中国航空发动机材料大突破！

 据新华报业网报道,南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队在国家973计划等资助下,经长期研究,在新型航空航天材料钛铝合金方面取得重大跨越性突破。相关成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高温PST钛铝单晶)于2016年6月20日在线发表于Nature Materials(《自然材料》)。

 陈光教授在发布会上介绍研究成果

 航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机被誉为飞机的心脏,叶片则是航空发动机中最关键的核心部件,其承温能力直接决定着发动机的性能,尤其是推重比。

 美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下简称4822)合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机最后两级低压涡轮叶片,使单台发动机减重约200磅,节油20%,氮化物(NOx)排放量减少80%,噪音显著降低,用于波音787飞机,2007年试飞成功,2009年正式投入商业运营,成为当时航空与材料领域轰动性的进展。

 陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了新的大幅度跨越,所制备的PST TiAl单晶室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa,抗拉强度高达978MPa,实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是,该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa,并具有优异的抗蠕变性能,其最小蠕变速率和持久寿命均优于已经成功应用于GEnx发动机的4822合金1~2个数量级,有望将目前TiAl合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。

 为缩短我国与欧美发达国家的差距,国家已将航空发动机和燃气轮机列为“重大科技项目”,并于2016年3月正式成立了“中国航空发动机集团有限公司”。

 北京航空材料研究院曹春晓院士指出:“通常,镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃,即为一代新合金。陈光教授团队发明的TiAl单晶合金,一下将承温能力提高了150~250℃以上,是重大突破,属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国,是我们国家和民族的骄傲与自豪!不仅对我国的航空航天事业的发展具有重大价值,有助于中国飞机有一颗更强的‘中国心’,也必将对维护世界和平、促进社会发展起到积极作用。”

 科技部先进结构与复合材料主题专家组组长、北京航空材料研究院副总工程师张国庆研究员指出:“高温合金是‘重点新材料研发与应用’国家重大工程的关键研发内容之一,轻质高强材料是国家新材料领域的重要发展方向。TiAl合金因其优异的比强度和高温性能,已成为有航空航天应用前景的新型高温结构材料及传统高温合金的未来替代材料。南京理工大学陈光教授团队研究成功的‘PST高温TiAl合金单晶’大幅度提高了高温性能,显著改善了材料塑性,对于新型轻质高温结构材料的发展和应用具有非常重要的意义”。

 长期从事高温结构材料研究的中国科学院金属研究所袁超研究员认为:“陈光教授团队采用纳米孪晶强韧化方法制备的单晶TiAl不仅强度高,室温塑性更是超过6.9%,属于金属间化合物研究的重大突破。一方面,这种发现有可能应用于其他金属间化合物,引领新一轮金属间化合物研究热潮,具有重大理论意义。另一方面,高塑性为其真正工程应用奠定基础,具有重大工程意义”。并指出:“该成果是中国原创,绝对世界领先。建议国家加大支持力度,尽快完成该合金全面性能测试,真正应用于我国航空发动机的叶片制造”。

 陈光教授简介

 陈光教授(资料图)

 南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心主任、金属纳米材料与技术联合实验室主任,二级教授,博士生导师。中国新材料技术协会副会长、中国材料研究学会金属间化合物与非晶合金分会理事、江苏省中青年科技领军人才、江苏省十大优秀专利发明人、Intermetallics(金属间化合物)客座编辑、第六届(2005年)和第九届(2016年)金属间化合物与先进材料国际研讨会主席。

 作为第一主研人主持完成的成果中,荣获教育部技术发明一等奖1项、江苏省科技一等奖2项,并荣获中国发明协会发明创业奖·人物奖、先进金属间化合物与先进材料国际研讨会杰出贡献奖。

 钛铝合金简介(据中国航空报)

 TiAl基合金密度低,弹性模量高,综合性能指标优于传统高温合金,韧性又高于普通的陶瓷材料,在航空航天材料中展现出令人瞩目的发展前景,成为新一代高温材料的代表之一,被当做高推重比先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。欧美和日本等国已相继在钛铝合金向先进航空发动机上的应用研究方面取得深入的进展,运用先进的工艺方法,相继研发出高压压气机叶片等零部件,并已交付发动机装配测试。

 背景

 自镍基合金的研制成功以来,涡轮发动机在航空领域的应用得到了很大的推进。通过改进和发展镍基超合金和钛基合金,以及应用先进的制造工艺,航空发动机的性能得到了不断的提高。然而,随着推重比和涡轮前端温度不断提高(表1),涡轮发动机压气机和涡轮级数逐渐减少,单级负荷不断增大,零件的应力水平越来越高,工况越趋恶劣,叶片等关键零件的结构也越趋复杂,已将传统的两种主要高温结构材料镍基合金和钛基高温合金的使用性能提高到其极限水平,因此必须寻求更先进、更可靠的材料和工艺才能满足未来发动机的设计要求。

 基合金具有优良的高温强度、抗蠕变、抗氧化和阻燃性能,而且密度低,弹性模量高(表2),综合性能指标优于不锈钢和镍基等传统的高温合金,而其韧性又高于普通的陶瓷材料。此外,钛铝合金的膨胀系数可与低膨胀系数的镍基合金相比,易燃性也低于镍基合金。这些优点使其成为航空、航天、飞航导弹用发动机以及汽车的轻质耐热结构件的最具竞争力的材料。

 TiAl合金应用现状

 TiAl基合金目前实际应用的最大障碍一方面是该类合金的室温脆性、难变形加工性,另一方面则是850℃以上的抗氧化性不足,制约了TiAl基合金的应用和推广。近期内发展起来的高Nb-TiAl系金属间化合物在高温强度及抗氧化性方面已取得了很大进展,高熔点组元Nb的加入提高了合金的熔点和有序温度,从而使合金的使用温度达到900℃以上,使得该体系合金显示出具有代替镍基合金的潜能。然而,高铌合金化在大大提高TiAl合金的室温和高温强度的同时,也进一步降低了其室温和高温塑性,尤其是高温塑性比普通TiAl基合金更低。

 20世纪90年代以来,世界各国的研究者都把热塑性加工技术的研究和开发作为TiAl基合金的研究重点,长期以来TiAl基合金的热塑性加工及其相关领域的研究十分活跃。对TiAl合金进行大变形量热塑性加工,可以大幅提高TiAl合金的室温塑性,而经过塑性加工后的锻坯,由于具有细小而均匀的显微组织,也能够进一步满足等温锻造成形的需要。进过热塑性加工的TiAl合金,通过一定的热处理工艺,可以获得各种不同的综合性能,从而满足工程应用。

 美国GE公司将铸造的全套98件低压涡轮叶片安装在大型商用运输机CF6-80C2发动机上,通过了1000个飞行周期的考核试车。蒂森(Thyssen)与罗罗公司(Rolls-Royce)成功的锻造出发动机高压压气机叶片,所使用的合金成分为Ti47Al3.7(Nb,Cr,Mn,Si)0.5B;日本三菱公司采用包套锻成形出了Ti-42Al-10V合金叶片,该合金具有较好的高温塑性,该公司还开发了Ti42Al5Mn合金,并且采用锻造后机械加工的方式制造出涡轮叶片等零件;罗罗使用TNB合金系生产出了高压压气机叶片,并且将这种叶片交付发动机装配进行测试。

 TiAl合金应用发展趋势

 钛铝合金在航空航天用材料中展现出令人瞩目的发展前景,成为先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。GE公司计划在GE90发动机中用钛铝合金叶片代替镍基合金,将减轻发动机重量200～300千克以上。空中客车和波音公司正致力于提高发动机的推比,低压涡轮减重潜力最大,在不久的将来涡轮后部转子叶片将采用钛铝合金叶片。分析表明,未来发动机市场对γ-TiAl低压涡轮叶片的年需求量高达一百万件,将代替目前先进涡轮发动机最后一级较重的镍基叶片。NASA报告指出,到2020年钛铝基合金及其复合材料的用量在航空、航天发动机中将占有20%左右的份额。