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中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料重大突破 壽命優(yōu)于美2個(gè)量級(jí)

發(fā)布日期:2016-06-23??來源:新華報(bào)業(yè)網(wǎng)我要投稿我要評(píng)論

長期從事高溫結(jié)構(gòu)材料研究的中國科學(xué)院金屬研究所袁超研究員認(rèn)為:“陳光教授團(tuán)隊(duì)采用納米孿晶強(qiáng)韌化方法制備的單晶TiAl不僅強(qiáng)度高,室溫塑性更是超過6.9%,屬于金屬間化合物研究的重大突破。一方面,這種發(fā)現(xiàn)有可能應(yīng)用于其他金屬間化合物,引領(lǐng)新一輪金屬間化合物研究熱潮,具有重大理論意義。另一方面,高塑性為其真正工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ),具有重大工程意義”。并指出:“該成果是中國原創(chuàng),絕對(duì)世界領(lǐng)先。建議國家加大支持力度,盡快完成該合金全面性能測(cè)試,真正應(yīng)用于我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片制造”。

中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料

陳光教授(資料圖)

南京理工大學(xué)材料評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)教育部工程研究中心主任、金屬納米材料與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任,二級(jí)教授,博士生導(dǎo)師。中國新材料技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長、中國材料研究學(xué)會(huì)金屬間化合物與非晶合金分會(huì)理事、江蘇省中青年科技領(lǐng)軍人才、江蘇省十大優(yōu)秀專利發(fā)明人、Intermetallics(金屬間化合物)客座編輯、第六屆(2005年)和第九屆(2016年)金屬間化合物與先進(jìn)材料國際研討會(huì)主席。

作為第一主研人主持完成的成果中,榮獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省科技一等獎(jiǎng)2項(xiàng),并榮獲中國發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)·人物獎(jiǎng)、先進(jìn)金屬間化合物與先進(jìn)材料國際研討會(huì)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

鈦鋁合金簡介(據(jù)中國航空?qǐng)?bào))

TiAl基合金密度低,彈性模量高,綜合性能指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)高溫合金,韌性又高于普通的陶瓷材料,在航空航天材料中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景,成為新一代高溫材料的代表之一,被當(dāng)做高推重比先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料。歐美和日本等國已相繼在鈦鋁合金向先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究方面取得深入的進(jìn)展,運(yùn)用先進(jìn)的工藝方法,相繼研發(fā)出高壓壓氣機(jī)葉片等零部件,并已交付發(fā)動(dòng)機(jī)裝配測(cè)試。

背景

自鎳基合金的研制成功以來,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用得到了很大的推進(jìn)。通過改進(jìn)和發(fā)展鎳基超合金和鈦基合金,以及應(yīng)用先進(jìn)的制造工藝,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到了不斷的提高。然而,隨著推重比和渦輪前端溫度不斷提高(表1),渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪級(jí)數(shù)逐漸減少,單級(jí)負(fù)荷不斷增大,零件的應(yīng)力水平越來越高,工況越趨惡劣,葉片等關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)也越趨復(fù)雜,已將傳統(tǒng)的兩種主要高溫結(jié)構(gòu)材料鎳基合金和鈦基高溫合金的使用性能提高到其極限水平,因此必須尋求更先進(jìn)、更可靠的材料和工藝才能滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

γ-TiAl基合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能,而且密度低,彈性模量高(表2),綜合性能指標(biāo)優(yōu)于不銹鋼和鎳基等傳統(tǒng)的高溫合金,而其韌性又高于普通的陶瓷材料。此外,鈦鋁合金的膨脹系數(shù)可與低膨脹系數(shù)的鎳基合金相比,易燃性也低于鎳基合金。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為航空、航天、飛航導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件的最具競爭力的材料。

TiAl合金應(yīng)用現(xiàn)狀

TiAl基合金目前實(shí)際應(yīng)用的最大障礙一方面是該類合金的室溫脆性、難變形加工性,另一方面則是850℃以上的抗氧化性不足,制約了TiAl基合金的應(yīng)用和推廣。近期內(nèi)發(fā)展起來的高Nb-TiAl系金屬間化合物在高溫強(qiáng)度及抗氧化性方面已取得了很大進(jìn)展,高熔點(diǎn)組元Nb的加入提高了合金的熔點(diǎn)和有序溫度,從而使合金的使用溫度達(dá)到900℃以上,使得該體系合金顯示出具有代替鎳基合金的潛能。然而,高鈮合金化在大大提高TiAl合金的室溫和高溫強(qiáng)度的同時(shí),也進(jìn)一步降低了其室溫和高溫塑性,尤其是高溫塑性比普通TiAl基合金更低?!?br />
20世紀(jì)90年代以來,世界各國的研究者都把熱塑性加工技術(shù)的研究和開發(fā)作為TiAl基合金的研究重點(diǎn),長期以來TiAl基合金的熱塑性加工及其相關(guān)領(lǐng)域的研究十分活躍。對(duì)TiAl合金進(jìn)行大變形量熱塑性加工,可以大幅提高TiAl合金的室溫塑性,而經(jīng)過塑性加工后的鍛坯,由于具有細(xì)小而均勻的顯微組織,也能夠進(jìn)一步滿足等溫鍛造成形的需要。進(jìn)過熱塑性加工的TiAl合金,通過一定的熱處理工藝,可以獲得各種不同的綜合性能,從而滿足工程應(yīng)用?!?br />
美國GE公司將鑄造的全套98件低壓渦輪葉片安裝在大型商用運(yùn)輸機(jī)CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)上,通過了1000個(gè)飛行周期的考核試車。蒂森(Thyssen)與羅羅公司(Rolls-Royce)成功的鍛造出發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片,所使用的合金成分為Ti47Al3.7(Nb,Cr,Mn,Si)0.5B;日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片,該合金具有較好的高溫塑性,該公司還開發(fā)了Ti42Al5Mn合金,并且采用鍛造后機(jī)械加工的方式制造出渦輪葉片等零件;羅羅使用TNB合金系生產(chǎn)出了高壓壓氣機(jī)葉片,并且將這種葉片交付發(fā)動(dòng)機(jī)裝配進(jìn)行測(cè)試。

TiAl合金應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

鈦鋁合金在航空航天用材料中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景,成為先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計(jì)劃在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金,將減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量200~300千克以上??罩锌蛙嚭筒ㄒ艄菊铝τ谔岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)的推比,低壓渦輪減重潛力最大,在不久的將來渦輪后部轉(zhuǎn)子葉片將采用鈦鋁合金葉片。分析表明,未來發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)對(duì)γ-TiAl低壓渦輪葉片的年需求量高達(dá)一百萬件,將代替目前先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最后一級(jí)較重的鎳基葉片。NASA報(bào)告指出,到2020年鈦鋁基合金及其復(fù)合材料的用量在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)中將占有20%左右的份額。
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