據(jù)新華報業(yè)網(wǎng)報道,南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊在國家973計劃等資助下,經(jīng)長期研究,在新型航空航天材料鈦鋁合金方面取得重大跨越性突破。相關成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高溫PST鈦鋁單晶)于2016年6月20日在線發(fā)表于Nature Materials(《自然材料》)。

 陳光教授在發(fā)布會上介紹研究成果

 航空航天技術是一個國家科技、工業(yè)和國防實力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動機被譽為飛機的心臟,葉片則是航空發(fā)動機中最關鍵的核心部件,其承溫能力直接決定著發(fā)動機的性能,尤其是推重比。

 美國GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金制造了GEnx發(fā)動機最后兩級低壓渦輪葉片,使單臺發(fā)動機減重約200磅,節(jié)油20%,氮化物(NOx)排放量減少80%,噪音顯著降低,用于波音787飛機,2007年試飛成功,2009年正式投入商業(yè)運營,成為當時航空與材料領域轟動性的進展。

 陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現(xiàn)了新的大幅度跨越,所制備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa,抗拉強度高達978MPa,實現(xiàn)了高強高塑的優(yōu)異結合。更為重要的是,該合金在900℃時的拉伸屈服強度為637MPa,并具有優(yōu)異的抗蠕變性能,其最小蠕變速率和持久壽命均優(yōu)于已經(jīng)成功應用于GEnx發(fā)動機的4822合金1~2個數(shù)量級,有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。

 為縮短我國與歐美發(fā)達國家的差距,國家已將航空發(fā)動機和燃氣輪機列為“重大科技項目”,并于2016年3月正式成立了“中國航空發(fā)動機集團有限公司”。

 北京航空材料研究院曹春曉院士指出:“通常,鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃,即為一代新合金。陳光教授團隊發(fā)明的TiAl單晶合金,一下將承溫能力提高了150~250℃以上,是重大突破,屬引領性成果。這項關鍵材料技術誕生于我國,是我們國家和民族的驕傲與自豪!不僅對我國的航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重大價值,有助于中國飛機有一顆更強的‘中國心’,也必將對維護世界和平、促進社會發(fā)展起到積極作用?！?/p>

 科技部先進結構與復合材料主題專家組組長、北京航空材料研究院副總工程師張國慶研究員指出:“高溫合金是‘重點新材料研發(fā)與應用’國家重大工程的關鍵研發(fā)內容之一,輕質高強材料是國家新材料領域的重要發(fā)展方向。TiAl合金因其優(yōu)異的比強度和高溫性能,已成為有航空航天應用前景的新型高溫結構材料及傳統(tǒng)高溫合金的未來替代材料。南京理工大學陳光教授團隊研究成功的‘PST高溫TiAl合金單晶’大幅度提高了高溫性能,顯著改善了材料塑性,對于新型輕質高溫結構材料的發(fā)展和應用具有非常重要的意義”。

 長期從事高溫結構材料研究的中國科學院金屬研究所袁超研究員認為:“陳光教授團隊采用納米孿晶強韌化方法制備的單晶TiAl不僅強度高,室溫塑性更是超過6.9%,屬于金屬間化合物研究的重大突破。一方面,這種發(fā)現(xiàn)有可能應用于其他金屬間化合物,引領新一輪金屬間化合物研究熱潮,具有重大理論意義。另一方面,高塑性為其真正工程應用奠定基礎,具有重大工程意義”。并指出:“該成果是中國原創(chuàng),絕對世界領先。建議國家加大支持力度,盡快完成該合金全面性能測試,真正應用于我國航空發(fā)動機的葉片制造”。

 陳光教授簡介

 陳光教授(資料圖)

 南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心主任、金屬納米材料與技術聯(lián)合實驗室主任,二級教授,博士生導師。中國新材料技術協(xié)會副會長、中國材料研究學會金屬間化合物與非晶合金分會理事、江蘇省中青年科技領軍人才、江蘇省十大優(yōu)秀專利發(fā)明人、Intermetallics(金屬間化合物)客座編輯、第六屆(2005年)和第九屆(2016年)金屬間化合物與先進材料國際研討會主席。

 作為第一主研人主持完成的成果中,榮獲教育部技術發(fā)明一等獎1項、江蘇省科技一等獎2項,并榮獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎·人物獎、先進金屬間化合物與先進材料國際研討會杰出貢獻獎。

 鈦鋁合金簡介(據(jù)中國航空報)

 TiAl基合金密度低,彈性模量高,綜合性能指標優(yōu)于傳統(tǒng)高溫合金,韌性又高于普通的陶瓷材料,在航空航天材料中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景,成為新一代高溫材料的代表之一,被當做高推重比先進軍用飛機發(fā)動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。歐美和日本等國已相繼在鈦鋁合金向先進航空發(fā)動機上的應用研究方面取得深入的進展,運用先進的工藝方法,相繼研發(fā)出高壓壓氣機葉片等零部件,并已交付發(fā)動機裝配測試。

 背景

 自鎳基合金的研制成功以來,渦輪發(fā)動機在航空領域的應用得到了很大的推進。通過改進和發(fā)展鎳基超合金和鈦基合金,以及應用先進的制造工藝,航空發(fā)動機的性能得到了不斷的提高。然而,隨著推重比和渦輪前端溫度不斷提高(表1),渦輪發(fā)動機壓氣機和渦輪級數(shù)逐漸減少,單級負荷不斷增大,零件的應力水平越來越高,工況越趨惡劣,葉片等關鍵零件的結構也越趨復雜,已將傳統(tǒng)的兩種主要高溫結構材料鎳基合金和鈦基高溫合金的使用性能提高到其極限水平,因此必須尋求更先進、更可靠的材料和工藝才能滿足未來發(fā)動機的設計要求。

 基合金具有優(yōu)良的高溫強度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能,而且密度低,彈性模量高(表2),綜合性能指標優(yōu)于不銹鋼和鎳基等傳統(tǒng)的高溫合金,而其韌性又高于普通的陶瓷材料。此外,鈦鋁合金的膨脹系數(shù)可與低膨脹系數(shù)的鎳基合金相比,易燃性也低于鎳基合金。這些優(yōu)點使其成為航空、航天、飛航導彈用發(fā)動機以及汽車的輕質耐熱結構件的最具競爭力的材料。

 TiAl合金應用現(xiàn)狀

 TiAl基合金目前實際應用的最大障礙一方面是該類合金的室溫脆性、難變形加工性,另一方面則是850℃以上的抗氧化性不足,制約了TiAl基合金的應用和推廣。近期內發(fā)展起來的高Nb-TiAl系金屬間化合物在高溫強度及抗氧化性方面已取得了很大進展,高熔點組元Nb的加入提高了合金的熔點和有序溫度,從而使合金的使用溫度達到900℃以上,使得該體系合金顯示出具有代替鎳基合金的潛能。然而,高鈮合金化在大大提高TiAl合金的室溫和高溫強度的同時,也進一步降低了其室溫和高溫塑性,尤其是高溫塑性比普通TiAl基合金更低。

 20世紀90年代以來,世界各國的研究者都把熱塑性加工技術的研究和開發(fā)作為TiAl基合金的研究重點,長期以來TiAl基合金的熱塑性加工及其相關領域的研究十分活躍。對TiAl合金進行大變形量熱塑性加工,可以大幅提高TiAl合金的室溫塑性,而經(jīng)過塑性加工后的鍛坯,由于具有細小而均勻的顯微組織,也能夠進一步滿足等溫鍛造成形的需要。進過熱塑性加工的TiAl合金,通過一定的熱處理工藝,可以獲得各種不同的綜合性能,從而滿足工程應用。

 美國GE公司將鑄造的全套98件低壓渦輪葉片安裝在大型商用運輸機CF6-80C2發(fā)動機上,通過了1000個飛行周期的考核試車。蒂森(Thyssen)與羅羅公司(Rolls-Royce)成功的鍛造出發(fā)動機高壓壓氣機葉片,所使用的合金成分為Ti47Al3.7(Nb,Cr,Mn,Si)0.5B;日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片,該合金具有較好的高溫塑性,該公司還開發(fā)了Ti42Al5Mn合金,并且采用鍛造后機械加工的方式制造出渦輪葉片等零件;羅羅使用TNB合金系生產(chǎn)出了高壓壓氣機葉片,并且將這種葉片交付發(fā)動機裝配進行測試。

 TiAl合金應用發(fā)展趨勢

 鈦鋁合金在航空航天用材料中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景,成為先進軍用飛機發(fā)動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發(fā)動機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金,將減輕發(fā)動機重量200～300千克以上?？罩锌蛙嚭筒ㄒ艄菊铝τ谔岣甙l(fā)動機的推比,低壓渦輪減重潛力最大,在不久的將來渦輪后部轉子葉片將采用鈦鋁合金葉片。分析表明,未來發(fā)動機市場對γ-TiAl低壓渦輪葉片的年需求量高達一百萬件,將代替目前先進渦輪發(fā)動機最后一級較重的鎳基葉片。NASA報告指出,到2020年鈦鋁基合金及其復合材料的用量在航空、航天發(fā)動機中將占有20%左右的份額。