航空发动机的材料仅四国能造，中国已成功造出
时间：2019-11-26 来源：新闻网 人浏览 -
航空发动机（aero-engine）是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。
在目前，全世界只有美国、俄罗斯、英国、法国四个国家真正具备研制的能力,其他国家或多或少都是仿造，目前世界上最大、实力最强的发动机公司包括普惠(美国)、通用动力(美国)、罗尔斯罗伊斯(英国)。
这些年中国一直想要自主研发造出优异的发动机，不仅适用于军用，还能推广于民用（民用要考虑性价比）。像我国的最新第五代战机就是采用了涡扇15“峨眉” 涡扇发动机，这是为我国第五代战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。尽管如此，中国在总体上还是与欧美发达国家差距很大，
航空发动机的特点是体积小,功率大,各部件的工作条件严酷，特别是转动件在不同的温度、载荷、环境介质（空气，燃气）下工作，大多须用比强度高、耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造。航空发动机的使用期限不尽相同,军用飞机发动机一般为100～1000小时；民用机发动机甚至要求1万小时以上,所用材料的组织和性能须保持长时间稳定。所以航空发动机的材料非常重要。
而想要制造航空发动机，首先你要先掌握材料的制造工艺，航空发动机材料是制造航空发动机气缸、活塞、压气机、燃烧室、涡轮、轴和尾喷管等主要部件所用的结构材料。尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，
20世纪40年代，喷气式发动机原理早已提出，但没有合适的高温材料用于制造涡轮，发展迟缓。
直到五六十年代，英国的White公司开发出了镍基高温合金。此外，真空熔炼方法制造高温合金纯度得到提高，性能更好。航空发动机涡轮叶片采用了变形高温合金和铸造高温合金。
目前，航空发动机材料已经发展出来了高温合金、金属间化合物、超高强度钢、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料、金属基复合材料等几大类。
而航空材料目前的发展趋势是研制新的三、四代单晶合金，美国NASA开发的第四代单晶合金工作温度比第三代高出27～42℃，俄罗斯正在开发的ⅨC-55也属于第4代单晶，在1100℃、100h的持久强度高达180～190MPa。
美国NASA还打算将工作温度比第四代单晶再提高56℃，这已十分接近合金的熔点了。此外，镍铝型合金也是发展方向之一。
航空发动机其核心部件叶片的承温能力可以说直接决定着发动机的性能，而航空发动机新材料的变革对于飞机发动机的减重、降噪、节油、性能等都具有显著的作用，这也是为什么各国国家都积极探索新材料的原因。
举个例子，此前，以钛铝合金为代表的金属间化合物研究已持续了三十年，但是进展缓慢。其最大的两个缺点，一是室温拉伸塑性低，造成加工困难；二是高温强度不足，使用温度范围有限。
美国率先在钛铝合金上取得了突破。通过研发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。4822合金运用在了波音787飞机上。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，成为当时航空与材料领域轰动性的进展。
尽管中国在航空发动机制造工艺上与欧美差距很大，但是在航空材料研制上，中国这些年一直处在世界先进行列。
为缩短我国与欧美发达国家的差距，我国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”。
而在前几年，南京理工大学研制的新型钛铝合金更是在航空发动机材料上取得新突破。（我感觉南京理工大学都成军工大学了，新一代超级炸药也是这个学校研制成功的）
南京理工大学校陈光教授团队研制的新型钛铝合金承温能力能够达到900℃以上，比现有发动机核心部件材料的耐高温能力提高150℃-250℃以上。陈光教授主要从事金属材料受控凝固与相变及其应用研究，在凝固技术与新材料领域取得了一系列创新性成果：提出并发明的用粗化内生晶体相阻止剪切带的方法，2008年被提为BMG复合材料获得室温拉伸塑性的两个基本原则之一。他还提出利用界面能各向异性调控晶体取向的新理论。
目前制成我国航空发动机核心部件叶片的材料是镍基合金，其耐高温能力在650℃-750℃，美国也同样开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。但是我国的镍基合金温度一旦更高，材料就会“蠕变”即慢慢发生变形。
相比镍基合金，钛铝合金不仅有着自身质量小等优点，还有着强度大、塑性高等特点。陈光教授团队在国家973计划等资助下，其发明的非籽晶法定向凝固PST钛铝单晶制备新技术，攻克了钛铝合金室温脆性大和服役温度低两大难题，从而设计制造出了钛铝合金家族的新成员“聚片双晶钛铝单晶”（PST钛铝单晶），不仅使其强度、塑性大大增强，其耐高温能力更是达到900℃以上，可以说具有原创性、突破性、引领性和基础性。
这项高温PST钛铝单晶不仅强度高，室温塑性更是超过6.9%，4822合金室温塑性还不到2%，屈服强度高达708兆帕，抗拉强度高达978兆帕，强度质量领先美国，实现了高强高塑的优异结合。
可以说陈光教授研发的高温PST钛铝单晶，在核心性能、强度质量和持久寿命上均优于美国的“4822合金。简而言之，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。
该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637兆帕，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‘4822合金’1到2个数量级，并有望将目前钛铝合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。——陈光
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。而陈光教授团队发明的这一新材料，一下将承温能力提高了150℃-250℃以上，是重大突破，将有力地为我国飞机打造一颗澎湃的中国心提供了支持。
目前，陈光教授研发的高温PST钛铝单晶已经应用于我国航空发动机的叶片制造，虽然中国航空发动机技术和欧美差距很大，但是任何事情都需要一个过程，今天我们在航空材料取得了突破，下一步我们在叶片制造上取得突破，一步一步攻克，一步一步发展，总有一天，我们会掌握世界上最为优异的航空发动机技术。