我國在新型航空航天材料鈦鋁合金方面取得重大突破

2021-02-25 學術幫

南京理工大學陳光教授團隊在國家973計劃等資助下，經長期研究，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，相關成果在線發表於《Nature Materials》上。其室溫拉伸塑性、屈服強度、高溫抗蠕變性能、承溫能力等關鍵性能指標處於國際領先，超過美國同類材料1—2個數量級。

 

2007年，波音787飛機試飛成功。這種新型飛機可節油20％，氮化物（NOx）排放量減少80％，噪音顯著降低，從而引發全球關注。

 

這種飛機發動機由美國通用電氣（GE）公司研製，採用Ti-48Al-2Cr-2Nb（以下簡稱4822）合金替代鎳基高溫合金，製造出最後兩級低壓渦輪葉片。

 

這是鈦鋁合金首次應用在航空發動機上。

 

GE公司採用的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公司把它用在了環境溫度、危險係數最低的末端兩級葉片上，這樣即使發生折斷也不會導致整架飛機失控。

 

美國人這麼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動機上，GE公司使單臺發動機減重約200磅，成為當時航空與材料領域轟動性的進展。

 

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結構材料。

 

陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現了三大突破：

 

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，實現了高強高塑的優異結合。二是抗蠕變性能優異。三是承溫能力大大提高。

 

航空發動機被譽為飛機的心臟，受制於基礎研究能力不足，目前我國民用航空發動機基本依賴進口，軍用戰機發動機雖然有了一定進步，但是關鍵性能指標與發達國家還有差距。其中，渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的核心部件，其承溫能力直接決定著發動機的性能，尤其是推重比。傳統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製造航空發動機合適材料的努力。

 

「一代材料一代發動機。」中國航空動力機械研究所渦輪設計部副主任設計師康劍雄說，PST鈦鋁合金使用溫度達900℃以上，已經可以與鎳基合金同臺競技，它不僅可用於葉片，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。據陳光估計，PST鈦鋁合金實現應用還有5—10年。

原文：Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperatureapplications

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4677.html

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