航空發動機產業鏈各環節梳理

航空發動機產業鏈主要包括發動機主承包商、子系統供應商、小部件及零組件供應商、原材料供應商四個層次，涵蓋研發設計、加工制造和運營維護三大環節。

1.零部件

燃氣渦輪發動機一般是由燃氣發生器（壓氣機、燃燒室、渦輪）、進排氣管（進氣道、尾噴管）、滑油系統、燃油系統、空氣系統、電氣系統及附件傳動部件組成，此外還有減速器和動力渦輪（渦輪螺旋槳發動機和渦輪軸發動機），風扇和低壓渦輪（渦輪風扇發動機）等部件。按照零部件結構形式的不同，發動機零部件可分為盤類件、軸類件、鼓筒、環形機匣及環形件、箱式機匣和葉片等。零部件按毛坯提供方式可以分為鍛件、鑄件和鈑金件。現代航空發動機結構極為復雜，一般而言，單個民用航空發動機零部件數量接近兩萬件。

高性能航空發動機要求在極有限的自重與工作空間、極惡劣的工作條件下保證長期可靠的工作性能，大量采用了復雜的整體輕量結構，同時大量應用了高性能鈦合金、高溫合金以及復合材料等難加工材料，對制造技術要求極高。先進工藝技術貫穿在航空發動機的整個研制生產過程甚至全壽命周期，裝備是工藝技術的載體，只有掌握了先進的工藝和裝備技術，才能滿足制造高性能航空發動機的需求。

航空發動機典型零部件從成形制坯到加工制造的完整工藝技術鏈一般包含不同的工藝方法，由多個工藝和工序組成，涉及冷成形、熱成形、熱處理、機械加工等專業，上下游工藝和工序間的影響不可忽略，最終產品質量問題是全工藝周期各階段、各工序等綜合作用的集中體現。除通用機械加工制造技術之外，現代航空發動機制造特別關注的主要制造技術包括先進金屬成型技術、先進焊接技術、特種加工技術、增材制造技術和表面處理技術。

鑄造和鍛造是最基本的熱加工成形技術，大多數航空關鍵零件是采用鑄造或鍛造技術來生產毛坯的。相比于鑄造，經過鍛造的金屬坯料組織變得更加致密，力學性能得到增強，同時鍛造加工保證了金屬纖維的連續性，具有更長的使用壽命，所以針對同種材料，鍛造零件的力學性能一般優于采用鑄造工藝制備的零件，但是鑄造的優點在于可以大量生產形狀復雜、用鍛造工藝或者機加工很難生產的零件，尺寸精度高，機加工余量小且經濟性好。目前航空發動機機的零部件鍛件毛坯占毛坯總重量的一半以上。

“近凈成形”是目前先進金屬成型技術的發展方向，毛坯制成后不再冷加工或者只需少量冷加工就可用作最終使用零件，提高了材料使用率，縮短了加工周期。先進金屬成型技術主要包括了精密鑄造、精密鍛造、精密旋壓和粉末冶金等技術，其中精密鑄造技術廣泛應用于空心薄壁、型腔復雜的渦輪葉片制造，精密鍛造技術廣泛運用于壓氣機葉片，根據《航空發動機葉片精鍛成形可靠性技術》數據，全球約超過90%的航發葉片使用精鍛制造技術進行生產，精密旋壓技術在整流罩、燃燒室錐體、壓氣機外殼等零件上得到廣泛應用，粉末冶金技術廣泛用于渦輪盤制造。

增材制造技術是基于零件的數字模型將復雜的三維零件分解成多層簡單二維結構，然后逐層制造累加，最終實現零件的三維實體，也稱為 3D 打印技術。該技術改變了傳統的毛坯-加工-處理-裝配的工藝路線，能夠直接實現復雜結構的制造，在保證零部件性能的同時，簡化工藝流程，縮短研制周期。目前航空發動機制造商和零部件供應商已將增材制造技術用于開發商業化的零部件，并不斷擴大在航空發動機上的應用。

特種加工技術是指加工過程中不需要利用比工件更硬的工具，也不需要施加明顯的機械力，而是直接利用電能、熱能、化學能、光能或者它們的組合，使工件材料被去除或改變性能，達到所需的形狀、尺寸和表面質量要求。目前常用于先進航空發動機中的特種加工技術包括電加工、高能束流加工以及特種能源加工，其中電加工和高能束流加工被用于渦輪葉片氣膜孔的加工，電加工還廣泛應用于難切削復雜結構（整體葉盤、機匣、火焰筒等）的成形。

焊接是一種優質高效的實現永久性連接的工藝方法，焊接方法從傳統的電弧焊、釬焊，發展到先進的激光、電子束等高能束流焊和摩擦焊等固相焊。電子束焊是采用高速、高能量密度的電子束流作為熱源進行焊接的工藝，具有深寬比大、焊接殘余變形小、焊接工藝參數容易實現精確控制、在真空環境下焊縫純凈等特點，廣泛應用于發動機整體轉子、機匣和軸等重要結構的焊接。摩擦焊是利用摩擦生熱的原理實現零件焊接的技術，接頭強度和可靠性高，是承受較高應力零部件的較為可靠的焊接方法，用于航空發動機制造領域的摩擦焊技術主要包括慣性摩擦焊和線性摩擦焊，慣性摩擦焊需要待焊零件的一端通過旋轉來完成，因此適合航空發動機盤軸類零件的焊接，線性摩擦焊被用于將葉片焊接到葉盤上形成整體葉盤。

為了改善零部件的表面狀態，滿足零部件耐腐蝕、耐磨、耐氧化和耐高溫等特殊功能性要求，提高零部件的服役壽命等，需要對零部件表面進行處理，航空發動機中常用的表面處理技術主要包括化學處理、表面強化和涂層技術。化學處理是通過腐蝕、電鍍、陽極化等化學處理手段改善材料表面狀態的一種表面改性工藝。表面強化是通過表層塑性變形，在零件表面形成高殘余應力，提高表面應力集中的“冷變形”工藝，主要用于渦輪盤、壓氣機盤、葉片等的表面噴丸強化。涂層可分為封嚴、耐磨、熱障等涂層，其中封嚴涂層可用于機匣組件，耐磨涂層可用于軸類零件，熱障涂層可用于渦輪葉片。

2.材料

由于航空發動機長時間工作于高溫、高壓和高轉速的惡略環境下，對于材料的性能提出了極高的要求，通過總結航空發動機過去的發展歷史，可以說一代新材料引領一代新型發動機，根據《先進材料在航空航天中的應用》數據，在未來航空發動機性能的提高中，新材料貢獻率將達到50%以上。航空發動機結構演進的目標是提高推重比、功率重量比，增壓比和渦輪前溫度，這些性能指標的提升要求航空發動機材料具備高比強度以及耐高溫性。在航空發動機渦輪和風扇設計水平相同的前提下，渦輪前溫度每提高100攝氏度，發動機推力增加 15%，提高渦輪前溫度可直接提升航空發動機的綜合性能，推重比15~20 以上的發動機，渦輪前溫度最高達 2227~2470℃，航空發動機材料的耐高溫性能顯得尤其重要。

目前航空發動機的主要材料包括高溫合金、鈦合金、復合材料、鋁合金和結構鋼等，按重量占比看，高溫合金占 55%~65%，鈦合金占 25%~40%，鋁合金和鋼占 10%，復合材料占比低是由于其低密度優點造成的。高溫合金是能夠在 600℃以上的高溫環境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應力條件下長期工作的金屬材料，是燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的關鍵材料。鈦合金相比高溫合金、鋼等金屬材料，具有低密度、高比強度、抗疲勞、耐腐蝕、工作溫度范圍寬等優良性能，輕質高強，減重效益顯著，是航空發動機低溫部件的主要材料。復合材料具有重量輕、強度高、模量大等特點，目前在航空發動機中使用最廣泛的復合材料有用于低溫部件的樹脂基復合材料，用于高溫部件的陶瓷基復合材料、碳-碳基復合材料和金屬基復合材料等。

四代戰斗機及未來的隱身飛機對發動機的隱身性提出了較高的要求，發動機產生的雷達散射信號和紅外輻射信號占整個飛機尾部方向特征信號的 95%以上，如果發動機不能實現后向的隱身，則隱身飛機無法實現全方位的隱身，其作戰能力將大打折扣，隱身材料的應用可以在不改變結構設計的前提下降低紅外輻射和雷達散射截面（RCS），F119 和 F135 發動機就采用了大量的隱身涂層，比如紅外隱身涂層和雷達吸波涂層。

3.控制系統

航空發動機的工作過程是極其復雜的氣動熱力過程，航空發動機隨著其環境條件（如高空低速飛行、強氣流沖擊、武器發射等 ）和工作狀態（如慢車、巡航、加力、加速及減速狀態等）的變化，它的氣動熱力過程將發生很大的變化，發動機可能會出現壓氣機喘振、燃燒室熄火、加力燃燒室振蕩等不穩定的工作情況。航空發動機控制系統通過對發動機主燃燒室和加力燃燒室燃油量、靜子葉片位置、放氣閥開度以及尾噴口面積等參數的控制，實現發動機在任何環境條件和工作狀態下都能穩定可靠的運行，并充分發揮其性能效益。

航空發動機控制系統從 20 世紀 40 年代簡單的液壓機械控制、液壓機械+電子控制，發展到現代的全權限數字電子控制（FADEC），并向智能/分布式控制方向發展。這一發展的特點可歸納為，由單變量控制系統發展到多變量控制系統，由機械液壓式控制系統發展到數字式電子控制系統，由進氣道、發動機及尾噴管各部分單獨控制發展到三者組成的推進系統綜合控制以及飛行/推進系統的綜合控制，由集中式控制系統發展為分布式控制系統。

航空發動機全權限數字電子控制系統（FADEC）是一種以計算機為核心的控制系統，不僅能夠實現從發動機起動、運行、停車的整個運行過程的全部控制功能，保證發動機一直保持在最優條件下運行，而且集成了發動機故障診斷屬性，及時發現發動機的“病變”。FADEC 主要由控制計算機子系統、傳感器子系統、燃油與作動子系統、電氣子系統等部分組成。控制計算機子系統分為電子控制器（EEC）和嵌入式軟件兩部分，共同負責處理來自傳感器和開關裝置的信號，經過各種算法和控制邏輯的計算后輸出驅動控制信號，經電纜傳輸給相應的液壓機械裝置。燃油與作動子系統包括燃油子系統和伺服作動子系統，燃油子系統包括燃油泵（增壓泵、主泵、加力泵和伺服泵）、燃油計量裝置、燃油濾、燃油管路、噴嘴等，伺服作動子系統包括伺服控制單元、伺服作動器及相應附件。傳感器子系統包括控制用傳感器和狀態監視用傳感器等。

燃油系統涉及發動機的燃油供給以及以高壓燃油為液壓動力的作動系統，燃油系統的本質屬于控制系統的執行環節，其任務是將電子控制器的指令轉換為實際的燃油流量和幾何位置或角度，其中燃油計量裝置 、風扇導葉控制執行機構、壓氣機導葉控制執行機構、噴口喉道控制執行機構、矢量噴管控制執行機構都是以燃油為介質的液壓機械作動裝置，用以實現位置或油量的調節功能，增壓泵、主泵、加力泵和伺服泵等燃油泵主要負責供油和增壓，燃油泵將飛機油箱來油增壓到一定水平，并將其分為兩股，一股是送往燃燒室的主燃油，另一股則是為執行機構提供動力的伺服燃油。

未來 FADEC 系統將向主動控制、智能控制和分布式控制的方向發展。另外通過采用電動燃油泵、作動器系統和先進的電子硬件，可以提高 FADEC 系統硬件的可靠性，通過采用先進的控制邏輯和設計方法，并與其他機載系統（進氣道控制系統、飛控系統、火控系統等）相綜合，能夠獲得更好的系統性能和提高控制品質，同時控制系統的壽命將進一步提高，從而降低系統的研制和使用成本。