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www.lo622.com中华夏族民共和国航空内燃机材质获越

时间:2019-05-24 23:01来源:lo622.com
增材制造技术已成为加快中国制造业转型升级的重要手段之一。但增材制造粉末材料大部分依赖进口,种类有限,且高性能粉末对中国禁售。随着国防武器装备减重需求的日益增长,铝

增材制造技术已成为加快中国制造业转型升级的重要手段之一。但增材制造粉末材料大部分依赖进口,种类有限,且高性能粉末对中国禁售。随着国防武器装备减重需求的日益增长,铝合金零件增材制造需求也越发迫切。目前常用增材制造铝合金粉末材料只有AlSi10Mg一种材料,室温拉伸强度小于400MPa,无法满足航空、航天领域的需求。国外空客公司针对航空用铝合金零件增材制造需求,开发出世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料,室温拉伸强度达到520MPa以上,为国际领先水平,已经应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造。

南京理工大学陈光教授团队在国家973计划等资助下,经长期研究,在新型航空航天材料钛铝合金方面取得跨越性突破。6月20日,相关成果在线发表于《自然材料》上。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。

南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队在国家973计划等资助下,经长期研究,在新型航空航天材料钛铝合金方面取得重大跨越性突破。相关成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高温PST钛铝单晶)于2016年6月20日在线发表于Nature Materials。

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2007年,波音787飞机试飞成功。这种新型飞机可节油20%,氮化物排放量减少80%,噪音显著降低,从而引发全球关注。

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△市场上已有增材制造所需铝合金粉末材料牌号及主要性能

这种飞机发动机由美国通用电气公司研制,采用Ti-48Al-2Cr-2Nb合金替代镍基高温合金,制造出最两级低压涡轮叶片。

陈光教授在发布会上介绍研究成果

2019年3月,南极熊了解到,中国航天科工集团下属湖南航天长沙新材料产业研究院,在集团公司型号产品需求牵引下,通过添加稀土元素及化学成分调整、后处理工艺摸索等手段,成功研制出了一种高强铝合金粉末材料并申请了相关专利若干篇。通过在国内多家用户不同型号设备上机使用验证,此种合金粉末材料的成型零件室温拉伸强度达到535MPa以上,屈服强度达到510MPa以上,延伸率达到12%以上。与国外空客公司研发的高强铝合金粉末产品性能相当,已在航空、航天等领域推广应用。

这是钛铝合金首次应用在航空发动机上。

航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机被誉为飞机的心脏,叶片则是航空发动机中最关键的核心部件,其承温能力直接决定着发动机的性能,尤其是推重比。

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GE公司采用的4822合金也称不上完美,它的室温拉伸塑性不到2%,虽然足以傲视其他金属间化合物,但它跟镍基合金比起来还是显得太脆了。因此,GE公司把它用在了环境温度、危险系数最低的末端两级叶片上,这样即使发生折断也不会导致整架飞机失控。

美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机最后两级低压涡轮叶片,使单台发动机减重约200磅,节油20%,氮化物排放量减少80%,噪音显著降低,用于波音787飞机,2007年试飞成功,2009年正式投入商业运营,成为当时航空与材料领域轰动性的进展。

△高强铝合金粉末

美国人这么做是看重钛铝合金的密度仅为镍基合金的一半。在以克为减重单位的飞机发动机上,GE公司使单台发动机减重约200磅,成为当时航空与材料领域轰动性的进展。

陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了新的大幅度跨越,所制备的PST TiAl单晶室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa,抗拉强度高达978MPa,实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是,该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa,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已经成功应用于GEnx发动机的4822合金1~2个数量级,有望将目前TiAl合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。

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www.lo622.com,因此,钛铝合金成为目前公认的替代镍基高温合金的最佳新型轻质结构材料。

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陈光教授团队的研究成果在材料性能上实现了三大突破:

通用GEnx发动机

△高强铝合金粉末材料成型典型组织

一是室温拉伸塑性和屈服强度极大提升,分别高达6.9%和708MPa,抗拉强度高达978MPa,实现了高强高塑的优异结合。二是抗蠕变性能优异。三是承温能力大大提高。

为缩短我国与欧美发达国家的差距,国家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”。

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航空发动机被誉为飞机的心脏,受制于基础研究能力不足,目前我国民用航空发动机基本依赖进口,军用战机发动机虽然有了一定进步,但是关键性能指标与发达国家还有差距。其中,涡轮叶片是航空发动机中最关键的核心部件,其承温能力直接决定着发动机的性能,尤其是推重比。传统镍基合金虽然各方面性能都不错,但是它最大的缺点是太重,直接导致发动机的能效比得不到提高。因此,各国科学家们从未停止寻找制造航空发动机合适材料的努力。

北京航空材料研究院曹春晓院士指出:“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。陈光教授团队发明的TiAl单晶合金,一下将承温能力提高了150~250℃以上,是重大突破,属引领性成果。这项关键材料技术诞生于我国,是我们国家和民族的骄傲与自豪!不仅对我国的航空航天事业的发展具有重大价值,有助于中国飞机有一颗更强的‘中国心’,也必将对维护世界和平、促进社会发展起到积极作用。”

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“一代材料一代发动机。”中国航空动力机械研究所涡轮设计部副主任设计师康剑雄说,PST钛铝合金使用温度达900℃以上,已经可以与镍基合金同台竞技,它不仅可用于叶片,还有望用在涡轮盘、高压压缩涡轮等部件上。

科技部先进结构与复合材料主题专家组组长、北京航空材料研究院副总工程师张国庆研究员指出:“高温合金是‘重点新材料研发与应用’国家重大工程的关键研发内容之一,轻质高强材料是国家新材料领域的重要发展方向。TiAl合金因其优异的比强度和高温性能,已成为有航空航天应用前景的新型高温结构材料及传统高温合金的未来替代材料。南京理工大学陈光教授团队研究成功的‘PST高温TiAl合金单晶’大幅度提高了高温性能,显著改善了材料塑性,对于新型轻质高温结构材料的发展和应用具有非常重要的意义”。

△高强铝合金增材制造成形零部件

一个新型材料从实验室到装上飞机,还有漫长的道路要走。据陈光估计,PST钛铝合金实现应用还有5—10年。

长期从事高温结构材料研究的中国科学院金属研究所袁超研究员认为:“陈光教授团队采用纳米孪晶强韧化方法制备的单晶TiAl不仅强度高,室温塑性更是超过6.9%,属于金属间化合物研究的重大突破。一方面,这种发现有可能应用于其他金属间化合物,引领新一轮金属间化合物研究热潮,具有重大理论意义。另一方面,高塑性为其真正工程应用奠定基础,具有重大工程意义”。并指出:“该成果是中国原创,绝对世界领先。建议国家加大支持力度,尽快完成该合金全面性能测试,真正应用于我国航空发动机的叶片制造”。

湖南航天长沙新材料产业研究院,作为中国航天科工集团增材制造技术创新分中心和全国增材制造标准化技术委员会专用材料工作组成员单位,已向市场推出了包括镍基高温合金、铜合金、钛合金、不锈钢,以及钨、钽等多种高品质球形金属粉末产品,产品性能得到集团内外客户的高度认可。航天新材将秉承与国内外各单位合作共赢的态度,共同推动中国增材制造产业的快速发展,助力中国制造转型升级。

本文刊登于2016年6月22日《科技日报》1版

国产的金属3D打印粉末材料厂商,从总体上说,正在不断努力直追,这次高强铝合金粉末产品性能达到国际先进水平,是一个很好的案例。

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