揭秘发动机单晶高温合金 国外已发展到第四代

2016-04-22 10:58:00 中国航空报 分享
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  单晶高温合金叶片是航空发动机热端最为关键的部件之一,被誉为 “皇冠上的明珠”,服役环境极为苛刻,在高温、腐蚀环境下承受大载荷,而且需要上千小时的寿命。

  单晶高温合金从研制到成熟可用需经历较长的时间。在欧美发达国家,即使在科学、工业技术上具有雄厚的基础,一种单晶高温合金从研制到成熟可用也需要经历15年以上的研制周期。比如,美国GE公司目前大量应用的第二代单晶高温合金René N5,在20世纪80年代初开始合金研制,到90年代中后期合金才得到应用;美国PW公司大量应用的第二代单晶高温合金PWA1484,在20世纪80年代初期开始研制,90年代中后期才应用在F110等先进航空发动机上。

  单晶高温合金叶片研制难度和周期与其结构复杂性有关,普通复杂程度的单晶叶片研制周期较短,但在航空发动机上应用也需经历较长的时间。从单晶实心叶片到单晶空心叶片、到高效气冷复杂空心叶片等,技术难度跨度很大,相应的研制周期跨度也较大。一般一种普通复杂程度的单晶空心叶片从图纸确认、模具设计到试制、再到小批投产,需要1~2年时间。但单晶叶片由于其复杂的服役环境,需要进行大量的验证试验,一般一种普通结构的单晶空心叶片从研制出来以后到航空发动机上应用需5~10年的时间,有的随发动机研制进度,甚至需要15年或更长的时间。

  目前单晶合金材料已发展到第四代,承温能力提升到1140℃,已近金属材料使用温度极限。未来要进一步满足先进航空发动机的需求,叶片的研制材料要进一步拓展,陶瓷基复合材料有望取代单晶高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用。

  单晶高温合金仅用于制造单晶叶片,一台先进航空发动机约需要100~200片单晶叶片,单晶合金叶片总重不超过50公斤。因此,即使面对市场广阔的民机市场,全世界单晶叶片的市场需求是相当有限的。据初步统计,全世界先进航空发动机每年对单晶高温合金的需求仅约200~400吨。

  (边际)

责编:周扬