渦輪葉片的性能水平是發(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。航空發(fā)動機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，是飛機(jī)的心臟，發(fā)動機(jī)的價(jià)值量占整機(jī)價(jià)值的20%-30%。在航空發(fā)動機(jī)中，葉片是一種特殊的零件，它數(shù)量多，形狀復(fù)雜，要求高，加工難度大，一直以來是發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的關(guān)鍵。從價(jià)值量上來看，以CFM56系列發(fā)動機(jī)為例，葉片在發(fā)動機(jī)中的價(jià)值量占比約為35%。由于渦輪在航空發(fā)動機(jī)中既是自持部件，依靠自身轉(zhuǎn)動帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的自持工作；同時(shí)又是主要的做功部件，依靠自身轉(zhuǎn)動對外輸出機(jī)械能量，所以渦輪及渦輪葉片的重要性不言而喻。此外，渦輪葉片是發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的部件，需要承受高溫燃?xì)鉀_刷和溫度交變，其中工作葉片還要承受高轉(zhuǎn)速下的離心力作用。因此，發(fā)動機(jī)中最重要的，同時(shí)也是制造難度最大的葉片就是渦輪葉片。材料技術(shù)是未來提高渦輪葉片承溫能力，從而提高發(fā)動機(jī)整體性能的關(guān)鍵。

渦輪葉片材料技術(shù)不斷發(fā)展，承溫能力不斷提升。渦輪葉片屬于航空發(fā)動機(jī)中的熱端部件，需要在高溫高壓的環(huán)境下工作，極其惡劣的工作環(huán)境使得對渦輪葉片材料的要求也非?？量?，目前渦輪葉片一般采用高溫合金通過精密鑄造加工而成。渦輪葉片用高溫合金歷經(jīng)變形高溫合金、鑄造高溫合金、定向凝固高溫合金、單晶高溫合金的發(fā)展，其中單晶高溫合金已發(fā)展到第六代。第二代及之后的單晶高溫合金通過添加錸，降低其他合金元素的擴(kuò)散效率，減少單晶鑄件的晶粒缺陷和表面再結(jié)晶，改善合金的抗熱腐蝕性能，但其也存在對單晶高溫合金組織的穩(wěn)定性不利、密度較大等缺陷。因此，考慮到CMC材料與高溫合金相比，擁有更高的承溫能力、更低的密度、更優(yōu)異的高溫下持久強(qiáng)度和更高的靈活性，其有望成為渦輪葉片材料未來發(fā)展方向。

中國軍機(jī)民機(jī)數(shù)量預(yù)期增長帶動中國航空發(fā)動機(jī)葉片市場規(guī)模提升。我國軍費(fèi)支出保持穩(wěn)定增長趨勢，預(yù)計(jì)未來 20 年中國軍機(jī)需求量約為2900架，總需求規(guī)模為2290億美元。隨著民航運(yùn)力快速增長及航線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善和優(yōu)化，預(yù)計(jì)未來20年我國航空市場將接收 50 座級以上客機(jī)9084架，總價(jià)值約1.4萬億美元。未來，考慮到中國飛機(jī)數(shù)量將逐步增加，且一些中國企業(yè)已實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)葉片材料及制造工藝的技術(shù)突破，國際航空發(fā)動機(jī)葉片主要市場將逐步向中國轉(zhuǎn)移，中國航空發(fā)動機(jī)葉片市場規(guī)模也將保持穩(wěn)定增長。

渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)重要零部件

航空發(fā)動機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，作為飛機(jī)的心臟，不僅是飛機(jī)飛行的動力，也是促進(jìn)航空事業(yè)發(fā)展的推動力，人類航空史上的每一次變革都與航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)進(jìn)步密不可分。因此，航空發(fā)動機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，也被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”。發(fā)動機(jī)的價(jià)值量占整機(jī)價(jià)值的 20%-30%，飛機(jī)機(jī)型越大，發(fā)動機(jī)的價(jià)值占比越低。

圖 1：民用客機(jī)各部分價(jià)值量占比

航空發(fā)動機(jī)可分為三種類型：活塞式發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)?；钊桨l(fā)動機(jī)是最早應(yīng)用的航空發(fā)動機(jī)，二戰(zhàn)后隨著燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展，活塞式發(fā)動機(jī)逐步退出主要航空領(lǐng)域，目前僅在功率需求較低的小型低速通用飛機(jī)上使用。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣的航空發(fā)動機(jī)，包括渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)和渦輪軸發(fā)動機(jī)，都具有壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鉁u輪。其中渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)產(chǎn)量占比超50%，是應(yīng)用最廣、最為核心的航空發(fā)動機(jī)。沖壓發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)是無壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪，不能自行氣動且低速性能不好，僅適用于高速高空飛行。

圖 2：航空發(fā)動機(jī)分類 

渦扇發(fā)動機(jī)由風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、導(dǎo)向葉片、高壓渦輪盤及葉片、低壓渦輪盤及葉片、加力燃燒室、尾噴管八部分組成。在發(fā)動機(jī)工作過程中，風(fēng)扇將空氣吸入，一部分被吸入的空氣進(jìn)入低壓壓氣機(jī)，經(jīng)加壓加速后吹入燃燒室中，作為氧化劑與燃料混合后進(jìn)行燃燒。從燃燒室出來的氣流，經(jīng)過導(dǎo)向葉片后，以最合適的角度吹向高壓渦輪葉片，帶動高壓渦輪盤及渦輪軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動。此后，氣流流經(jīng)低壓渦輪葉片，帶動低壓渦輪盤和渦輪軸轉(zhuǎn)動，從而引起低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。之后氣流進(jìn)入加力燃燒室，重新燃燒并從尾噴管噴出來，產(chǎn)生推力推動飛機(jī)前進(jìn)。

圖 3：渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu) 

在航空發(fā)動機(jī)中，葉片是一種特殊的零件，它數(shù)量多，形狀復(fù)雜，要求高，加工難度大，一直以來是發(fā)動機(jī)生產(chǎn)的關(guān)鍵。數(shù)量眾多的葉片在發(fā)動機(jī)中完成對氣體的壓縮和膨脹，并且以最高的效率產(chǎn)生強(qiáng)大的動力來推動飛機(jī)前進(jìn)，因此葉片在發(fā)動機(jī)工作過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。從價(jià)值量上來看，以CFM56系列發(fā)動機(jī)為例，葉片在發(fā)動機(jī)中的價(jià)值量占比約為35%。

圖 4：航空發(fā)動機(jī)各部件價(jià)值量占比 

按照部件劃分，航空發(fā)動機(jī)葉片可分為風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片。按照運(yùn)動方式劃分，航空發(fā)動機(jī)葉片可分為動葉和靜葉。風(fēng)扇和壓氣機(jī)的靜葉稱作整流葉片，渦輪的靜葉稱作導(dǎo)向葉片，渦輪盤上的動葉稱作工作葉片。

圖 5：GE 公司 F110 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu) 

表 1：航空發(fā)動機(jī)葉片分類

由于渦輪在航空發(fā)動機(jī)中既是自持部件，依靠自身轉(zhuǎn)動帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的自持工作；同時(shí)又是主要的做功部件，依靠自身轉(zhuǎn)動對外輸出機(jī)械能量，所以渦輪及渦輪葉片的重要性不言而喻。此外，渦輪葉片是發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣的部件，需要承受高溫燃?xì)鉀_刷和溫度交變，其中工作葉片還要承受高轉(zhuǎn)速下的離心力作用，渦輪葉片的性能水平，特別是其承溫能力成為發(fā)動機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志。因此，發(fā)動機(jī)中最重要的，同時(shí)也是制造難度最大的葉片就是渦輪葉片，當(dāng)前可以通過材料技術(shù)、冷卻技術(shù)和涂層技術(shù)三條技術(shù)路線來提高渦輪葉片承溫能力。材料技術(shù)指通過研制新型耐高溫材料，改善合金的綜合性能，從而提高渦輪葉片的承溫能力；冷卻技術(shù)指通過對葉片設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)化和改良來提高渦輪葉片的承溫能力，從而提高渦輪進(jìn)口溫度，提升發(fā)動機(jī)性能；涂層技術(shù)指通過在渦輪葉片的表面施加防護(hù)涂層來提高其高溫氧化和耐熱腐蝕能力，以達(dá)到降低基底材料溫度，提升渦輪進(jìn)口溫度的目的。材料技術(shù)、冷卻技術(shù)和涂層技術(shù)均已經(jīng)歷了幾次技術(shù)迭代，考慮到冷卻技術(shù)與渦輪葉片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相關(guān)，不涉及具體材料的使用，涂層技術(shù)對渦輪葉片使用溫度的提升作用相對穩(wěn)定，材料技術(shù)是未來提高渦輪葉片承溫能力，從而提高發(fā)動機(jī)整體性能的關(guān)鍵。

2. 渦輪葉片材料技術(shù)不斷發(fā)展 

2.1. 高溫合金是制造渦輪葉片的重要材料

推重比是指飛機(jī)發(fā)動機(jī)推力與發(fā)動機(jī)重力之比，表示飛機(jī)發(fā)動機(jī)單位重力所產(chǎn)生的推力，是衡量發(fā)動機(jī)性能的重要技術(shù)指標(biāo)。鑒于當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)渦前燃?xì)鉁囟雀哂跍u輪葉片承載溫度，使用高性能葉片材料可以提高渦輪進(jìn)口溫度，使航空發(fā)動機(jī)在重量不變的情況下獲得更大的推力，從而提高推重比。相關(guān)研究顯示，渦輪進(jìn)口溫度每提高100℃，航空發(fā)動機(jī)的推重比能夠提高10%左右。現(xiàn)有推重比10一級的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度達(dá)到1600℃，預(yù)計(jì)未來新一代發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度有望達(dá)到1800℃左右。

自 20 世紀(jì)四五十年代起，國內(nèi)外就對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片材料的研究投入了大量的精力。渦輪葉片屬于航空發(fā)動機(jī)中的熱端部件，需要在高溫高壓的環(huán)境下工作，極其惡劣的工作環(huán)境使得對渦輪葉片材料的要求也非?？量蹋?/p>

（1）良好的力學(xué)性能，包括高溫蠕變性能、機(jī)械疲勞性能、熱疲勞性能和抗沖擊性能，以及良好的高溫塑性；

（2）良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能；

（3）良好的工藝性能，如鑄造性能、焊接性能，以及盡可能高的導(dǎo)熱系數(shù)、盡可能低的熱膨脹系數(shù)和較小的密度等良好的物理性能；

（4）較高的初熔溫度，能夠承受短時(shí)超溫；

（5）良好的組織穩(wěn)定性。高溫合金能夠較好的滿足上述要求，因此渦輪葉片一般采用高溫合金通過精密鑄造加工而成。

圖 6：航空發(fā)動機(jī)中材料的應(yīng)用 

高溫合金是指能在 600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。按照基體元素，高溫合金可以分為鐵基高溫合金（14.3%）、鎳基高溫合金（80%）和鈷基高溫合金（5.7%）。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750-780℃，難以滿足渦輪葉片對材料承受高溫能力的要求。鈷基高溫合金雖然耐熱性能較好，但由于鈷資源產(chǎn)量比較少，加工比較困難，整體用量不多。因此，當(dāng)前絕大部分渦輪葉片使用鎳基高溫合金作為原材料進(jìn)行生產(chǎn)。按照制備工藝，高溫合金可以分為變形高溫合金（70%）、鑄造高溫合金（20%）和粉末高溫合金（10%）。變形高溫合金指可以進(jìn)行冷熱變形加工，具有良好的力學(xué)性能和綜合強(qiáng)度、韌性，具有較高的抗氧化、抗腐蝕性能的一類合金；鑄造高溫合金指以鑄造方法直接制備零部件的一類合金；粉末高溫合金是指用粉末冶金工藝制成的高溫合金。

表 2：高溫合金主要產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域 

圖 7：高溫合金市場份額（基體元素）

圖 8：高溫合金市場份額（制備工藝） 

高溫合金于20 世紀(jì)40年代問世，其憑借較為優(yōu)異的高溫使用性能全面替代高溫不銹鋼，使得渦輪葉片使用溫度大幅提高，達(dá)到了800℃的水平。20世紀(jì)50年代，隨著真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。20世紀(jì)60年代，定向凝固高溫合金出現(xiàn)，使得渦輪葉片承溫能力達(dá)到了1000℃的水平。20世紀(jì)70年代，在定向凝固技術(shù)的基礎(chǔ)上，很快又發(fā)展出單晶高溫合金，至今仍被廣泛應(yīng)用于渦輪葉片的制造。

圖 9：航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片材料發(fā)展歷程 

表 3：各代發(fā)動機(jī)渦輪葉片材料對比 

2.1.1. 變形高溫合金被用作渦輪葉片材料

為滿足渦輪噴氣發(fā)動機(jī)熱端部件的要求，20世紀(jì)30年代末鎳基高溫合金開始發(fā)展。1939 年英國 Mond 鎳公司首先在 20%Cr-80%Ni 電熱合金中添加了少量 C 和 Ti 研制出了鎳基合金 Nimonic75，隨后又研究出一種含有 Al 和 Ti 合金元素的 Nimonic80合金，并于1942年將其成功的用作渦輪葉片材料。美國和前蘇聯(lián)高溫合金發(fā)展與英國相似，世界范圍內(nèi)逐漸形成了 Nimonic、Inconel、Mar-M、Udimet等一系列牌號的合金。這類合金都是通過鍛造、軋制等工序加工成航空發(fā)動機(jī)所需的渦輪葉片等部件，因此被稱為變形高溫合金。然而，隨著航空工業(yè)的發(fā)展，渦輪葉片工作溫度和強(qiáng)度不斷提升，葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度也不斷增加，使得通過鍛造成型的變形高溫合金無法滿足要求，鑄造高溫合金葉片應(yīng)運(yùn)而生。

2.1.2. 鑄造高溫合金逐漸成為主流

20 世紀(jì) 50 年代，真空熔煉和熔模精密鑄造技術(shù)的先后出現(xiàn)，使合金的性能和鑄件的質(zhì)量大幅提高，鑄造高溫合金得到迅速發(fā)展，并逐漸成為高溫合金的主流，高溫合金進(jìn)入鑄造時(shí)代。鎳基鑄造高溫合金發(fā)展可分為三個(gè)階段：

（1）在鎳基高溫合金發(fā)展初期，通過適當(dāng)調(diào)整和添加合金成分完全能夠滿足渦輪葉片材料的設(shè)計(jì)要求，而鑄造過程對改善葉片性能貢獻(xiàn)不大；

（2）隨著鎳基高溫合金的發(fā)展，僅僅靠合金成分的發(fā)展不能適應(yīng)葉片材料性能的進(jìn)一步要求，于是合金的鑄造過程控制也成為材料技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵；

（3）隨著鎳基高溫合金的繼續(xù)發(fā)展，高溫合金的使用溫度已經(jīng)接近極限，通過調(diào)整合金成分來提升合金性能的空間已變得十分有限，因此必須通過采用新工藝，如定向凝固技術(shù)來提升合金性能。

2.1.3. 定向凝固技術(shù)使渦輪葉片性能得到提高

普通鑄造獲得的是大量的等軸晶，其自身由多個(gè)晶粒組成，存在多個(gè)晶界，而晶界處雜質(zhì)較多、原子擴(kuò)散較快、原子排列不規(guī)則等缺陷，成為普通鑄造高溫合金工作過程中的薄弱環(huán)節(jié)。對高溫合金渦輪葉片的事故分析發(fā)現(xiàn)，渦輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片受到的離心力使得橫向晶界比縱向晶界更容易開裂。定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長速度，使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界，減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷。采用定向凝固高溫合金制造的渦輪葉片可承受溫度達(dá)到了1000℃，相比上一代高溫合金有了約 200℃的提升，渦輪葉片的性能得到進(jìn)一步提高。

2.1.4. 單晶高溫合金發(fā)展迅速，獲得廣泛運(yùn)用

單晶高溫合金是在等軸晶和定向凝固高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類先進(jìn)發(fā)動機(jī)葉片材料，目前單晶高溫合金已經(jīng)發(fā)展到第六代。20 世紀(jì) 80 年代初期，合金化理論和熱處理工藝得到突破，此時(shí)的工藝可以在定向凝固高溫合金的基礎(chǔ)上完全消除晶界，單晶高溫合金渦輪葉片制造技術(shù)由此誕生，渦輪葉片的承載溫度達(dá)到1030℃左右，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。

80 年代后期，第二代單晶高溫合金通過加入3%的錸元素，使得渦輪葉片的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)一步提升，持久強(qiáng)度與抗氧化腐蝕能力達(dá)到了一個(gè)較好的平衡，承載溫度再次提高30℃左右，達(dá)到了1060℃左右的水平，以 PWA1484、ReneN5 為代表的第二代單晶高溫合金在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上得到大量使用。在第三代單晶高溫合金中，以 CMSX-10 和 ReneN6 為例，通過提高原子半徑大的難熔元素的總含量，特別是加入5%以上的錸，其合金成分進(jìn)一步優(yōu)化，渦輪葉片使用溫度達(dá)到1100℃左右，顯著提高了渦輪葉片的高溫蠕變強(qiáng)度，并獲得高強(qiáng)度抗熱疲勞、抗氧化和熱腐蝕性能。

美國和日本已先后研制出第四代單晶高溫合金 EPM-102 和 TMS-138，通過添加釕，進(jìn)一步提高了合金微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加了長時(shí)間高溫下的蠕變強(qiáng)度，使用溫度提高到了 1140℃。目前，日本已成功研制了承溫能力更高的第五代、第六代單晶高溫合金 TMS-162、TMS-238。

圖 10：等軸晶、定向凝固、單晶高溫合金葉片晶體結(jié)構(gòu)對比

表 4：各代單晶高溫合金成分 

2.2. 錸被加入高溫合金用于渦輪葉片制造

第二代及之后單晶高溫合金與第一代單晶高溫合金相比，一個(gè)顯著的變化就是添加了金屬錸。錸是一種稀有元素，其熔點(diǎn)高達(dá) 3180℃，是僅次于鎢（W）的難熔金屬元素，耐熱性能強(qiáng)，在高溫下比較穩(wěn)定。錸的高溫蠕變性能優(yōu)于鎢（W）、鉬（Mo）和鈮（Nb）等難熔元素，兼具優(yōu)良的耐磨性及抗腐蝕性，非常適用于制造工作環(huán)境苛刻的航空發(fā)動機(jī)零部件，尤其對高性能渦輪葉片的研制具有重要意義。

錸是鎳基單晶高溫合金中最有效的固溶強(qiáng)化元素之一，其傾向于在 γ 基體中集中，形成的錸原子團(tuán)約 1nm 且短程有序，這種原子團(tuán)簇的強(qiáng)化能力較傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化手段更加突出。此外，錸的加入還能起到降低其他合金元素的擴(kuò)散效率、減少單晶鑄件的晶粒缺陷和表面再結(jié)晶、改善合金的抗熱腐蝕性能等作用。以國內(nèi)研制的單晶高溫合金為例，第一代單晶高溫合金DD3未添加錸，第二代單晶高溫合金 DD6添加了 2%的錸，第三代單晶高溫合金 DD9添加了 4.5%的錸。研究結(jié)果顯示，在同等溫度和壓力的測試條件下，DD9合金的蠕變斷裂壽命幾乎是DD6合金的兩倍。隨著人們對錸的認(rèn)識不斷深入，其已成為單晶高溫合金中不可或缺的重要元素，目前日本研制的最新一代單晶高溫合金 TMS238中，錸的含量已提升至6.4%。

圖 11：各代單晶高溫合金中錸用量及使用溫度 

鑒于錸在航空航天領(lǐng)域的重要性，各國均將錸視為戰(zhàn)略資源，但是其儲量稀少，加工困難，導(dǎo)致價(jià)格高昂，制約了其在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《礦產(chǎn)品摘要2023》，2022年全球錸的產(chǎn)量為58 噸，同比下降2.52%。其中智利產(chǎn)量最多，達(dá)到29噸，市場份額為50%；波蘭、美國、烏茲別克斯坦、韓國、中國產(chǎn)量分別為 9.5、9、4.9、2.8 和 2.5 噸，產(chǎn)量占比分別為 16.4%、15.5%、8.4%、4.8%和 4.3%。目前，美國通過長期合同的形式，壟斷了包括智利在內(nèi)的大部分錸供給，每年從智利、哈薩克斯坦等國進(jìn)口大量的錸資源。

圖 12：2016-2022 年全球錸產(chǎn)量 

圖 13：2022 年全球錸產(chǎn)量分布 

2016 年至今，雖然錸價(jià)格整體呈逐步下降的趨勢，但當(dāng)前仍然達(dá)到了 17000元/千克，全球錸資源儲量及產(chǎn)量的稀缺使其價(jià)格一直維持在較高水平?？紤]到我國錸資源較為稀缺，較高的價(jià)格使得含錸單晶高溫合金十分昂貴，制造成本壓力大增，對其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用形成一定程度的阻礙。

圖 14：2016 年至今錸價(jià)格 

除了儲量稀少和價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)外，錸也是有害的拓?fù)涿芘畔啵═CP）的重要形成元素，加入過量的錸對單晶高溫合金組織的穩(wěn)定性不利，還會在合金經(jīng)過長期高溫服役后降低合金的持久性能，從而加速合金的失效。因此，從第四代單晶高溫合金開始，釕（Ru）被當(dāng)作解決 TCP 的途徑加入到單晶高溫合金中。但是，釕的加入可能導(dǎo)致拓?fù)浞崔D(zhuǎn)的發(fā)生，尤其是在高溫下，會影響單晶高溫合金的蠕變斷裂壽命。此外，錸的密度為21.0g/cm3，僅次于鋨（Os）、銥（Ir）和鉑（Pt），如此高的密度與渦輪葉片設(shè)計(jì)輕質(zhì)化的趨勢相悖。因此，全球范圍內(nèi)對于渦輪葉片材料的研究從未停止。

2.3. CMC 材料有望成為渦輪葉片材料發(fā)展方向

2.3.1. CMC 材料相較高溫合金具有優(yōu)勢

基于當(dāng)前渦前燃?xì)鉁囟劝l(fā)展快于渦輪葉片承受溫度、渦輪進(jìn)口溫度已逐步接近高溫合金熔點(diǎn)、向高溫合金中加入難熔金屬元素存在各種限制等既定事實(shí)，陶瓷基復(fù)合材料（CMC）成為新一代航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的首選材料，也是未來航空發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)之一。

目前，飛機(jī)中各類先進(jìn)復(fù)合材料的用量占比已達(dá)到 50%，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域占有十分重要的地位。陶瓷基復(fù)合材料是以先進(jìn)耐高溫的陶瓷為基體，與各種具有高強(qiáng)度、高彈性的纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料。按照基體材料劃分，可以分為氧化物陶瓷基復(fù)合材料、非氧化物陶瓷基復(fù)合材料和玻璃陶瓷基復(fù)合材料，其中非氧化物陶瓷基復(fù)合材料包括碳化硅（SiC）、氮化硅（Si?N?）、氮化硼（BN）等，這類材料具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫性能優(yōu)異等特點(diǎn)。為了克服陶瓷脆性大的缺點(diǎn)，拓寬其使用范圍，需要在陶瓷基體中引入第二相材料，使之增強(qiáng)增韌。目前實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料強(qiáng)韌化的途徑有纖維增強(qiáng)和顆粒彌散等，其中纖維增強(qiáng)較為常見，主要的纖維種類包括碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維、氧化物纖維等。

圖 15：飛機(jī)中復(fù)合材料的用量 

從陶瓷基體角度來看，碳化硅擁有良好的耐高溫性、抗氧化性和力學(xué)強(qiáng)度，是目前制備高性能陶瓷基復(fù)合材料最佳的基體材料，目前較為常見的陶瓷基復(fù)合材料主要有碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiCf/SiC）和碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（Cf/SiC）。Cf/SiC 復(fù)合材料具有耐高溫和高抗熱震性能、高耐磨性和高硬度、耐化學(xué)腐蝕特性、高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能。

SiCf/SiC 復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性能、優(yōu)異的抗輻照性能和耐腐蝕性能。Cf/SiC 復(fù)合材料在高溫環(huán)境中易氧化導(dǎo)致性能下降甚至失效，在制造過程中也很難消除纖維中的氧以及確保保護(hù)涂層完全覆蓋且不破損。因此，在高溫環(huán)境中長時(shí)間重復(fù)使用的部件一般使用 SiCf/SiC 復(fù)合材料，SiCf/SiC 復(fù)合材料也被認(rèn)為是未來航空發(fā)動機(jī)最有前景的材料之一，是提高發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵材料。

圖 16：SiCf/SiC 復(fù)合材料制造的中心錐 

與鎳基高溫合金相比，SiCf/SiC 復(fù)合材料擁有顯著優(yōu)勢。

（1）更高的承溫能力：SiCf/SiC 復(fù)合材料耐溫極限比鎳基高溫合金提高約 150℃，可以提高航空發(fā)動機(jī)的效率；

（2）更低的密度：SiCf/SiC 復(fù)合材料的密度約為 3g/cm3，僅為高溫合金的 1/4-1/3，較低的密度可以顯著降低發(fā)動機(jī)重量從而大幅提高推重比；

（3）高溫下優(yōu)異的持久強(qiáng)度；

（4）靈活性高：纖維紡織技術(shù)的引入使 SiCf/SiC 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性大幅提高。此外，SiCf/SiC 復(fù)合材料在保持傳統(tǒng)陶瓷材料（氮化硅、碳化硅等）耐高溫、高強(qiáng)度和剛度、密度低、抗腐蝕等優(yōu)良性能的同時(shí)，克服了其脆性大的致命弱點(diǎn)，提高了其韌性和可靠性。

表 5：鎳基高溫合金和陶瓷基復(fù)合材料對比 

對于軍用發(fā)動機(jī)來說，提高推重比是重中之重，使用 SiCf/SiC 復(fù)合材料可以提高渦輪葉片使用溫度，進(jìn)而通過提高渦輪進(jìn)口溫度來提高推重比。對于民用發(fā)動機(jī)來說，降低油耗從而降低燃油成本則更為關(guān)鍵，使用 SiCf/SiC 復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)減重的目的，提升發(fā)動機(jī)效率，進(jìn)而減少油耗。

因此，由于 SiCf/SiC 復(fù)合材料擁有比高溫合金更高的使用溫度和更輕的質(zhì)量，擁有比陶瓷材料更高的韌性和可靠性，目前已呈現(xiàn)出從低溫向高溫、從冷端部件向熱端部件、從靜子向轉(zhuǎn)子的發(fā)展趨勢。未來 SiCf/SiC 復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部件的發(fā)展前景廣闊，潛在使用位置包括航空發(fā)動機(jī)燃燒室、高低壓渦輪（主要包括導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片及渦輪外環(huán)）、噴管等。

圖 17：陶瓷基復(fù)合材料潛在使用位置 

2.3.2. CMC 材料已被廣泛研究和應(yīng)用

從 20 世紀(jì) 50 年代開始，歐美國家已經(jīng)開展CMC在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上應(yīng)用的研究，其中法國 Snecma 公司和美國GE公司在該領(lǐng)域研究起步最早，技術(shù)成熟度和應(yīng)用程度相對較高。美國從1979年至今針對CMC材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研發(fā)投入，相繼開展了HITEMP、HSR-EPM/CPC、UEET 和 ERA 等計(jì)劃。其他發(fā)達(dá)國家也針對 CMC 材料在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用積極開展研究，主要有英國 AST 計(jì)劃、法國 ASTF 計(jì)劃和日本 AMG 計(jì)劃等。最終形成了一整套 CMC 材料力學(xué)行為及其在航空發(fā)動機(jī)部件上應(yīng)用的研究體系，直接促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的快速發(fā)展。

20 世紀(jì) 90 年代，法國Snecma公司研發(fā)了 CERASEP系列的CMC，并將該材料成功應(yīng)用在了M-88型發(fā)動機(jī)的噴管調(diào)節(jié)片上，標(biāo)志著 CMC 在航空方面的應(yīng)用已經(jīng)開始。此后，GE公司、羅羅公司和Hyper-Therm HTC公司針對CMC材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部件的應(yīng)用開展大量研究。

圖 18：CMC 材料在航空發(fā)動機(jī)熱端部件中的應(yīng)用 

關(guān)于航空發(fā)動機(jī)中 CMC材料的應(yīng)用和研究，GE公司一直走在世界前列，其進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，先后考核了渦輪外環(huán)、燃燒室火箭筒、渦輪導(dǎo)向葉片、低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片等構(gòu)件，其中最先進(jìn)入商業(yè)化批產(chǎn)的是CFM國際公司 LEAP發(fā)動機(jī)的一級高壓渦輪外環(huán)。LEAP-1A和LEAP-1B分別為空客 320neo和波音737MAX提供動力，LEAP-1C則是中國C919飛機(jī)中唯一的西方動力裝置。

2020 年初世界上最大最先進(jìn)和效率最高的雙發(fā)飛機(jī)波音777X順利完成首飛，搭載的發(fā)動機(jī)GE9X是目前世界上最大的全新一代商用航空發(fā)動機(jī)。其燃燒室和高壓渦輪部分采用了CMC材料，GE9X發(fā)動機(jī)的重量比采用高溫合金減輕約1/3，減小冷氣消耗量達(dá)15%，燃油消耗顯著降低，同時(shí)發(fā)動機(jī)推力、推重比和燃油熱效率均取得顯著提高，這在世界航空發(fā)動機(jī)發(fā)展中具有里程碑意義。

圖 19：GE9X 發(fā)動機(jī)中使用 CMC 材料的部件

飛機(jī)數(shù)量預(yù)期增長帶動航發(fā)及渦輪葉片需求

軍機(jī)在國防現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，目前我國軍機(jī)數(shù)量與美國等發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在一定差距。根據(jù)《World Air Forces 2022》，2021 年全球軍機(jī)數(shù)量總計(jì)53271架，其中美國保有13246 架，占全球近25%，中國軍機(jī)保有量僅為3285架。分機(jī)型來看，中國各類軍機(jī)數(shù)量與美國相比均相差甚遠(yuǎn)。隨著國家對軍事戰(zhàn)略重視程度的逐步提升，疊加我國軍機(jī)存在擴(kuò)編和換裝需求的預(yù)期，我國軍費(fèi)支出保持穩(wěn)定增長趨勢，由2017年的10211億元增長至2022年的14500億元，CAGR7.27%。根據(jù)相關(guān)資料，預(yù)計(jì)未來20年中國軍機(jī)需求量約為2900 架，總需求規(guī)模為2290億美元。

圖 20：2021 年中美軍機(jī)數(shù)量對比

圖 21：2017-2022 年中國軍費(fèi)支出 

表 6：未來 20 年中國軍機(jī)需求預(yù)測 

近年來，隨著民航運(yùn)力快速增長及航線網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善和優(yōu)化，中國民用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)未來 10-20 年將迎來一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。根據(jù)相關(guān)資料預(yù)測，未來20年我國航空市場將接收50座級以上客機(jī)9084架，總價(jià)值約 1.4萬億美元。其中渦扇支線客機(jī)953架，單通道噴氣客機(jī)6295架，雙通道噴氣客機(jī)1836架。

表 7：未來 20 年中國民機(jī)需求預(yù)測 

航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)最重要的組成部分，隨著國家對航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)的力度逐漸加大、“兩機(jī)”重大專項(xiàng)和“飛發(fā)分離”等政策的逐步落實(shí)以及軍機(jī)和民機(jī)需求的快速增長，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展日漸加速。2020 年，中國航空發(fā)動機(jī)市場規(guī)模受疫情影響下滑至 393.67 億元，同比下降 27.13%。此后兩年，中國航空制造業(yè)逐步從疫情中恢復(fù)，航空發(fā)動機(jī)市場規(guī)模也上升至 2022 年的 478.2 億元，同比增長 7.31%。

圖 22：2017-2022 年中國航空發(fā)動機(jī)市場規(guī)模 

未來，考慮到中國飛機(jī)數(shù)量將逐步增加，且一些中國企業(yè)已實(shí)現(xiàn)對航空發(fā)動機(jī)葉片材料及制造工藝的技術(shù)突破，國際航空發(fā)動機(jī)葉片主要市場將逐步向中國轉(zhuǎn)移，中國航空發(fā)動機(jī)葉片市場規(guī)模也將保持穩(wěn)定增長。2016-2022 年，中國航空發(fā)動機(jī)葉片市場規(guī)模由 893.4 億元增長至 1253.7 億元，CAGR5.81%。預(yù)計(jì) 2023 年，市場規(guī)模將進(jìn)一步增長至 1321.3 億元。

圖 23：2016-2023E 中國航空發(fā)動機(jī)葉片市場規(guī)模

表 8：航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片主要生產(chǎn)企業(yè) 

此前，高性能、長壽命的渦輪葉片長期被歐美企業(yè)壟斷，GE、普惠、賽峰、羅羅等國際航空發(fā)動機(jī)巨頭均有直屬渦輪葉片工廠，PCC 則是最大的獨(dú)立渦輪葉片供應(yīng)商。俄羅斯生產(chǎn)的渦輪葉片性能可以滿足要求，但是其生產(chǎn)成本較高，使用壽命也較短。經(jīng)過多年發(fā)展，國內(nèi)渦輪葉片技術(shù)進(jìn)步顯著，主要生產(chǎn)企業(yè)包括應(yīng)流股份、江蘇永瀚、萬澤股份、煉石航空和北京航材院等。

（新型材料聯(lián)盟）

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