我國發動機材料科技到底與美國差距多少年?

據有關媒體報道,在剛剛結束的第20屆國際工業博覽會上,來自上海的圖德航空科技有限責任公司公開展出了其研發製造的新一代高溫合金材料,其重量比現役的航空發動機用鎳基高溫合金輕20%,據稱已廣泛應用於高壓壓氣機葉片、渦輪盤、緊固件等各類航空發動機核心結構件製造上,引起了國內外媒體的濃厚興趣。由於其並沒有透露具體細節,本文根據國內外發布的公開資料,對其進行分析推測。航空發動機可以說是代表了一個國家制造業的頂尖水平。而高溫合金是現代航空發動機最為核心的結構材料,其性能是航發性能的決定性因素之一,也是主要的成本來源,航空工業不僅素有“一代材料,一代裝備”的說法,更有“一代材料,一代發動機;一代發動機,一代戰機”的經驗,目前人類先進航空發動機不斷推動高溫合金向重量更輕、成本更低、生產週期更短這三個方向發展,而我們之前在上述領域的落後幾乎看不見別人“車尾燈”。


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當前,先進航空發動機朝著高渦輪前溫度、高推重比、長壽命和低油耗方向發展,除了先進的設計技術,發動機性能的提高強烈依賴於先進材料及製造技術的發展,發動機的關鍵件和重要件亟需耐高溫、高比強度、高比模量、抗氧化和阻燃的新材料。隨著600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl合金、SiCF複合材料這類新材料研究工作的不斷深入,我國航空發動機鈦合金特種材料與世界第一的美方曾相差40年,但隨年代的推進,我國高溫鈦合金的使用溫度呈不斷提高的發展趨勢,現役發動機上使用的鈦合金主要有TC4、TC11、TC17、TA11、TA29和TA33等,目前已經應用於發動機風扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件。

目前,傳統應用主流的鎳基合金隨著航空發動機的發展生產成本越來


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越高,例如工作在航空發動機熱端的鎳基渦輪單晶葉片,加入了貴金屬錸以後,價格飛漲,含錸量最高的第五代單晶葉片很早就研製成功,由於成本問題目前沒有應用在任何一個航空發動機上。因此各航空發達國家都在積極研發各種性價比更為合理的替代材料與製造技術。除了積極研製重量極輕,且更耐高溫,但也極端昂貴的碳化硅陶瓷纖維非金屬材料外,新研製的鈦鋁合金也是其替代選擇之一。我國正在研製的C919客機目前使用的外國發動機:LEAP-X1C就採用了鈦鋁(TiAl)合金低壓渦輪轉子葉片,這是全球範圍內鈦鋁合金首次取代鎳基高溫合金用於低壓渦輪轉子葉片生產,據稱減重的效果十分顯著。


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我國南京理工大學材料研究中心的陳光教授團隊,也於2016年在鈦鋁(TiAl)合金取得了重大突破,有望將國內目前鈦鋁合金的使用溫度從650至750℃提高到900℃以上。但是由於其最高使用溫度在短期內還不能超過1000℃,並不能完全將鎳基高溫合金替代。該公司沒有透露這種新型材料的名稱,只是宣傳其研製的新一代高溫合金相比於主要競爭產品鎳基高溫合金以及快速發展的鈦鋁合金,領先優勢十分明顯。相比鎳基高溫合金(8.1克/立方厘米),新一代高溫合金核心性能指標密度下降了20%,強度與鎳基高溫合金相當,比強度高於鎳基高溫合金,其他性能與鎳基高溫合金相當。相比鈦鋁合金,新一代高溫合金則在在使用溫度、製造難度、製造成本方面擁有顯著領先的優勢。


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據宣傳資料稱,其開發的新一代高溫合金密度可降至6.5克/立方厘米,比常見的金屬鋅還要輕(7.14克/立方厘米),能在600℃~1000℃溫度範圍應用,並可採用金屬粉末注射成型等手段進行低成本、規模化生產;也可採用3D打印進行快速定製化生產。根據公開資料推測,該材料應該是一種高熵合金。所謂高熵合金,就是5種不同的金屬元素以等摩爾或近等摩爾比例混合製成,打破了以前以一種金屬元素為主,通過添加不同合金元素製取合金的傳統觀念。


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在引入不同的高溫金屬後,可使密度相當於目前的鎳基合金,而其使用溫度大幅提高到1600℃以上,完全可以滿足推比15-20航空發動機的需要,而製造和使用成本比碳化硅陶瓷纖維低的多。該材料技術目前居國內領先,國際先進水平,預期市場容量可達每年270億元以上,有望在新材料領域、航空航天裝備領域助推我國航空發動機未來發展。


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