结构-材料-制造一体化技术如何重塑未来航空发动机的创新路径

航空发动机作为"工业皇冠上的明珠"，是国家科技实力和综合国力的重要体现。当前，全球航空发动机技术正朝着推力-能源-热管理一体化方向发展，性能上追求更强隐身、更大推力、更轻质量、更高可靠性以及智能化。未来空战模式正向着机械化、信息化与智能化融合的方向演进，对航空发动机提出了远域快速到达、更长滞空时间、全向全频隐身、更少维护维修等核心需求。在这一背景下，结构-材料-制造一体化技术通过设计、材料、工艺协同创新，把合理的单一/复合材料按照性能要求用合理的工艺放在结构合理的位置上，成为突破传统技术瓶颈的关键。

一、航空发动机发展趋势与挑战

传统航空发动机研发模式采用串行思路，设计人员大多采用均质材料，基于铸造、锻造、机械加工等传统制造工艺的可实现性，通过尺寸、形状设计获取航空发动机典型零组件结构。这种传统的"结构设计-材料选择-工艺实现"研发模式已难以满足未来航空发动机的性能需求。而结构-材料-制造一体化技术则实现了并行协同，通过深度融合设计与制造工艺，最大化发挥材料和结构的潜力。

近年来，航空发动机结构-材料-制造一体化技术呈现出三个明显的发展趋势：一是从连续刚体结构向点阵结构、柔性结构发展，从注重气动外形等宏观结构向强调功能性的微纳结构转变；二是材料应用从高温合金、钛合金等单一均质材料向树脂基、金属基及陶瓷基等复合材料转变；三是制造工艺从传统的等材制造和减材制造向增材制造等先进工艺发展。

二、结构-材料-制造一体化技术在多维度性能优化中的应用

2.1 超耐温部件的一体化实现

未来航空发动机推重比的提升直接导致工作温度急剧升高，对热端部件的耐温能力提出了更高要求。传统高温合金材料已接近其熔点极限，难以满足更高温度环境下的使用需求。

陶瓷基复合材料(CMC)由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子发展的趋势。CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用。这不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

在应用方面，CMC材料的短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。例如，碳碳复合材料在解决表面以及界面在中温时的氧化问题后，已在美国F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管等部件上得到应用。

超高温试验技术在一体化设计中扮演着关键角色。例如，湖南泰德航空公司开发的超高温滑油试验台能够模拟-50℃至300℃的温度范围，压力模拟范围覆盖0-10MPa，为高温部件的验证提供了必要条件。这类试验台通过模拟航空发动机润滑系统在极端工况下的运行状态，为航空动力系统的可靠性筑牢第一道防线，实现了在装机前对滑油泵、流量控制阀、过滤器等核心部件进行"极限体检"，提前暴露高温碳化、密封失效、流量失控等致命故障。

2.2 轻量化结构的一体化实现

轻量化是航空发动机永恒追求的目标，结构-材料-制造一体化技术为实现更高程度的轻量化提供了新的解决方案。

树脂基复合材料在航空发动机冷端部件上得到了广泛应用。与传统的钢、铝合金结构材料相比，它的密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，且比强度与比模量远高于后二者。在风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等部件上使用树脂基复合材料，可显著减轻发动机重量。

增材制造技术为实现轻量化结构提供了工艺保障。中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心围绕航空发动机、飞机、燃气轮机、火箭发动机等复杂结构、承力结构、新型材料的增材制造成形技术需求，开展了一系列研究工作。该中心拥有激光选区熔化、激光直接沉积、电子束选区熔化、电子束熔丝沉积四种增材制造工艺手段，建有配套齐全的增材制造工艺、后处理、检测分析等研究设备。

拓扑优化与点阵结构是一体化轻量化设计的重要方法。通过拓扑优化，可以在保证性能的前提下最大限度地减少材料使用；通过点阵结构设计，可以实现极高的比强度和比刚度。南京航空航天大学等单位研发的"航空发动机涡轮叶片仿生结构设计与精准制造技术"，面向新一代航空发动机高温合金涡轮叶片等热端部件的精准制造难题，开展双层壁仿生涡轮叶片结构设计与制造一体化成形技术基础研究，突破轻质高强陶瓷全仿生结构设计和涡轮叶片精准制造等关键技术。

2.3 高可靠性的一体化实现

高可靠性是航空发动机安全运行的基石，结构-材料-制造一体化技术从设计源头提升部件的可靠性和寿命。

整体化设计是提高可靠性的重要途径。传统多零件组装的结构存在连接部位，这些部位往往是应力集中点和潜在故障源。通过一体化设计和制造，可以减少零件数量，消除连接部位，提高整体可靠性。湖南泰德航空在航空燃油泵研发中，通过整体结构设计和精密制造技术，显著提高了燃油泵在高温、高压条件下的工作可靠性。

数字孪生技术为高可靠性提供了实现手段。基于数字孪生构建虚拟试验台，通过预演测试路径减少实物调试次数，AI算法自动优化复杂工况组合（如爬升-巡航-机动循环加载），提升数据密度与研发效率。湖南泰德航空的超高温滑油试验台即采用了数字孪生技术，实现"虚拟调试-实物测试"闭环，将传统试验周期缩短40%，大幅提升研发效率。

材料-结构-功能一体化设计使部件具备自我诊断和自我调整的能力。例如，通过在内置传感器，可以实时监测部件的状态，提前发现潜在故障；通过形状记忆合金等智能材料的应用，可以使部件根据工作条件自动调整形状，优化工作状态。

2.4 智能化构件技术

在高动态、强对抗的未来空战环境中，战斗机智能化程度高低将成为决定战场胜负的关键变量，由此也对未来航空发动机提出了智能化需求。高效、多维、全方位的信息智能感知是智能化的首要关键技术。未来航空发动机应具备高可靠、强实时环境感知能力，并能够实现结构的自主调整，同时赋予发动机自主损伤评估与修复能力。探索开展基于形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷等智能材料和4D打印等先进工艺的柔性智变风扇导向叶片、尾喷管等零件结构研究，实现叶片叶型、尾喷管形状的主动变形调控，使发动机在更宽范围内保持更高工作效率。

此外，在高温、高压的服役环境下，航空发动机零组件易受损伤，其检测维修存在定位难、周期久的问题，开展自修复/自愈合材料的研究势在必行。一方面可以研发本体具备自愈合/自修复特性的新材料，例如在复合材料内部预置修复剂，在结构出现损伤或者细微裂纹时释放，实现自修复；另一方面可以借助先进工艺实现结构与功能的一体化制备，例如通过增材制造技术在零件内部嵌入微型传感器、形状记忆合金，当感知零件产生微裂纹时，形状记忆合金可以通过相变闭合裂纹。

三、航空发动机材料的创新与选择策略

3.1 航空发动机关键材料的最新突破

航空发动机材料技术近年来取得了一系列突破，为结构-材料-制造一体化技术应用奠定了基础。

高温合金领域，镍基单晶高温合金的承温能力不断提升，通过合金化设计和工艺优化，最新一代单晶高温合金的承温能力已达1100℃以上。此外，通过添加铼、钌等元素，进一步提高了高温合金的高温强度和抗蠕变性能。

复合材料领域，陶瓷基复合材料(CMC)和碳碳复合材料的突破最为显著。CMC材料的使用温度可达1500℃以上，比镍基高温合金提高约300℃，而密度仅为高温合金的1/3。美国GE公司在LEAP发动机中大量使用CMC材料，成为航空发动机材料技术的重要里程碑。

增材制造专用材料也成为研发热点。针对增材制造工艺特点，材料科学家开发了适用于激光选区熔化、电子束熔化等工艺的专用合金材料，这些材料在快速凝固条件下仍能保持良好的组织性能和力学性能。中国航发北京航空材料研究院已在航空先进金属材料及复杂结构增材制造技术方面取得主要研究进展。

3.2 航空发动机材料选择的关键考量

航空发动机材料选择需综合考虑多种因素，是一个复杂的多目标优化决策过程。

高温性能是热端部件材料选择的首要考虑因素。材料必须能在高温工作环境下保持足够的强度、抗蠕变性能和疲劳性能。涡轮叶片等 hottest section 部件的工作温度已超过大多数金属材料的熔点，必须采用复杂的冷却技术和高温性能优异的超级合金或复合材料。

比强度与比刚度对转动部件尤为重要。高比强度的材料可以减小离心应力，高比刚度的材料有利于保持气动外形和提高振动特性。钛合金因其优异的比强度和比刚度，在压气机叶片和机匣等部件上得到广泛应用。

抗腐蚀与抗氧化性能直接关系到部件的使用寿命。航空发动机工作环境中存在氧气、盐分、硫等腐蚀性介质，在高温下腐蚀问题更为突出。因此，材料需要具备良好的抗腐蚀和抗氧化能力，或通过表面处理技术提升这些性能。

可制造性在一体化设计中尤为关键。材料的可制造性包括成形性、加工性、连接性等，直接影响零件的制造周期、成本和质量。例如，陶瓷基复合材料具有优异的耐温性能，但其制造周期长、成本高、可修复性差，限制了其广泛应用。

四、燃油泵/阀等控制元件的创新与应用

燃油泵/阀作为航空发动机的"心脏"，其性能直接影响发动机的可靠性、效率和安全。在结构-材料-制造一体化理念的推动下，燃油泵/阀技术经历了重大创新。

高速电机技术与燃油泵的一体化设计是重要创新方向。高速电机的高转速特性可直接驱动燃油泵，省去了传统传动系统中的减速装置，不仅提高了系统效率，还显著降低了机械故障率。湖南泰德航空在航空燃油泵研发中，将高速电机与燃油泵一体化，开发了系列化航空燃油用高速电机泵组，成功实现减重30%以上，并提高了响应速度。

智能控制技术提升了燃油泵/阀的精确控制能力。现代燃油控制系统采用前馈控制和PI控制结合的智能控制算法，根据燃油泵控制模式信息、燃油泵电磁阀前馈控制占空比信息以及燃油泵电磁阀PI控制占空比信息生成燃油泵电磁阀占空比综合控制信息，实现合理精确控制燃油泵输出压力。

新材料应用显著提升了燃油泵/阀的寿命和可靠性。湖南泰德航空基于航空燃滑油泵阀元件研发中积累的材料科学经验，为其高速电机转子材料的优化选择提供了宝贵参考。通过采用高等级永磁体，通过碳纤维护套或钛合金保护套进行加固，确保在超高转速下不发生磁体脱落或结构失效。

双作用常闭电控单体泵等创新设计提高了系统的安全性。这类燃油泵采用常闭型燃油控制阀，在未上电时为常闭状态，上电后，泄油锥阀打开泄油油路，可解决发动机掉电等情况下燃油的供给问题。通过对泄油锥阀处燃油油路的改造，将油路设计为阶梯型，改变了阀两端所受燃油压力的面积，当电磁阀出现故障时，过高的燃油压力会推开泄油锥阀，完成泄油卸压功能，提高了燃油泵的稳定性和安全性。

五、结论与展望

结构-材料-制造一体化技术正在深刻变革航空发动机传统的设计与制造模式，为未来航空发动机性能跃升提供全新路径。通过一体化技术应用，航空发动机在超耐温、轻量化、高可靠性、强隐身和智能化等方面取得了显著进展。

未来，随着增材制造、数字孪生、人工智能等技术的发展，结构-材料-制造一体化技术将在航空发动机研发中发挥更加重要的作用。多物理场协同优化将成为技术突破的关键，通过电磁、机械、热、流体等多学科的协同优化，挖掘航空发动机的性能潜力。

为进一步推动结构-材料-制造一体化技术在未来航空发动机上的实际应用，加快技术成熟，需要系统开展典型构件的分级验证，充分获取元件级特征结构单元的性能数据，降低零部件级、整机级验证风险。同时，需要不断推动拓扑优化、多学科一体化、点阵结构、仿生结构等一系列创新性设计方法在航空发动机结构设计中的应用，促使设计人员形成面向先进材料、先进工艺的正向主动设计思维方式。

随着中国在航空发动机技术领域的持续投入和创新，结构-材料-制造一体化技术将为国产航空发动机实现"弯道超车"提供技术支撑，助力中国航空产业在全球竞争中占据先机。

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