当今时代，各大航空器的迅猛发展引领着大国之间互相博弈竞争，航空发动机作为航空器的“心脏”，已成为大国博弈核心战略赛道，是推动整个航空工业进步的关键引擎，代表着国家军工行业发展水平。当前已具备独立研制航空发动机能力，并形成产业规模的国家只有美、俄、英、法、中等少数国家。

我国航空发动机的发展历程

中国航空发动机的研制始于上世纪60年代，在1960年代至1980年代中期，我国的航空发动机主要依靠仿制结合自主研发，代表型号包括涡喷-6和涡扇-9。1980年代至1990年代末期，自主研发成为主要发展方向，代表型号包括“昆仑”发动机和“太行”发动机。我国在航空发动机的核心技术上取得了重大突破，逐步摆脱了对外部技术的依赖。进入21世纪后，我国航空发动机的研制进入多系列发动机自研生产阶段，在高推重比发动机的研发上取得了重要进展。目前，我国四代发动机关键技术能力大幅提升，五代机预研技术持续突破瓶颈，在研型号正加速转入批生产阶段。

航空发动机，这一概念大家耳熟能详，是驱动飞机飞行的动力源泉，而对于异种材料连接技术则显得尤为陌生，二者之间的渊源要从航空发动机所用的材料讲起。

制造航空发动机的材料类型

航空发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”，号称“世界上最难制造的机械设备”。它是一个国家科技、工业和国防实力的重要标志，是构成国家实力基础和军事战略的核心技术之一。航空发动机的服役环境极其恶劣，包括高温、高压、高转速、高负荷、强振动等，这对制造航空发动机所用材料类型提出更高的要求。

目前，钛基或镍基高温合金材料以其比强度高、耐高温性能优异等优势，广泛应用于制造航空发动机的核心部件，传统的耐高温钢材常应用于制造航空发动机的结构材料，而核心部件与结构承力构件之间需要紧密连接，因此，异种材料连接技术是航空发动机智能制造过程中不可或缺的核心技术之一。

异种材料连接技术涉及广泛，包括摩擦焊、钎焊与扩散焊等，下面以钛基高温合金TiAl合金与42CrMo耐高温钢的摩擦焊为例，介绍异种材料连接技术在发动机领域的具体应用。

异种材料连接技术简介

TiAl合金与传统高温结构材料相比，比强度、比模量更高，抗氧化、耐腐蚀性能更优，被认为是最具潜力替代高密度镍基高温合金的新型航空航天轻质高温结构材料。当前已经获得应用或正在进行研究的TiAl合金部件主要有：发动机涡轮叶片零部件、高速飞行器的蒙壳和启动推进器零部件等。42CrMo耐高温钢强度高、韧性好，高温时具有较高的蠕变强度和持久强度，多用于制造承力结构件材料。

TiAl合金/42CrMo钢摩擦焊接头已被用于发动机内涡轮增压器的智能制造，如下图所示。摩擦焊技术，即焊接过程中待焊接的两试件在恒定或递增压力以及扭矩的作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动产生大量摩擦热软化焊接面，并形成粘塑性金属层，在轴向压力及界面剪切力的综合作用下热塑金属被不断挤出并形成飞边，消除原始焊接界面实现冶金结合。摩擦焊技术可实现异种材料构件的高质量连接，采用摩擦焊进行大型结构件的焊接制造可以有效解决机械连接或者整体锻造后机械再加工的弊端，是国际公认的发动机制造核心技术之一。

TiAl合金/42CrMo钢摩擦焊接头及涡轮增压器焊后实物图

钛/钢异种材料连接技术的拓展应用

钛与钢异种金属复合构件兼具钛合金比强度高、耐蚀性好、韧性好、密度低及钢材料生产成本低、焊接性好等一系列优良性能，能够实现轻量化制造并充分发挥二者在性能和价格上的优势互补，应用前景广阔。然而，钛/钢异种金属由于物理和化学性能差异较为显著，尤其是线膨胀系数差异较大，使得接头残余应力较大，易导致焊缝开裂；其次Ti、Fe的互溶性极差，极易产生Ti-Fe脆性金属间化合物，并且钛和钢在高温下易氧化，且钛合金高温时易吸氢、氧和氮，导致焊接区污染脆化，从而削弱接头性能。因此，必须选择合适的焊接方法和工艺并设计和优化钎料合金组元成分来实现钛合金与不锈钢高质量连接，为钛/钢复合构件在高科技领域和工程化应用中提供科学依据和理论支撑。

针对钛/钢接头残余应力大及易产生脆性金属间化合物等难题，课题组采用了真空钎焊的方法，并根据双团簇加连接原子理论设计并制备Ti-Cu基非晶钎料，用于连接TC4钛合金和316L不锈钢。采用相似元素替换（Zr替换Ti、Ni和Co替换Cu）方法对二元共晶点[Ti-Cu₆Ti₈]Cu₃+[Cu-Cu₄Ti₈]Ti≈ Ti₅₇Cu₄₃进行成分优化，设计并制备了五种不同Co含量的Ti_43.76Zr_12.50Cu_37.49-xNi_6.25Co_x（x=0、1.56、3.12、4.68、6.24 at.%）系非晶钎料，旨在降低钎焊温度的同时有效提高接头性能。探究了钎料中Co含量和钎焊工艺参数对钎焊接头界面微观组织形貌、力学性能及断裂行为的影响规律，优化了钎料合金组元Co的含量并获得最佳钎焊工艺参数，研究了钎焊接头组织形成及元素扩散机理，基于生长动力学理论，探讨了钎焊接头钎料与母材界面反应区的生长动力学行为。

董红刚教授带领团队进行技术探讨与攻关

异种材料连接团队负责人简介

董红刚，1975年生，大连理工大学教授、博士生导师。现任大连理工大学材料科学与工程学院党委书记、三束材料改性教育部重点实验室副主任。1994年至2004年，就读于哈尔滨工业大学，获学士、硕士和博士学位。2004年就职于大连理工大学，2005年12月至2007年12月在美国威斯康星大学材料科学与工程系做博士后研究，2013年晋升为教授，长期从事高性能焊接制造领域的科研与教学工作。

担任国际先进材料学会会士（FIAAM）、中国机械工程学会焊接分会理事、青年工作组主任（2020）、计算机辅助焊接工程专业委员会副主任、压力焊专业委员会委员，中国焊接协会理事，辽宁省机械工程学会焊接分会理事，中国有色金属学会先进焊接与连接专业委员会副主任委员，辽宁省化工学会腐蚀与防护专业委员会委员，航空发动机先进焊接技术联合实验室专家委员会委员。《焊接学报》、《焊接》、《焊接技术》、《电焊机》、《China Welding》等国内杂志编委；国际杂志《Welding International》副主编。

团队成员及毕业生合影

第九届焊接科学与工程国际论坛异种材料连接团队风采（团队李鹏教授、张亮亮博士生、李超博士生）

科研道路任重道远，需更多的有志青年投身于此。董红刚教授常讲“任务出能力”，需要团队敢于担当、敢于挑战，不断创新，突破众多“卡脖子”瓶颈。研究团队在异种材料连接工艺与冶金机理、焊接材料成分设计、焊接热过程数值模拟等方向开展研究，发表学术论文180余篇。先后承担国家重点研发计划项目、973计划项目、国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、企事业单位委托项目等若干项。获辽宁省科学技术进步奖一等奖、中国机械工程学会青年科技成就奖、美国焊接学会Warren F. Savage Award、辽宁省自然科学学术成果奖一等奖等。