中國(guó)新型鈦鋁合金有望用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)
【鋁博士網(wǎng)】南京理工大學(xué)陳光教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家973計(jì)劃等資助下，經(jīng)長(zhǎng)期研究，在新型航空航天材料鈦鋁合金方面取得跨越性突破。6月20日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然材料》上。其室溫拉伸塑性、屈服強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能、承溫能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先，超過(guò)美國(guó)同類材料1—2個(gè)數(shù)量級(jí)。
2007年，波音787飛機(jī)試飛成功。這種新型飛機(jī)可節(jié)油20％，氮化物（NOx）排放量減少80％，噪音顯著降低，從而引發(fā)全球關(guān)注。
這種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)通用電氣（GE）公司研制，采用Ti-48Al-2Cr-2Nb（以下簡(jiǎn)稱4822）合金替代鎳基高溫合金，制造出最后兩級(jí)低壓渦輪葉片。
這是鈦鋁合金首次應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。
GE公司采用的4822合金也稱不上完美，它的室溫拉伸塑性不到2％，雖然足以傲視其他金屬間化合物，但它跟鎳基合金比起來(lái)還是顯得太脆了。因此，GE公司把它用在了環(huán)境溫度、危險(xiǎn)系數(shù)最低的末端兩級(jí)葉片上，這樣即使發(fā)生折斷也不會(huì)導(dǎo)致整架飛機(jī)失控。
美國(guó)人這么做是看重鈦鋁合金的密度僅為鎳基合金的一半。在以克為減重單位的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，GE公司使單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)減重約200磅，成為當(dāng)時(shí)航空與材料領(lǐng)域轟動(dòng)性的進(jìn)展。
因此，鈦鋁合金成為目前公認(rèn)的替代鎳基高溫合金的最佳新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
陳光教授團(tuán)隊(duì)的研究成果在材料性能上實(shí)現(xiàn)了三大突破：
一是室溫拉伸塑性和屈服強(qiáng)度極大提升，分別高達(dá)6.9％和708MPa，抗拉強(qiáng)度高達(dá)978MPa，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高塑的優(yōu)異結(jié)合。二是抗蠕變性能優(yōu)異。三是承溫能力大大提高。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)的心臟，受制于基礎(chǔ)研究能力不足，目前我國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本依賴進(jìn)口，軍用戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)雖然有了一定進(jìn)步，但是關(guān)鍵性能指標(biāo)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有差距。其中，渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的核心部件，其承溫能力直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，尤其是推重比。傳統(tǒng)鎳基合金雖然各方面性能都不錯(cuò)，但是它最大的缺點(diǎn)是太重，直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的能效比得不到提高。因此，各國(guó)科學(xué)家們從未停止尋找制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)合適材料的努力。
“一代材料一代發(fā)動(dòng)機(jī)。”中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所渦輪設(shè)計(jì)部副主任設(shè)計(jì)師康劍雄說(shuō)，PST鈦鋁合金使用溫度達(dá)900℃以上，已經(jīng)可以與鎳基合金同臺(tái)競(jìng)技，它不僅可用于葉片，還有望用在渦輪盤、高壓壓縮渦輪等部件上。
一個(gè)新型材料從實(shí)驗(yàn)室到裝上飛機(jī)，還有漫長(zhǎng)的道路要走。據(jù)陳光估計(jì)，PST鈦鋁合金實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還有5—10年。
