中國航空發動機材料重大突破 壽命優于美2個量級

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日在線發表于Nature Materials(《自然材料》)。


航空航天技術是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。航空發動機被譽為飛機的心臟，葉片則是航空發動機中最關鍵的核心部件，其承溫能力直接決定著發動機的性能，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發動機最后兩級低壓渦輪葉片，使單臺發動機減重約200磅，節油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，實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是，該合金在900℃時的拉伸屈服強度為637MPa，并具有優異的抗蠕變性能，其最小蠕變速率和持久壽命均優于已經成功應用于GEnx發動機的4822合金1~2個數量級，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達國家的差距，國家已將航空發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的發展具有重大價值，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、促進社會發展起到積極作用。”

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‘重點新材料研發與應用’國家重大工程的關鍵研發內容之一，輕質高強材料是國家新材料領域的重要發展方向。TiAl合金因其優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展和應用具有非常重要的意義”。