中国材料重大突破，钛合金耐热能力急剧提升，未来可改进涡扇15

不锈钢厂家

钛合金耐热能力急剧提升，未来可改进涡扇15  2020-01-16 IP属地 陕西7180　　最近几年中国科学家发布应用于发动机的新型铝钛合金材料，有望将铝钛体系的耐热钛合金从650-750度工作极限大幅提升到900度，实在是可喜可贺。　　这一技术进展意味着，原来一些必须使用镍基高温合金（密度大、非常重）的部件，可以换成铝钛合金这样的轻质部件，实现发动机推比和油耗的显著改善；而原有的一些耐热钛合金部件，则可以得到性能指标和寿命上的显著突破。　　不过900度并不是现代航空发动机上温度最高的部分，实际上这种新材料改善的主要是高压压气机部分。　　图：从上到下分别是涡轮喷气发动机、小涵道比涡扇发动机（战斗机就用的这类）、大涵道比涡扇发动机的简单结构示意图。为了简单直观起见，图中发动机省去了加力燃烧室等结构。　　空气在进入发动机以后，会经过多级风扇和压气机的强烈压缩，之后进入燃烧室与燃油混合燃烧，形成高温燃气流推动涡轮旋转（涡轮又带动风扇和压气机旋转，压缩空气进入燃烧室）并喷出发动机外，形成推力。在这个过程中，空气在进入燃烧室之前，就会因为强烈的压缩而导致温度迅速升高。　　在传统的发动机上，压气机的前面级数都可以用钛合金制造；但随着温度升高，最后几级压力特别高、温度也比较高的压气机叶片，就必须采用密度大沉重的高温合金。中国此次的材料突破，就在于后面的压气机叶片能够大幅减轻重量，并提升性能和寿命。　　图：中国此次的航空材料突破，能够显著提升红圈范围内的部件性能　　但是再往后的燃烧室，涡轮盘和涡轮叶片，仍然必须采用其他的高温合金，比如镍基高温合金。尤其是针对F22、歼20这样注重超声速巡航的战斗机，发动机喷流特性必然是高温、高速，涡轮进口的温度达到1800-1950K（1526-1676摄氏度）。这不是目前任何种类钛合金能够承受的。　　在这些关键的涡轮叶片上，含铼镍基单晶高温金属材料，仍然是目前的唯一选择。中国目前已经发展到了第四代单晶，但从公开资料的披露情况来看，第四代单晶应该还主要处于实验室研究阶段，连材料牌号都还处于未公开状态；目前大量在先进航空发动机（太行、涡扇20）上的是第二代单晶DD6，第三代单晶材料DD9应该有望应用于歼20的涡扇15发动机。　　图：太行发动机采用的是DD6单晶，单以材料本身性能来说，显著优于AL31F　　根据北京航材院和北科大的联合公开论文《单晶高温合金DD6再结晶晶界析出相特征及其形成机制》，DD6单晶除了作为主成分的镍以外，大致成分为0.006%的碳，4.3%的铬，9%的钴，2%的钼，8%的钨，7.5%的钽，0.5%的铌，5.6%的铝，0.1的铪，而铼则占2%。同期国外牌号材料里，铼的含量在3%以上。　　而根据航材院的另一篇公开论文《DD9单晶高温合金拉伸性能各向异性》的披露，DD9单晶除了作为主要成分的镍以外，大致成分为1.5-5%的铬，5.5-9.5%的钴，0.5-3.0的钼%，6-8.5的钨，5.2-6.2%的铝，5.5-9.0的钽，0-0.5%的铪，0.-1.5%的铌，0-0.04的碳。而铼的比例则提高到3.5-5.0，虽然比国外三代单晶的6-7%的最大含量要低，但依然比DD6高很多。　　而在涉及到DD6和DD9的资料中，都普遍强调由于铼的含量低，该种材料拥有更低的成本优势。事实上国内也研究过完全不含铼的替代单晶材料，比如低成本的DD265，高性能、号称指标基本达到二代单晶（比如DD6）水平的DD98系列。然而并不能真正推广使用。　　图：虽然不能替代含铼单晶，但此次中国新材料对于**发动机的性能提升仍然有重大意义　　在美国的低铼和无铼化研究中，目前也只停留在高温部件降低铼含量保持性能基本不减退、温度较低部件实现无铼化的水平。而对于性能优先的**发动机来说，除非现有材料体系出现远比此次中国突破要大的颠覆性进展，否则对铼的依赖依旧不会消退。　　图：很多人对法国航发有着莫名其妙的优越感。实际上施奈克玛最近 30多年一直致力于发动机燃烧和热端部件的深入研究，在这方面已是世界最高水平之一。　　究竟什么样的材料才能取代含铼镍基单晶，给发动机带来性能上的巨大突破？目前自然没有肯定的答案，而可能性最高的方向，在于高性能的复合陶瓷材料（利用金属纤维、碳纤维、陶瓷纤维或者晶须进行增强）。　　目前法国施奈克玛公司已经在M88等发动机上进行了应用，工作温度达到1370度的部件也正在试验中。而美国NASA最近几年一直致力于1480度耐温的材料，并力争在不远的将来实现性能提升到1650度。 钛合金本文由 司太立合金   http://www.wxyztg.cn/  锆板 提供