我新型鈦鋁合金有望用于航空發(fā)動機
2016年06月22日 11:13 35636次瀏覽 來源： 科技日報 分類： 鈦應(yīng)用
南京理工大學陳光教授團隊在國家973計劃等資助下，經(jīng)長期研究，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、屈服強度、高溫抗蠕變性能、承溫能力等關(guān)鍵性能指標處于國際領(lǐng)先，超過美國同類材料1—2個數(shù)量級。
2007年，波音787飛機試飛成功。這種新型飛機可節(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。
這種飛機發(fā)動機由美國通用電氣（GE）公司研制，采用Ti-48Al-2Cr-2Nb（以下簡稱4822）合金替代鎳基高溫合金，制造出最后兩級低壓渦輪葉片。
這是鈦鋁合金首次應(yīng)用在航空發(fā)動機上。
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還是顯得太脆了。因此，GE公司把它用在了環(huán)境溫度、危險系數(shù)最低的末端兩級葉片上，這樣即使發(fā)生折斷也不會導致整架飛機失控。
美國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發(fā)動機上，GE公司使單臺發(fā)動機減重約200磅，成為當時航空與材料領(lǐng)域轟動性的進展。
因此，鈦鋁合金成為目前公認的替代鎳基高溫合金的最佳新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現(xiàn)了三大突破：
一是室溫拉伸塑性和屈服強度極大提升，分別高達6.9％和708MPa，抗拉強度高達978MPa，實現(xiàn)了高強高塑的優(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)動機被譽為飛機的心臟，受制于基礎(chǔ)研究能力不足，目前我國民用航空發(fā)動機基本依賴進口，軍用戰(zhàn)機發(fā)動機雖然有了一定進步，但是關(guān)鍵性能指標與發(fā)達國家還有差距。其中，渦輪葉片是航空發(fā)動機中最關(guān)鍵的核心部件，其承溫能力直接決定著發(fā)動機的性能，尤其是推重比。傳統(tǒng)鎳基合金雖然各方面性能都不錯，但是它最大的缺點是太重，直接導致發(fā)動機的能效比得不到提高。因此，各國科學家們從未停止尋找制造航空發(fā)動機合適材料的努力。
“一代材料一代發(fā)動機。”中國航空動力機械研究所渦輪設(shè)計部副主任設(shè)計師康劍雄說，PST鈦鋁合金使用溫度達900℃以上，已經(jīng)可以與鎳基合金同臺競技，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。
一個新型材料從實驗室到裝上飛機，還有漫長的道路要走。據(jù)陳光估計，PST鈦鋁合金實現(xiàn)應(yīng)用還有5—10年。
責任編輯：孟慶科
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