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未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向

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摘要：航空发动机是进行航空的重要动力，对航空领域今后的发展有着非常关键的作用，为此必须要对其予以重视。本篇文章简要介绍了未来航空器对航空发动机材料的需求，分析了航空发动机材料相关技术，并研究了材料今后的发展趋向，希望能够增强航空发动机的性能。

关键词：未来；航空发动机；材料；挑战；发展；趋向

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目（项目批准号：2020JQ-477，2018JQ5175）

随着我国经济水平的提升，科技实力增强，航空行业得到了一定的发展，航空飞行器出现了变化，作为飞行器主要动力来源的航空发动机有着越发重要的作用。从某种角度来说，发动机的材料能够决定其性能，为此，必须要对其予以重视。

一、未来航空发动机材料面临的挑战

无论是用于军事的飞机还是民航飞行器，性能都会受到发动机的影响。近些年来，发动机的研究取得了一定的成果。但是随着发动机的发展，叶片等原本的构造越发复杂，原本的材料已经无法满足发动机正常运转的需要，为此，必须要对材料进行创新，找出适宜的材料，并合理的选择工艺，确保发动机能够为飞行器的正常使用提供充足的动力[1]。

根据目前时代发展情况来进行分析，在今后航空飞行器的主要发展趋势是在保护环境的同时降低对能源的消耗，并且性能有所增强。随着现在可以借助于技术来减少发动机需要消耗的能源，但是，如果对发动机的材料进行改善，就能够较为有效的达成各个目标，为此，必须要重视未来发动机材料的选择。

二、航空发动机关键零件材料所运用的技术

（一）压气机

从当前的情况来进行分析，压气机盘和叶片材料的钛合金最高能够在600摄氏度的环境下进行工作。随着压气机的压力增加，压气机出口的温度也会有所提升。在这一情况下，压气机后几级会选择使用钛合金等材料，但是这一类材料随着压气机总压比的进一步提升，已经无法满足现实需要，如果发动机的推重比到达20，出口温度就会到达800摄氏度。为了对这一问题进行解决，国外通过改变难溶金属的比例和晶粒大小，研究了新型材料，这种材料对高温的承受能力比较强。除此之外，还研究了能够在压气机叶片进行使用的复合材料，这能够使叶片的重量有所降低。为了获得更加理想的效果，现在正在对整叶进行研究，研究成功之后，能够将压气机的重量降低五分之二左右，减轻压气机的工作负担，使压气机能够更加高效的开展相关工作。

（二）燃烧室

燃烧室是航空发动机中温度较高的构件，通过情况下，燃烧室的温度在2000摄氏度左右，借助于现有的技术，能够对其进行降温处理，使温度处在1000摄氏度，这需要构建燃烧室的材料能够抗冷、耐热，降低出现氧化的可能。目前使用最为普遍的材料是钴和镍类合金，但是随着发送机性能的逐渐提升，需要借助于高温燃烧使发动机正常的进行工作，这就需要更换所使用的燃烧室材料。随着对高温材料的需求逐渐加强，陶瓷基复合材料出现并得到了一定的发展，这一材料能够在高温状态下正常的进行工作，不需要进行冷却处理，这将是今后燃烧室的主要材料。

（三）涡轮

从当前的情况来进行分析，涡轮这一部位所使用的材料一般是将镍或者是钴作为主要构成的合金，对高温的承受能力比较高。国外在高强度、低密度材料进行研究的过程中，研究了金属化合物、复合材料、碳及碳复合材料以及陶瓷，并获得了一定的成绩[2]。涡轮叶片的原材料从原本所锻造的高温合金、多晶铸造合金、定向凝固柱晶等，逐渐变成了金属化合物、人造纤维等强化合金，能够承受更高的温度。在未来，航空发动机涡轮进口的温度可能达到2000度，在这时叶片需要更换新的材料，可以选择使用高温构造的陶瓷。

三、航空发动机材料发展需要注意的内容

第一，应该进一步发掘传统材料的性能。从目前的情况来进行分析，由于合金和钛合金的使用较为广泛，经验较为丰富，在对发动机材料进行选择的过程中其仍然可以作为选项之一，这需要有关部门对其性能进行发掘，增强性能，确保其能够满足发动机运转需求。

第二，加大力度对新材料进行研发。随着时代的发展，发动机性能的增强，对材料有了新的需求，原本的传统材料已经无法满足发动机的需求，需要对材料进行创新，研究新的材料。在这一情况下，金属化合物以及陶瓷基符合材料受到了人们的重视，将会成为发动机的主要材料。但是，由于我国缺乏相关的经验，在结构上存在着一定的不足，比如说，韧性和可塑性比较差，难以进行加工等，在进行设计的过程中，必须要从系统的角度进行思考，分析其性能，使材料发挥最大化的作用，降低出现问题的概率。

四、今后的发展趋向

（一）碳以及碳复合材料

碳以及碳复合材料是当前唯一可以被用于压气机的耐高温材料。借助于这一材料，发动机的温度可以处在2000摄氏度左右，这一材料受到了世界各国的普遍关注

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