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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

发布日期:2020-01-16  浏览次数:201
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  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,9%的钴,2%的,8%的,7.5%的,0.5%的,5.6%的铝,0.1的,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军用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。而对于性能优先的军用发动机来说,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。
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