中國航空發(fā)動機材料重大突破 壽命優(yōu)于美2個量級

南京理工大學(xué)材料評價與設(shè)計教育部工程研究中心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重大跨越性突破。相關(guān)成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高溫PST鈦鋁單晶)于2016年6月20日在線發(fā)表于Nature Materials(《自然材料》)。


航空航天技術(shù)是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動機被譽為飛機的心臟，葉片則是航空發(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。

美國GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金制造了GEnx發(fā)動機最后兩級低壓渦輪葉片，使單臺發(fā)動機減重約200磅，節(jié)油20%，氮化物(NOx)排放量減少80%，噪音顯著降低，用于波音787飛機，2007年試飛成功，2009年正式投入商業(yè)運營，成為當(dāng)時航空與材料領(lǐng)域轟動性的進展。

陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現(xiàn)了新的大幅度跨越，所制備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達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。更為重要的是，該合金在900℃時的拉伸屈服強度為637MPa，并具有優(yōu)異的抗蠕變性能，其最小蠕變速率和持久壽命均優(yōu)于已經(jīng)成功應(yīng)用于GEnx發(fā)動機的4822合金1~2個數(shù)量級，有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。


為縮短我國與歐美發(fā)達國家的差距，國家已將航空發(fā)動機和燃氣輪機列為“重大科技項目”，并于2016年3月正式成立了“中國航空發(fā)動機集團有限公司”。

北京航空材料研究院曹春曉院士指出：“通常，鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃，即為一代新合金。陳光教授團隊發(fā)明的TiAl單晶合金，一下將承溫能力提高了150~250℃以上，是重大突破，屬引領(lǐng)性成果。這項關(guān)鍵材料技術(shù)誕生于我國，是我們國家和民族的驕傲與自豪！不僅對我國的航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重大價值，有助于中國飛機有一顆更強的‘中國心’,也必將對維護世界和平、促進社會發(fā)展起到積極作用。”

科技部先進結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料主題專家組組長、北京航空材料研究院副總工程師張國慶研究員指出：“高溫合金是‘重點新材料研發(fā)與應(yīng)用’國家重大工程的關(guān)鍵研發(fā)內(nèi)容之一，輕質(zhì)高強材料是國家新材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。TiAl合金因其優(yōu)異的比強度和高溫性能，已成為有航空航天應(yīng)用前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料及傳統(tǒng)高溫合金的未來替代材料。南京理工大學(xué)陳光教授團隊研究成功的‘PST高溫TiAl合金單晶’大幅度提高了高溫性能，顯著改善了材料塑性，對于新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和應(yīng)用具有非常重要的意義”。