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我国在新型航空航天材料钛铝合金方面取得重大突破

时间:2016年06月22日 信息来源:中国科技网-科技日报 点击: 【字体:

科技日报南京6月21日电 南京理工大学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跨越性突破。6月20日,相关成果在线发表于《自然材料》上。其室温拉伸塑性、屈服强度、高温抗蠕变性能、承温能力等关键性能指标处于国际领先,超过美国同类材料1—2个数量级。

陈光教授在发布会上介绍研究成果


2007年,波音787飞机试飞成功。这种新型飞机可节油20%,氮化物(NOx)排放量减少80%,噪音显著降低,从而引发全球关注。


这种飞机发动机由美国通用电气(GE)公司研制,采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下简称4822)合金替代镍基高温合金,制造出最后两级低压涡轮叶片。


这是钛铝合金首次应用在航空发动机上。


GE公司采用的4822合金也称不上完美,它的室温拉伸塑性不到2%,虽然足以傲视其他金属间化合物,但它跟镍基合金比起来还是显得太脆了。因此,GE公司把它用在了环境温度、危险系数最低的末端两级叶片上,这样即使发生折断也不会导致整架飞机失控。


美国人这么做是看重钛铝合金的密度仅为镍基合金的一半。在以克为减重单位的飞机发动机上,GE公司使单台发动机减重约200磅,成为当时航空与材料领域轰动性的进展。


因此,钛铝合金成为目前公认的替代镍基高温合金的最佳新型轻质结构材料。


陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了三大突破:


一是室温拉伸塑性和屈服强度极大提升,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。二是抗蠕变性能优异。三是承温能力大大提高。


航空发动机被誉为飞机的心脏,受制于基础研究能力不足,目前我国民用航空发动机基本依赖进口,军用战机发动机虽然有了一定进步,但是关键性能指标与发达国家还有差距。其中,涡轮叶片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。传统镍基合金虽然各方面性能都不错,但是它最大的缺点是太重,直接导致发动机的能效比得不到提高。因此,各国科学家们从未停止寻找制造航空发动机合适材料的努力。


“一代材料一代发动机。”中国航空动力机械研究所涡轮设计部副主任设计师康剑雄说,PST钛铝合金使用温度达900℃以上,已经可以与镍基合金同台竞技,它不仅可用于叶片,还有望用在涡轮盘、高压压缩涡轮等部件上。


一个新型材料从实验室到装上飞机,还有漫长的道路要走。据陈光估计,PST钛铝合金实现应用还有5—10年。


(作者:张晔)
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