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南理工研发突破性新材料 为中国飞机安更强心脏

发布时间:2019-12-04 18:17:56

在新材料领域突破性地提高新合金的承温能力,作用于航空发动机叶片上,可减重400磅,节省燃料20%。日前,南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队在国家973计划等资助下,经长期研究,在新型航空航天材料钛铝合金方面取得重大跨越性突破,为中国飞机制造更坚强、耐用的“心脏”提供了技术保障。

航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机被誉为飞机的心脏,叶片则是航空发动机中最关键的核心部件,其承温能力直接决定着发动机的性能,尤其是推重比。

过去,美国GE公司采用一款名为“4822”合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机,安装在航空发动机的最后两级低压涡轮叶片上后,可以使单台发动机减重约200磅,节油20%,氮化物排放量减少80%,噪音显著降低。2009年正式投入商业运营,成为当时航空与材料领域轰动性的进展。

多晶钛铝合金拉伸塑性<3%,造成加工困难,800℃以上高温时强度不足,目前使用温度范围只能在650~750℃——一直以来,如何解决TiAl合金室温脆性和提高使用温度都是一个重大难题。而陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了新的大幅度跨越,所制备的“PST 钛铝单晶”室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa,抗拉强度高达978MPa,实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是,该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa,并具有优异的抗蠕变性能,其最小蠕变速率和持久寿命均优于已经成功应用于GEnx发动机的4822合金1~2个数量级,有望将目前TiAl合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。

陈光教授介绍,将这种钛铝合金作用在波音787上,可以替代高温合金用于第6和第7涡轮叶片,从而使得发动机自重减轻400磅,降噪50%,这一效果远远超过美国的研究。

据了解,为缩短我国与欧美发达国家的差距,国家已将航空发动机和燃气轮机列为“重大科技项目”,并于2016年3月正式成立了“中国航空发动机集团有限公司”。

中国原创,世界领先。PST 钛铝单晶在问世后,将接受合金的全面性能测试,从而真正应用于我国航空发动机的叶片制造”。北京航空材料研究院曹春晓院士指出:“通常,镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃,即为一代新合金。陈光教授团队发明的钛铝单晶合金,一下将承温能力提高了150~250℃以上,是重大突破,属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国,更是民族的骄傲。这款新材料的问世,不仅对我国的航空航天事业的发展具有重大价值,有助于中国飞机有一颗更强的‘中国心’,也必将对维护世界和平、促进社会发展起到积极作用。”

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