航空发动机，被称为现代工业“皇冠上的明珠”，而撑起这颗“明珠”的关键，是一种叫单晶高温合金的材料。

它被广泛应用于航空发动机涡轮叶片和其他热端部件，直接决定了发动机的推力、寿命和可靠性。

近日，我国航发北京航空材料研究院李嘉荣团队宣布突破航空发动机材料制备关键技术，其自主研发的第二代单晶高温合金DD6已跻身国际先进行列。

这标志着我国正式成为全球第五个掌握单晶涡轮叶片全链条技术的国家，彻底打破了国外长期的技术垄断。

一块没有“缝隙”的超级金属

单晶高温合金是以金属镍为基体，加入铬、钨、钼、铼、钽等多种合金元素，通过定向凝固、选晶成型等特殊工艺，“长”成一整块完整的晶体。

早期的航空发动机叶片，用的是普通合金，放大了看，里面是无数小晶粒拼起来的，晶粒之间有缝隙，学名叫“晶界”。

你可以理解成一面砖头墙，砖和砖之间有缝，平时没事，一到高温高压的极端环境，缝就是最容易裂开的地方。

晶界的概述图

如今的单晶高温合金则采用特殊工艺，把“晶界”消除，让整片叶片形成一个完整晶体，从根本上解决了高温下开裂、变形的问题。

单晶高温合金的代际划分

单晶合金的发展，是不断提高承温能力的过程，主要通过增加难熔元素含量和优化γ'相来实现。通常按代际划分：

01、第一代单晶高温合金

20世纪60年代，美国普惠公司率先开启了单晶高温合金的研发工作，并在70年代成功造出首款第一代单晶高温合金PWA1480。这款合金的耐高温能力，比当时的定向凝固柱晶高温合金高出25~50℃，性能实现了明显升级。

主流型号：PWA1480、CMSX-2、CMSX-3、RenéN4、SRR99等。

02、第二代单晶高温合金

从20世纪80年代开始，随着合金设计技术、制造工艺不断进步，第二代单晶高温合金正式问世。

它在第一代合金的基础上，新增了约3%的铼元素，大幅增强合金的抗高温蠕变能力，让合金在高温、受力状态下更难变形损坏，综合性能更优，很快被广泛应用在欧美各国的民用、军用航空发动机上。

主流型号：PWA1484、CMSX-4、RenéN5、RenéN6、SC180等。

03、第三代单晶高温合金

20世纪90年代，美国成功研发出第三代单晶高温合金，其耐高温能力相比第一代提升了约60℃，性能实现跨越式升级，铼的含量，达到5%～6%，同时新增了3%～6%的钌元素。

高温环境下，合金内部容易析出含铼、钨、钼的TCP相（拓扑密堆相），这种物质会严重破坏合金性能、缩短使用寿命，而钌的作用就是抑制这类有害相的生成，保障合金长期使用的稳定性。

主流型号：CMSX-10、改型含钌RenéN6、TMS-75、TMS-82+、PWA1497等。

04、第四代单晶高温合金

21世纪初，美国在第三代合金的技术基础上，研发出第四代单晶高温合金EPM-102。

这一代合金的钌含量普遍在2%～4%，部分型号还会进一步增加铼含量，或是添加铱等新型元素。主要目标是更有效地抑制TCP相（拓扑密堆相），允许使用更高含量的强化元素，并追求更高的承温能力和长期组织稳定性。

主流型号：TMS-138、TMS-162、EPM-102、MX4、CMSX-8等（多数仍处于研发阶段或初步应用阶段）。

我国单晶高温合金发展历程

我国单晶高温合金的研发比欧美国家起步要晚，在20世纪80年代才正式开始研究第一代单晶高温合金。

当时我国从零开始攻关技术，慢慢突破了单晶制备、成分调配等难题，成功研发出DD3、DD8、DD402、DD407等多款国产第一代单晶高温合金，全部拥有自主知识产权。

通过了航空发动机的试车测试，也投入了实际使用，补上了我国早期航空高温材料的技术缺口。

第一代单晶高温合金制成的涡轮整体叶盘

到了90年代末，靠着第一代合金积累的技术经验，完成了技术升级，成功研发出以DD6为代表的第二代单晶高温合金。发展至今，其性能优于或相当于欧美大量应用的第二代单晶高温合金，而且使用成本更低。目前，DD6已经成为我国应用量最大的单晶高温合金。

单晶高温合金涡轮叶片

21世纪初，第三代单晶合金DD9的问世，让我国航发材料技术迈入全球第一梯队。综合性能上，DD9全面对标甚至超越国外三代顶尖合金CMSX-10、René N6，它结构稳定、易加工焊接，高温耐受能力强劲，完美适配新一代高性能航发的复杂工况。

第三代DD9单晶合金叶片

国际上第三代单晶合金铼含量普遍高达5.4%-6%，稀有金属用量大、成本极其昂贵。而国产DD9将铼含量控制在4.5%，在不牺牲核心性能的前提下，大幅节约战略稀有资源，延续了国产合金高性价比的独特优势。

目前，DD9已成功攻克双层壁超冷涡轮叶片铸造难题，顺利实现复杂薄壁空心叶片量产，正式迈入工程化应用阶段，为新一代大推力航发落地铺路。

此外，我国正全力研发第四代单晶高温合金，部分新型合金即将进入工程试用和小批量应用阶段。如今，我国单晶高温合金技术，已达到国际先进水平。彻底告别了高端航发材料依赖进口的被动局面。系列国产单晶叶片已成功应用于多型先进航空发动机，为我国航空装备的迭代升级提供了坚实的材料支撑。

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