航空發動機技術難點淺析，可能和你想的不一樣

2020-10-03 江蘇雷射產業創新聯盟

相信很多關心航空發動機發展的金粉們都聽過這樣一個斷言：航空發動機不好是因為材料不行。材料是問題之一，但難題是多方面的。

一臺民用發動機需要無故障地、穩定地工作3萬小時，在工作過程中，一方面轉速極高（每分鐘約15000轉），需要承擔葉片本身重量1萬倍的離心力；另一方面，燃燒室溫度達到1800K以上，與之對照，目前熔點最高的鎳基高溫合金初熔點不到1600K。

今天，我們來盤點一下民用航空發動機製造的四個難點。結尾有彩蛋，不要錯過。

對安全性和可靠性要求極高

在極端的工作條件下，民用航空發動機需要穩定地工作3萬小時，預計未來要求能達到穩定工作10萬小時以上。為了確保航發的安全和可靠，兩個實驗必不可少——拋鳥實驗、吞冰實驗。

↓↓拋鳥實驗↓↓

美國2009年哈德遜河迫降是航空史上有名的事件，當時飛機出故障的原因，正是在紐約機場起飛一分鐘後兩個引擎均受鳥撞擊而失去動力，最後不得不迫降在哈德遜河。

↓↓吞冰實驗↓↓

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每分鐘15000轉，承受巨大離心力

發動機葉片每分鐘轉速大約在15000~16000rpm之間，此時，轉動葉片的離心力相當於葉片重量的10000倍。更為直觀地說，航空發動機1個葉片榫頭（工作葉片和渦輪盤相連的部分）所承受的離心力高達約150kN，大約15噸。

燃燒室溫度1800K以上，超過高溫合金熔點

↓↓航發各部分金屬材料分布↓↓

民機發動機燃燒室的溫度達到1800~1900K，鎳基高溫合金的初熔點大概也就在1300℃左右，也不到1600K。

↓↓鎳基高溫合金在高溫下比強度較其他金屬更高↓↓

發動機葉片的工作溫度已經遠遠超出了合金的熔點，為解決這個問題，可以採取幾大技術。

1、冷卻

早期葉片多為實心，隨著鑄造技術的進步，葉片發展為定向（單晶）空心無餘量葉片。空心氣冷葉片的出現，在降低葉片重量的同時，可讓冷空氣可進入腔內冷卻。

上文提到單晶葉片，在此不妨稍微離題，介紹下國內單晶葉片的生產水平。單晶葉片是航發零件中生產工序多（40~60道工序）、周期長、合格率低的一種零件，其生產的關鍵設備包括熱處理爐和單晶爐。一級航空熱處理爐在生產葉片時爐內溫度在1330℃，爐內任意兩點溫度差處於正負3℃範圍內，這種熱處理爐國內尚無法生產，單晶爐的供應面臨著類似狀況。根據《經濟半小時》報導，2015年，成都航宇成功突破技術難關，成為國內首家單晶錸合金葉片達到量產標準的企業。

↓↓單晶鑄造渦輪葉片的微觀結構↓↓

2、繼續提高合金承溫能力

↓↓渦輪葉片的成形工藝和晶相結構↓↓

3、熱障塗層（Thermal Barrier Coating）

熱障塗層本質是一層陶瓷塗層，此概念於上世紀50年代提出，80年代技術取得重大突破。

熱障塗沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，對於基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其製成的器件（如發動機渦輪葉片） 能在高溫下運行，並且可以提高器件（發動機等）熱效率達到60%以上。

4、17級風速下，火焰還需穩定燃燒

↓↓渦扇發動機發動機氣流控制↓↓

關於航發製造，知乎用戶@Killer40這段話值得分享。

本人在讀博士，做鈷基高溫合金的。

科普一下，材料學研究的是成分—工藝—微觀組織—性能間關係的學科。目前來說成分對於任何一個行業來說都不是問題，隨便買個成品，檢測一下，成分就知道了。

因此關鍵是工藝，也就是人家怎麼把原材料變成成品的。這個可就太難了，一道工序變量可能上百種。國家甚至世界上強調採用材料基因、人工智慧等技術來加速設計就是因為這個。

此外，發動機是一個系統工程，高溫合金，熱障塗層，大塊單晶樣品製備等等，每一個子項目都需要國家級的項目來支撐，一個學校或者科研單位根本無法全部完成，需要國家等級的資源整合。然而整合的時候往小了說有智慧財產權爭議，往大了說共享材料研發成果基本不可能，還是需要出臺政策。

資料源：《大學》公開課、知乎@Killer40、網易《了不起的中國製造》、科普中國，金屬加工、航空微讀

江蘇雷射聯盟轉載

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