、盘和机匣）。锻造 Ti17 和 Ti6246（近 α 钛合金）也用作风扇整体叶盘（叶片与盘集成）材料，最高使用温度可达 300°C。具有更好高温强度的近 α 和 α + β 钛合金（如锻造 Ti685、Ti550、TiTi6242S 和 Ti834 等）用于高压压缩机部件。它们具有高强度、优异的耐腐蚀性、高断裂韧性以及抗疲劳和蠕变裂纹扩展能力。这些合金的使用限于 500°C 的温度。

风扇和压缩机叶片、盘和机匣通过将钛合金原料锻造成所需形状，然后进行机械加工制造。风扇和压缩机部分之间的中间机匣通常通过铸造工艺使用 Ti - 6Al - 4V 材料制造。

整体叶盘已用于高推重比军用发动机应用（如 GE F120、F414、EJ200、PW600、F136、GE129EFE）和客机。制造选项包括从实心圆盘铣削、电化学加工或通过线性摩擦焊接（LFW）工艺将锻造的翼型连接到盘上。据报道，圆盘应用的进一步发展是使用钛基复合材料制成的带叶片环（bling），可减轻约 70% 的重量。γ 钛铝基金属间化合物是另一类有前途的材料，用于压缩机转子和静子叶片的后级。

目前对新型钛合金的开发研究集中在空心轻质钛风扇系统（民用航空发动机的大型叶片、F136）、钛合金叶片盘（整体叶盘）和耐火钛合金，以取代较重的镍基高温合金。压缩机的后级，工作温度超过 500°C，使用镍基高温合金。IN718 是此类应用中常用的合金。

燃烧器和加力燃烧室机匣由 IN718 锻件制造。钛合金用作喷管的外机匣。

燃气轮机发动机的效率由涡轮入口温度（TET）决定。TET 越高，效率越高。TET 被恰当地称为 “冶金极限”，因为这个温度受到现有材料最高温度能力的限制。对更高 TET 的不断需求促使开发具有复杂冷却通道的熔模铸造工艺以及用于涡轮叶片和喷嘴导向叶片的新型合金系统。因此，涡轮转子叶片和叶片（静态喷嘴导向叶片）的材料已从多晶材料转变为不同代的定向凝固（DS）合金，随后是高达第六代合金的单晶（SX）材料。

定向凝固（DS）合金的发展导致了低模量（100）取向的柱状晶粒沿径向排列，并在蠕变强度、延展性和热疲劳抗性方面有了显著提高。消除晶界的最终目标导致了单晶（SX）材料的发展。SX 材料中晶界的消除大大提高了蠕变抗性，从而实现了涡轮入口温度（TET）的提高和使用寿命的延长。

通用电气、普惠、罗尔斯・罗伊斯和斯奈克玛等知名发动机制造商开发了许多合金。早期的单晶高温合金开发包括 PWA1480、Rene N4、SRR99、RR2000、AM136、CMSX - 2、CMSX - 3 和 CMSX - 6。这些合金具有相近的蠕变断裂强度，但铸造性、固溶处理窗口、固溶处理时的再结晶倾向、环境氧化性能、热腐蚀性能和密度不同。MARM200Hf、Rene80H、MARM002 和 MARM247 是一些具有广泛涡轮发动机翼型应用的第一代 DS 高温合金。第二代 DS 和 SX 高温合金包括 CM247LC（DS）和 PWA1484（SX）以及 CMSX - 4（SX）。通过添加铪解决了 MARM200 中晶界开裂的早期问题。第三代 SX 叶片材料（CMSX - 10、Rene N6）通过增加铼（Re）含量（最高达 6%，而第二代合金中最高为 3%）开发。用钌替代铼导致了第四代 SX 叶片材料（MCNG、TMS138 和 TMS162）的开发。

涡轮盘在部件上经历不同的服役条件，从孔处相对较高的应力和较低的温度（约 300°C）到边缘处较高的温度（约 650°C）和较低的应力。考虑到这些部件所经历的循环载荷，边缘处的枞树形根部固定等应力集中特征进一步增加了对优异高温损伤容限的需求。由于镍基高温合金对疲劳、蠕变、氧化和腐蚀损伤的组合具有良好的抗性，现在大多数涡轮盘由镍基高温合金制造。典型的此类合金有 IN718、直接时效 IN718、乌德美特 720、乌德美特 720Li、Rene95、RR1000、瓦斯帕洛伊、ME3 等。粉末冶金（PM）盘合金，如 Rene88DT（GE CF6、GE90 - 90B、GE F414）、Rene104（GP7200）、阿斯特罗洛伊、N1835、N19 等，是为了在盘应用中获得拉伸强度、蠕变抗性和损伤容限之间的最佳平衡而开发的。粉末冶金路线（粉末加工、挤压和锻造）使得能够加工具有更高沉淀含量和 / 或更高难熔金属（Mo、W、Nb、Ta）含量的更大尺寸的高温合金盘。盘中的化学偏析最小化。这导致在锻造高度强化的高温合金盘时，粉末冶金坯料具有均匀的变形能力。尽管粉末冶金盘与铸造和锻造合金相比具有均匀的结构和优异的强度，但其生产成本较高。

在盘应用中也有关于 “双微观结构” 的开发努力的报道，该结构允许盘的边缘和轮毂分别进行优化。边缘受蠕变限制，经过处理以产生粗大晶粒尺寸，而轮毂受疲劳限制，需要细小晶粒尺寸。双微观结构盘已通过试样测试和盘旋转测试进行了测试和验证。涡轮部分的机匣也使用镍基高温合金环形锻件制造。

复合材料具有更高的工作温度和高比强度、改进的性能，从而能够提高效率的优点。由于这些特性，军用和商用发动机对复合材料产生了浓厚兴趣。燃气轮机发动机中使用各种基体和增强元素的组合。它们是：

PMCs 用于部件的前端和旁通管道，因为它可以承受相对较低的温度（200°C）。作为综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划的一部分，使用 PMR15 树脂中的碳纤维完成了发动机进气道外壳的设计、开发、制造和测试。GE90 发动机中引入了具有钛前缘（Ti -6Al- 4V 合金）的碳纤维增强塑料复合材料（CFRP）叶片，以提高在鸟击情况下的抗冲击损伤能力。

另一方面，CMCs 可以承受极高的温度（高于 1100°C）。发动机的热端部件（涡轮护罩段、排气锥、襟翼等）是 CMC 发动机部件的可能目标应用。氧化物、碳和 SiC 基 CMCs 在这些应用中已经确立。

Ti - MMCs 也被考虑用于压缩机带叶片环（bling），它可以取代叶片盘或整体叶盘。复合材料在燃气轮机发动机应用中的可能用途如图 6 所示。

燃气轮机发动机苛刻的运行条件要求在各种部件上应用涂层，以提高其耐久性并最大限度地利用所用材料的性能。通常，这些涂层旨在改变关键部件的表面性能，以提供增强的抗腐蚀、氧化、磨损或暴露于高温下的基体金属劣化的能力。近年来，随着人们越来越认识到表面工程在现代工业世界中的巨大潜力，涂层技术领域取得了相当大的进展。因此，现在有许多方法可用于开发各种保护涂层。

在发动机的前部，包括风扇和压缩机，通常采用耐磨和耐腐蚀涂层及密封件。然而，在发动机的热段，包括燃烧室区域、涡轮、加力燃烧室火焰稳定器，使用热障涂层（TBCs）和高温耐磨密封涂层。

现代发动机结构和技术进步导致了新型涂层类型的发展以及对以前使用的涂层的改进。最显著的是用于涡轮叶片和喷嘴导向叶片应用的高应变容限低导热性电子束物理气相沉积（EBPVD）TBC。除了常用的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）外，据报道还开发了氧化铈稳定氧化锆（CeSZ）、稀土锆酸盐（如 La₂Zr₂O₇、Gd₂Zr₂O₇、Sm₂Zr₂O₇）作为潜在的 TBC 系统。此外，正在开发抗氧化涂层，显著改善 TiAl 在 900°C 以上的氧化行为。

喷气推进系统的材料演变和新发展取决于航空业的进步。燃气轮机发动机的性能参数显著提升，设计、制造和材料技术也取得进展。燃气轮机发动机行业在材料系统改进和材料技术增长方面成绩斐然。前文已简要讨论原材料熔炼工艺的改进、锻造合金加工技术以及铸造技术的发展。一些存在已久的合金系统，因其性能符合发动机运行条件要求，正被考虑用于发动机应用。以下是后续章节提及的部分此类系统。

作为一类新兴材料，金属间化合物合金在强度、耐高温和重量方面优于现有材料。钛铝化合物（TiAl 和 Ti₃Al）在较高温度（750°C）下有用，与纯钛或镍基合金相比可大幅减轻重量，使其成为燃烧室外壳、压缩机后级（最高压力和温度）叶片的理想选择。

一些发动机制造商已成功测试铸造 γ - TiAl 金属间化合物（GEAE 的 CF6 发动机的低压涡轮叶片成功进行台架测试，美国 CAESAR 计划中的高压压缩机叶片和护罩（RR、艾利逊 AADC、GE、PW）、叶片保持架（PW）、涡轮阻尼器（沃尔沃）、低压涡轮叶片（MTU））。斯奈克玛和透博梅卡通过各种工艺（铸造、挤压、锻造、粉末冶金）进行了多次可行性演示。镍铝化合物作为带有抗氧化保护涂层的涡轮喷嘴导向叶片也有潜在应用。基于 Ni₃Al 的 IC6 合金与 NiCrAlYSi 已在 PD14 原型机中进行测试（下一代涡扇发动机，可能成为伊留申 Il - 76 和伊尔库特 MS - 21 双发喷气客机的替代动力源之一）。

高熵合金（HEAs）是由多种元素组成的复杂成分材料。它们的高构型熵混合在高温下更稳定。据报道，含 Nb、W、Mo、Ta 等难熔金属的高熵合金在高达 1700°C 时仍能保持有用强度。这一特性使合适的合金元素能够基于四个核心效应（高混合熵效应、缓慢扩散效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应）提高材料性能，为其在喷气发动机应用中作为潜在结构材料提供了巨大可能性。潜在的发动机部件包括结构机匣（中框架和排气机匣）、喷嘴和排气锥。这些部件的工作温度范围为 300 - 1000°C。

定向凝固共晶（DSE）陶瓷为烧结陶瓷的优势增添新潜力：在接近熔点的温度下具有更高且几乎恒定的强度，以及更好的抗蠕变性能。在超高温应用的结构材料领域，新一代燃气轮机预计使用 DSE 氧化物，其涡轮入口温度高达 1700°C。应用可能包括叶片、空心非冷却喷嘴，最终可能用于涡轮叶片和燃烧室的内衬板等。

开发具有更高高温性能的新型燃气轮机热端材料，对于设计未来高效、低二氧化碳和氮氧化物排放的涡轮机至关重要。难熔金属硅化物和氮化物基陶瓷结合了高温性能和低密度的特性，有望大幅降低飞机燃油消耗。目前正在为飞机发动机和陆基涡轮机的涡轮热端部件开发铌硅化物基合金和氮化硅 / 二硅化钼复合材料。

法国航空航天研究院（Onera）设计并表征了通过增材制造获得的多孔材料。目标应用是替代燃烧室的多孔壁。气动热测试表明，在燃烧室前缘的冷却效率有所提高。未来可能通过激光束熔化（LBM）生产材料，其优势在于多孔结构更精细，可产生更高效的冷却效果。

增材制造工艺近年来在各个领域都获得巨大推动。航空航天工业也采用这项技术制造复杂且关键的部件，这些部件难以通过传统方法生产或需要组装多个部件。发动机燃烧器中的燃料雾化器本体就是使用该技术实现并投入使用的重要部件。最近有报道对其他各种发动机部件进行研究，包括压缩机和涡轮叶片。

美国、加拿大和欧洲国家启动了多个项目，以提高发动机性能和效率。中国和日本也发起此类举措，并加入合作开发联盟。其中许多项目推动了材料或部件形式（如整体叶盘、带叶片环、单晶）的发展。以下是部分已报道的项目及其目标和材料信息（表 1）。

燃气轮机发动机应用中的涡轮机械设计概念不断发展，相关材料和材料加工技术也随之发展。先进的战斗机发动机还要求高生存能力、低可探测性、集成热管理和功率管理以及更好的运行包线。关键技术差异化因素可能包括紧凑、高压比核心发动机、使用耐高温轻质长寿命复合材料、整体叶盘和带叶片环技术、金属间化合物等。发动机制造商和学术界的持续研究努力实现了理想的设计方法，并为航空业不断增长的需求建立了技术。

BPR：涵道比；CMC：陶瓷基复合材料；DS：定向凝固；DSE：定向凝固共晶；EBPVD：电子束物理气相沉积；HEA：高熵合金；HPC：高压压缩机；LPT：低压涡轮；MMC：金属基复合材料；OPR：总压比；PM：粉末冶金；PMC：聚合物基复合材料；PVD：物理气相沉积；SX：单晶；TBC：热障涂层；TET：涡轮入口温度。

来源：江苏激光联盟