最近幾年中國(guó)科學(xué)家發(fā)布應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的新型鋁鈦合金材料，有望將鋁鈦體系的耐熱鈦合金從650-750度工作極限大幅提升到900度，實(shí)在是可喜可賀。

　　這一技術(shù)進(jìn)展意味著，原來一些必須使用鎳基高溫合金（密度大、非常重）的部件，可以換成鋁鈦合金這樣的輕質(zhì)部件，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推比和油耗的顯著改善；而原有的一些耐熱鈦合金部件，則可以得到性能指標(biāo)和壽命上的顯著突破。

　　不過900度并不是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)上溫度最高的部分，實(shí)際上這種新材料改善的主要是高壓壓氣機(jī)部分。

　　圖：從上到下分別是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（戰(zhàn)斗機(jī)就用的這類）、大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖。為了簡(jiǎn)單直觀起見，圖中發(fā)動(dòng)機(jī)省去了加力燃燒室等結(jié)構(gòu)。

　　空氣在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)以后，會(huì)經(jīng)過多級(jí)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的強(qiáng)烈壓縮，之后進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒，形成高溫燃?xì)饬魍苿?dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)（渦輪又帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，壓縮空氣進(jìn)入燃燒室）并噴出發(fā)動(dòng)機(jī)外，形成推力。在這個(gè)過程中，空氣在進(jìn)入燃燒室之前，就會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈的壓縮而導(dǎo)致溫度迅速升高。

　　在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，壓氣機(jī)的前面級(jí)數(shù)都可以用鈦合金制造；但隨著溫度升高，最后幾級(jí)壓力特別高、溫度也比較高的壓氣機(jī)葉片，就必須采用密度大沉重的高溫合金。中國(guó)此次的材料突破，就在于后面的壓氣機(jī)葉片能夠大幅減輕重量，并提升性能和壽命。

　　圖：中國(guó)此次的航空材料突破，能夠顯著提升紅圈范圍內(nèi)的部件性能

　　但是再往后的燃燒室，渦輪盤和渦輪葉片，仍然必須采用其他的高溫合金，比如鎳基高溫合金。尤其是針對(duì)F22、殲20這樣注重超聲速巡航的戰(zhàn)斗機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴流特性必然是高溫、高速，渦輪進(jìn)口的溫度達(dá)到1800-1950K（1526-1676攝氏度）。這不是目前任何種類鈦合金能夠承受的。

　　在這些關(guān)鍵的渦輪葉片上，含錸鎳基單晶高溫金屬材料，仍然是目前的唯一選擇。中國(guó)目前已經(jīng)發(fā)展到了第四代單晶，但從公開資料的披露情況來看，第四代單晶應(yīng)該還主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，連材料牌號(hào)都還處于未公開狀態(tài)；目前大量在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)（太行、渦扇20）上的是第二代單晶DD6，第三代單晶材料DD9應(yīng)該有望應(yīng)用于殲20的渦扇15發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　圖：太行發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是DD6單晶，單以材料本身性能來說，顯著優(yōu)于AL31F

　　根據(jù)北京航材院和北科大的聯(lián)合公開論文《單晶高溫合金DD6再結(jié)晶晶界析出相特征及其形成機(jī)制》，DD6單晶除了作為主成分的鎳以外，大致成分為0.006%的碳，4.3%的鉻，9%的鈷，2%的鉬，8%的鎢，7.5%的鉭，0.5%的鈮，5.6%的鋁，0.1的鉿，而錸則占2%。同期國(guó)外牌號(hào)材料里，錸的含量在3%以上。

　　而根據(jù)航材院的另一篇公開論文《DD9單晶高溫合金拉伸性能各向異性》的披露，DD9單晶除了作為主要成分的鎳以外，大致成分為1.5-5%的鉻，5.5-9.5%的鈷，0.5-3.0的鉬%，6-8.5的鎢，5.2-6.2%的鋁，5.5-9.0的鉭，0-0.5%的鉿，0.-1.5%的鈮，0-0.04的碳。而錸的比例則提高到3.5-5.0，雖然比國(guó)外三代單晶的6-7%的最大含量要低，但依然比DD6高很多。

　　而在涉及到DD6和DD9的資料中，都普遍強(qiáng)調(diào)由于錸的含量低，該種材料擁有更低的成本優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上國(guó)內(nèi)也研究過完全不含錸的替代單晶材料，比如低成本的DD265，高性能、號(hào)稱指標(biāo)基本達(dá)到二代單晶（比如DD6）水平的DD98系列。然而并不能真正推廣使用。

　　圖：雖然不能替代含錸單晶，但此次中國(guó)新材料對(duì)于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提升仍然有重大意義

　　在美國(guó)的低錸和無錸化研究中，目前也只停留在高溫部件降低錸含量保持性能基本不減退、溫度較低部件實(shí)現(xiàn)無錸化的水平。而對(duì)于性能優(yōu)先的軍用發(fā)動(dòng)機(jī)來說，除非現(xiàn)有材料體系出現(xiàn)遠(yuǎn)比此次中國(guó)突破要大的顛覆性進(jìn)展，否則對(duì)錸的依賴依舊不會(huì)消退。

　　圖：很多人對(duì)法國(guó)航發(fā)有著莫名其妙的優(yōu)越感。實(shí)際上施奈克瑪最近 30多年一直致力于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和熱端部件的深入研究，在這方面已是世界最高水平之一。

　　究竟什么樣的材料才能取代含錸鎳基單晶，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來性能上的巨大突破？目前自然沒有肯定的答案，而可能性最高的方向，在于高性能的復(fù)合陶瓷材料（利用金屬纖維、碳纖維、陶瓷纖維或者晶須進(jìn)行增強(qiáng)）。

　　目前法國(guó)施奈克瑪公司已經(jīng)在M88等發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，工作溫度達(dá)到1370度的部件也正在試驗(yàn)中。而美國(guó)NASA最近幾年一直致力于1480度耐溫的材料，并力爭(zhēng)在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)性能提升到1650度。