航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。
　　高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為航空發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達50%以上。
　　自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功，迄今為止，我國高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個階段。
　　第一個階段：從1956年至20世紀70年代初是我國高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列，如：GH4033，GH4049，GH2036，GH3030，K401和K403等。
　　第二個階段：從20世紀70年代中至90年代中期，是我國高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號的發(fā)動機，提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。
　　第三階段：從20世紀90年代中至今，是我國高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開發(fā)了一批新工藝，研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新合金。
　　目前，我國的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、 北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機械集團萬航模鍛廠（二重）等。在此基礎(chǔ)上，我國已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。
　　在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%~60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
　　燃燒室
　　燃燒室是動力機械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃氣溫度在1500℃~2000℃之間，因為其余的空間有壓縮空氣流動，所以燃燒筒合金材料的承受溫度一般在800℃~900℃以上，局部達1100℃。因此，燃燒筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃氣腐蝕性能，以及良好的冷熱疲勞性能。
　　燃燒室使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主。例如第三代戰(zhàn)斗機F100發(fā)動機選用Haynes 188鈷基高溫合金，F(xiàn)110、F404和F414發(fā)動機則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。但是隨著飛機推重比的提高，對燃燒筒材料也提出了新的要求。第四代戰(zhàn)機燃燒筒主要是鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱脹涂層，并且采用新的燃燒室結(jié)構(gòu)，如F119和F135采用了浮動壁結(jié)構(gòu)，而F136發(fā)動機采用了Lamilloy結(jié)構(gòu)。到了第五代戰(zhàn)機，多使用Lamilloy結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐高溫1482℃陶瓷復(fù)合材料和熱脹涂層。因此，為了適應(yīng)航空發(fā)動機新的推重比的要求，研發(fā)全新材料基體和制備工藝的高溫合金是目前航空航天領(lǐng)域的迫切需求。
　　導(dǎo)向葉片
　　導(dǎo)向葉片是渦輪發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一，但由于它是靜止的，所受的機械負荷并不大。通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過燃引起的燒傷，會使導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件，要求材料要具有足夠的持久強度及良好的熱疲勞性能和較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。
　　因此，鑄造高溫合金即成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。美國Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作為導(dǎo)向葉片的材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中。此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)的制造也采用了氧化物彌散強化高溫合金。
　　渦輪盤
　　渦輪盤在工作中受熱不均，盤的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力，所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此，對渦輪盤材料的要求則需合金應(yīng)具有高的屈服強度和蠕變強度，以及良好的冷熱和抗機械疲勞性能，同時線膨脹系數(shù)要小，無缺口敏感性，具有較高的低周疲勞性能。
　　粉末高溫合金是現(xiàn)代高性能發(fā)動機渦輪盤的必選材料。1965年，高純預(yù)合金粉末技術(shù)被研發(fā)出來，此后，美國P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先開創(chuàng)了粉末高溫合金盤件用于航空發(fā)動機的先河；1972年，IN100粉末高溫合金渦輪盤被用于F100發(fā)動機上，開啟了粉末高溫合金的實際應(yīng)用階段。
　　我國的粉末高溫合金的研究起步于20世紀70年代后期，在后續(xù)的發(fā)展過程中，根據(jù)國家型號需求，陸續(xù)開展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制，其中FGH95是目前強度最高的粉末高溫合金，最高使用溫度達650℃，主要用于制備發(fā)動機的渦輪盤擋板以及直升機用渦輪盤。
　　目前在粉末高溫合金領(lǐng)域，美國、俄羅斯、英國、法國、德國、加拿大、瑞典、中國、日本、意大利以及印度等國均開展了研究工作，美國、俄羅斯、英國、法國、德國和中國等國已掌握了工業(yè)生產(chǎn)工藝，其中僅有美國、俄羅斯、法國和英國能獨立研發(fā)粉末高溫合金，并建立了自己的合金牌號。
　　渦輪葉片
　　渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動機上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然它的工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些，但是受力大而復(fù)雜，工作條件惡劣，因此對渦輪葉片材料具有很高的要求，要求材料具有高的抗氧化和抗腐蝕能力、高的抗蠕變和持久斷裂的能力、良好的機械疲勞和熱疲勞性能及良好的高溫和中溫綜合性能。
　　渦輪葉片用材最初普遍采用變形高溫合金，但隨著材料研制技術(shù)和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。美國從20世紀50年代后期開始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片，前蘇聯(lián)也在60年代中期開始應(yīng)用鑄造渦輪葉片，英國則在70年代初采用了鑄造渦輪葉片。
　　在航空發(fā)動機不斷追求高推重比的前提下，促使國內(nèi)外自上世紀70年代以來，一直在研制新型高溫合金，先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料，其中單晶高溫合金材料成為目前主流的渦輪盤材料。
　　單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類先進發(fā)動機葉片材料。20世紀80年代初期以來，第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動機上獲得廣泛應(yīng)用。80年代后期，以PWA1484、ReneN5為代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進航空發(fā)動機上得到大量使用，目前美國的第二代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應(yīng)用在軍民用航空發(fā)動機上。90年代后期，美國研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10，之后，GE、P&W以及NASA合作開發(fā)了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國和英國也分別研制單晶高溫合金，并實現(xiàn)了工程應(yīng)用。近年來，日本又相繼成功地研制了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。
　　我國的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世紀80年代初率先開始研究的，并成功研制出我國第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6，并廣泛應(yīng)用于多種型號的先進航空發(fā)動機上。此外，我國的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室研制的DD9與DD10，中國科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33，中國科學(xué)院金屬研究所研制的DD90。第四代單晶高溫合金是由中國科學(xué)院金屬研究所研制的DD22。第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。這些材料目前僅限于實驗室的研發(fā)階段。
　　隨著以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機陸續(xù)進入列裝，對WS-10發(fā)動機的需求也日益增長；隨著國產(chǎn)大型運輸機運-20的列裝，大涵道比發(fā)動機也將進入量產(chǎn)，這將直接驅(qū)動航空發(fā)動機用高溫合金的快速發(fā)展。為了提升高溫合金材料技術(shù)，工信部在發(fā)布的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》中明確要求,突破高溫合金等材料技術(shù)，為了滿足我國航空發(fā)展對高溫合金材料的要求。
　　因此，面對航空航天的迫切需求，進行高水平、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展和研制工作，穩(wěn)定現(xiàn)有體系產(chǎn)品的性能和質(zhì)量是我國科研機構(gòu)和相關(guān)部門今后將關(guān)注的重點，同時，研究和探索工作溫度超過1100℃以上的后繼新高溫材料，完善我國的高溫合金體系也將是后續(xù)研發(fā)的關(guān)鍵。此外，在完善高溫合金體系的同時，也需要建立和完善我國航空用高溫合金的標準。通過開展標準化基礎(chǔ)研究，加強新材料研制中的標準化，提高標準制修訂的先進性和適用性，完善通用材料標準，加強制定材料配套標準，從而更好地滿足我國航空航天發(fā)動機生產(chǎn)和發(fā)展的需要。也只有依據(jù)完善的標準體系，大力發(fā)展新材料，改進舊材料的性能，完善制備工藝，才能縮短與其他高溫合金領(lǐng)先國家如美國、日本、法國等的差距，提高我國在航空航天領(lǐng)域的競爭力，確保我國在國際事務(wù)中的話語權(quán)。