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國產新型耐高溫鈦合金葉片完成試驗

來源:admin   發布日期:2019-03-22

眾所周知,航空發動機最重要的性能指標就是其推重比,也是發動機產生的推力與其質量之比,而發動機推重比的不斷提升,也使飛機的性能不斷產生飛躍。早期的噴氣式發動機的推重比只有2至3,現在已能到達10以上,飛機最大速度由原來的不超過音速發展到現在的2到3倍音速,并可長時間不開加力超音速巡航飛行,這都是航空發動機推重比不斷提高的功勞。而要提高推重比,除了不斷提高發動機的渦輪工作溫度以外,持續減輕發動機重量也是一個重要途徑。的密度比鋼輕約40%,而強度與之相當,熔點為1668℃,應該是十分優異的航空發動機用高溫金屬材料。但在實際應用中,鈦合金材料只能用于溫度較低的航空發動機前端風扇和低壓壓氣機中,用其制成的葉片、盤件、機匣工作溫度區間一般為350至400℃,一般不超過600℃。

當鈦的表面溫度超過600℃時,將在空氣環境中發生極快的氧化反應,外層抑制燃燒的氧化膜迅速脫落,使其高溫性能受到明顯破壞,甚至會產生致命的“鈦火”現象。為了提高鈦合金的使用溫度,開發新型耐高溫鈦合金或者鈦化鋁合金、使用新型高效氣冷葉片技術和研制新型高溫抗氧化涂層,成為耐高溫鈦合金研究領域的3大主要任務我國航空發動機在役和在研的主要高溫鈦合金使用溫度呈不斷提高的發展趨勢,現役發動機上使用的鈦合金主要有TC-4,TC-11,TC-14等,主要用于發動機風扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件,工作溫度區間為400-500℃。上世紀90年代為當時新研制的渦扇發動機配套研制了耐550℃高溫鈦合金TA-12,但工程化時遇到較大的技術問題,后經成分優化,去除了稀土元素釹,重新命名為TA-32。

近年來,隨著推比10等新一代發動機對高溫鈦合金的迫切需求,600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、鈦化鋁合金和碳化硅纖維增強鈦復合材料成為新型高溫鈦合金的發展重點。國內幾家科研院所在600℃高溫鈦合金方面開展了大量研究。如北京航空材料研究院研制的新一代600℃高溫鈦合金TA-29,其制成的鈦合金整體葉盤零件已通過了高溫超轉破裂、低循環疲勞、葉片振動疲勞強度考核。TA-29鈦合金大規格棒材、整體葉盤鍛件和零件已具備小批生產能力。TA-29鈦合金具有十分優良的高溫性能,在其他性能滿足設計要求時,還可延伸至620℃左右長期使用。除在航空發動機領域具有很好的應用潛力外,TA-29鈦合金在750至800℃仍能保持較高的抗拉強度,可在此溫度區間短時使用,在航天領域,可應用于超高聲速導彈、火箭、飛行器、空天飛機等裝備的機體構件、蒙皮,以及航天發動機的高溫部件。

鈦化鋁(TiAl)合金因其熔點高、比強度高、高溫蠕變性能好及抗高溫氧化能力好等優點,成為最具應用潛力的高溫結構材料之一。在700至850℃溫度范圍內,鈦化鋁合金的比強度顯著高于普通鈦合金和基高溫合金等材料。美國GE公司研制的GEnx發動機,法美合資的CFM公司最新研制生產的LEAP發動機均采用了鈦化鋁渦輪葉片,試驗證明可顯著減輕發動機重量,提高發動機性能和節省約15%的燃油消耗。中國科學院沈陽金屬研究所采用離心精密鑄造方法制造的國產γ-TiAl合金低壓渦輪葉片,已在英國羅羅公司的Trent XWB大推力大涵道比發動機上完成了覆蓋一個大修周期的1750次模擬飛行循環考核試驗。有關專家稱,沈陽金屬所研制的γ-TiAl合金在航空航天發動機用低壓渦輪葉片和高壓壓氣機葉片、汽車增壓渦輪和排氣閥等高溫結構部件都有著廣泛的應用前景。

華中科技大學的有關科研人員采用激光合金化新技術在普通鈦合金板材表面制備出了耐1000℃高溫的鈦化硅/鈦化鋁復合涂層,其高溫抗氧化性能比普通鈦材和鈦合金基體提高了12.3倍,在保持鈦合金固有性能優點的條件下有效解決了其高溫抗氧化性能差,易產生“鈦火”的難題。

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