一步跨越七代单晶合金 我国航空发动机材料创新 | 航空发动机专题

前几篇文章我们研究过航空发动机上使用的各种先进材料，比如金属基复合材料，可以代替碳纤维复合材料和钛合金，用以制造风扇叶片和压气机前级叶片。陶瓷基复合材料，可以代替镍基单晶高温合金用以制造涡轮叶片、燃烧室及尾喷口调节片等部件。

那么发动机高压压气机有没有更好的材料呢？高压压气机传统的材料通常是钛合金和高温合金。但这两种材料也有其缺点，钛合金因为化学属性相对活泼，在高温下容易起火燃烧，被称为“钛火”。现在高性能航空发动机的高压压气机出口温度已经达到六七百度，即使专门研制的阻燃钛合金最高工作温度也只有六百度左右，这就导致钛合金在高压压气机上的使用受到一定限制。高温合金虽然能够在这样的温度下工作，但是重量大，不利于发动机减重。所以通常高压压气机的前几级叶片使用钛合金，后几级叶片使用高温合金。钛合金我们可以用更轻而坚固的铝基复合材料来代替，但是铝的熔点相对比较低，代替不了高温合金，于是航空发动机设计师们找到了另一类更合适的材料-TiAl金属间化合物，也称TiAl合金。

TiAl 金属间化合物合金密度仅3. 8 ～ 4. 0 g/cm3，只有镍基高温合金的一半，比钛合金还低 10%～15%。室温弹性模量高达160～170 GPa，比钛合金高 33 %，而且弹性模量在750 ℃高温下还能保持150 GPa，与高温合金相当。所谓弹性模量是指材料的刚度，也就是材料在受力的情况下抵御变形的能力。TiAl 合金还具有高比强度，室温至800 ℃强度保持率达80 %，高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在 760～800 ℃长期工作，是非常有发展前途的航空发动机用轻质耐高温结构材料。综合性能指标优于镍基高温合金，韧性又高于普通的陶瓷材料，在替代650–750 度下使用的镍基高温合金方面具有很大优势，被当做高推重比航空发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。

欧美发达国家已相继在TiAl金属间化合物研究方面取不少应用成果，用在先进航空发动机的高压压气机叶片上，并已交付发动机装配测试。美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb（简称4822）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，使发动机减重约200磅，节油20%，氮化物（NOx）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技术进展。

我国在TiAl金属间化合物的研制上也取得了国际先进水平的科研成果，2016年南京理工大学陈光教授团队在TiAl金属间化合物材料研究上实现了新的重大突破，所研制的PST TiAl单晶合金（Ti-45Al-8Nb）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，该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa，可以一举将目前TiAl金属间化合物的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。我们知道，镍基单晶高温合金的工作温度每提高30℃左右，即为一代新合金。而陈光教授团队发明的PST TiAl单晶合金，直接将工作温度提高了150~250℃以上，相当于发展了七代单晶高温合金。

图a：PST TiAl单晶合金（Ti-45Al-8Nb）从0度到900度屈服强度没有出现大幅下降，

900度下仍然保持了637Mpa，因此其使用温度有可能达到900度，比常规TiAl合金足足高了200度左右。

图b/c ：室温下（b）和900度（c）下的真应力应变曲线和加工硬化速率。

图d：900度下样品拉伸后的显微镜照片。经高温变形后，孪晶和位错同时出现，孪晶是PST TiAl单晶合金（Ti-45Al-8Nb）增韧获取高室温塑性的主要方法。

以GEnx发动机发动机为例，其低压涡轮共七级，目前只用4822合金替代了最后两级低压涡轮就已经取得不错的收益，如果使用我国新研制的PST TiAl单晶合金有望进一步扩展在低压涡轮上的使用范围，如果将七级低压涡轮材料全部替换将获得三倍以上的收益。从PST TiAl单晶合金的最高工作温度来看，距离镍基单晶高温合金所能达到的工作温度仍有一百多度到两百度的差距，所以无法全部取代高压涡轮叶片上使用的镍基单晶高温合金，但是已经可以取得相可观的收益。对于军用涡扇发动机来说，通常只有一级高压涡轮和一级低压涡轮，燃烧室喷出的高温燃气经过低压涡轮时温度仍然很高，在军用发动机低压涡轮上使用TiAl金属间化合物可能仍然受到限制，但是用在高压压气机上是完全没问题的。

陈光教授团队研制的PST TiAl单晶合金不仅强度高，室温塑性更是超过6.9%，实现了高强高塑的优异结合。TiAl金属间化合物虽然强度高，耐氧化，但是也有个缺点就是室温塑性差，比如4822合金，其室温塑性还不到2%。简单讲就是比较脆，在加工和使用过程中容易出现断裂。而PST TiAl单晶合金将室温塑性提高到了6.9%以上，可以大大提高材料的韧性，对扩大TiAl金属间化合物的使用范围具有非常大的价值，是我国航空发动机材料领域跨越性的突破。

图a：4822合金（Ti–48Al–2Cr–2Nb）在150Mpa和220Mpa下的蠕变强度时间曲线。

图b：PST TiAl单晶合金（Ti-45Al-8Nb）和4822合金（Ti–48Al–2Cr–2Nb）最小蠕变速度比较。

更为重要的是，PST TiAl单晶合金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GEnx发动机所用的4822合金1~2个数量级，高出1~2个数量级就意味着高出10倍到100倍的性能。

PST TiAl单晶合金（Ti-45Al-8Nb）与4822合金（Ti–48Al–2Cr–2Nb）的耐疲劳性能对比

从这些技术指标上来看，PST TiAl单晶合金的性能已经远远超过了4822合金。陈光教授团队采用纳米孪晶强韧化方法制备的PST TiAl单晶合金属于金属间化合物研究的重大突破，所谓PST指的就是纳米孪晶强韧化。一方面，这种强韧化技术方法对于其他金属间化合物可能是普适的，有望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。被航空业内专家评价为中国原创，绝对世界领先。