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南京理工大學(xué)材料評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)教育部工程研究中心陳光教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家973計(jì)劃等資助下，經(jīng)長(zhǎng)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(guān)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》)。

航空航天技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)和國(guó)防實(shí)力的重要體現(xiàn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為飛機(jī)的心臟，葉片則是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的核心部件，其承溫能力直接決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，尤其是推重比。

美國(guó)GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡(jiǎn)稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金制造了GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)最后兩級(jí)低壓渦輪葉片，使單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，2007年試飛成功，2009年正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，成為當(dāng)時(shí)航空與材料領(lǐng)域轟動(dòng)性的進(jìn)展。

陳光教授團(tuán)隊(duì)的研究成果在材料性能上實(shí)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(qiáng)度分別高達(dá)6.9%和708MPa，抗拉強(qiáng)度高達(dá)978MPa，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)高塑的優(yōu)異結(jié)合。更為重要的是，該合金在900℃時(shí)的拉伸屈服強(qiáng)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(yīng)用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的4822合金1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。

通用GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)

為縮短我國(guó)與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，國(guó)家已將航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)列為“重大科技項(xiàng)目”，并于2016年3月正式成立了“中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)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(tuán)隊(duì)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(lǐng)性成果。這項(xiàng)關(guān)鍵材料技術(shù)誕生于我國(guó)，是我們國(guó)家和民族的驕傲與自豪！不僅對(duì)我國(guó)的航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重大價(jià)值，有助于中國(guó)飛機(jī)有一顆更強(qiáng)的‘中國(guó)心’,也必將對(duì)維護(hù)世界和平、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展起到積極作用?！?/span>

科技部先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料主題專家組組長(zhǎng)、北京航空材料研究院副總工程師張國(guó)慶研究員指出：“高溫合金是‘重點(diǎn)新材料研發(fā)與應(yīng)用’國(guó)家重大工程的關(guān)鍵研發(fā)內(nèi)容之一，輕質(zhì)高強(qiáng)材料是國(guó)家新材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。TiAl合金因其優(yōu)異的比強(qiáng)度和高溫性能，已成為有航空航天應(yīng)用前景的新型高溫結(jié)構(gòu)材料及傳統(tǒng)高溫合金的未來替代材料。南京理工大學(xué)陳光教授團(tuán)隊(duì)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(duì)于新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展和應(yīng)用具有非常重要的意義”。

長(zhǎng)期從事高溫結(jié)構(gòu)材料研究的中國(guó)科學(xué)院金屬研究所袁超研究員認(rèn)為：“陳光教授團(tuán)隊(duì)采用納米孿晶強(qiáng)韌化方法制備的單晶TiAl不僅強(qiáng)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(yīng)用于其他金屬間化合物，引領(lǐng)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)，具有重大工程意義”。并指出：“該成果是中國(guó)原創(chuàng)，絕對(duì)世界領(lǐng)先。建議國(guó)家加大支持力度，盡快完成該合金全面性能測(cè)試，真正應(yīng)用于我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片制造”。

陳光教授簡(jiǎn)介

南京理工大學(xué)材料評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)教育部工程研究中心主任、金屬納米材料與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任，二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師。中國(guó)新材料技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)金屬間化合物與非晶合金分會(huì)理事、江蘇省中青年科技領(lǐng)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(jìn)材料國(guó)際研討會(huì)主席。

作為第一主研人主持完成的成果中，榮獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、江蘇省科技一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，并榮獲中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)?人物獎(jiǎng)、先進(jìn)金屬間化合物與先進(jìn)材料國(guó)際研討會(huì)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)。

鈦鋁合金簡(jiǎn)介（據(jù)中國(guó)航空?qǐng)?bào)）

TiAl基合金密度低，彈性模量高，綜合性能指標(biāo)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(dāng)做高推重比先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料。歐美和日本等國(guó)已相繼在鈦鋁合金向先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究方面取得深入的進(jìn)展，運(yùn)用先進(jìn)的工藝方法，相繼研發(fā)出高壓壓氣機(jī)葉片等零部件，并已交付發(fā)動(dòng)機(jī)裝配測(cè)試。

背景

自鎳基合金的研制成功以來，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用得到了很大的推進(jìn)。通過改進(jìn)和發(fā)展鎳基超合金和鈦基合金，以及應(yīng)用先進(jìn)的制造工藝，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪級(jí)數(shù)逐漸減少，單級(jí)負(fù)荷不斷增大，零件的應(yīng)力水平越來越高，工況越趨惡劣，葉片等關(guān)鍵零件的結(jié)構(gòu)也越趨復(fù)雜，已將傳統(tǒng)的兩種主要高溫結(jié)構(gòu)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(jìn)、更可靠的材料和工藝才能滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

γ-TiAl基合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能，而且密度低，彈性模量高，綜合性能指標(biāo)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(diǎn)使其成為航空、航天、飛航導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件的最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

TiAl合金應(yīng)用現(xiàn)狀

TiAl基合金目前實(shí)際應(yīng)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(yīng)用和推廣。近期內(nèi)發(fā)展起來的高Nb-TiAl系金屬間化合物在高溫強(qiáng)度及抗氧化性方面已取得了很大進(jìn)展，高熔點(diǎn)組元Nb的加入提高了合金的熔點(diǎn)和有序溫度，從而使合金的使用溫度達(dá)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(qiáng)度的同時(shí)，也進(jìn)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(jì)90年代以來，世界各國(guó)的研究者都把熱塑性加工技術(shù)的研究和開發(fā)作為TiAl基合金的研究重點(diǎn)，長(zhǎng)期以來TiAl基合金的熱塑性加工及其相關(guān)領(lǐng)域的研究十分活躍。對(duì)TiAl合金進(jìn)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(xì)小而均勻的顯微組織，也能夠進(jìn)一步滿足等溫鍛造成形的需要。進(jìn)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(yīng)用。

美國(guó)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(yùn)輸機(jī)CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過了1000個(gè)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(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)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(jī)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(jī)葉片，并且將這種葉片交付發(fā)動(dòng)機(jī)裝配進(jìn)行測(cè)試。

TiAl合金應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

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(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計(jì)劃在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，將減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量200～300千克以上。空中客車和波音公司正致力于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推比，低壓渦輪減重潛力最大，在不久的將來渦輪后部轉(zhuǎn)子葉片將采用鈦鋁合金葉片。分析表明，未來發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)對(duì)γ-TiAl低壓渦輪葉片的年需求量高達(dá)一百萬件，將代替目前先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最后一級(jí)較重的鎳基葉片。NASA報(bào)告指出，到2020年鈦鋁基合金及其復(fù)合材料的用量在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)中將占有20%左右的份額。

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