耐高溫鈦合金葉片將應(yīng)用于航空發(fā)動機

鈦的密度比鋼輕約40%，而強度與之相當，熔點為1668℃，按理說應(yīng)該是一種十分優(yōu)異的航空發(fā)動機用高溫金屬材料。但是在實際應(yīng)用中，鈦合金材料只能用于溫度較低的航空發(fā)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(qū)間一般為350至400℃，一般不超過600℃。這是因為當鈦的表面溫度超過600℃時，將在空氣環(huán)境中發(fā)生極快的氧化反應(yīng)，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(chǎn)生致命的“鈦火”現(xiàn)象。為了提高鈦合金的使用溫度，開發(fā)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(shù)和研制新型高溫抗氧化涂層，成為耐高溫鈦合金研究領(lǐng)域的3大主要任務(wù) 。據(jù)國內(nèi)公開資料披露，我國航空發(fā)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(fā)展趨勢，現(xiàn)役發(fā)動機上使用的鈦合金主要有TC4，TC11，TC14等，主要用于發(fā)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(qū)間為400-500℃。上世紀90年代為當時新研制的渦扇發(fā)動機配套研制了耐550℃高溫鈦合金TA12，但工程化時遇到較大的技術(shù)問題，后經(jīng)成分優(yōu)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(fā)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(fā)展重點。國內(nèi)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TA29，其制成的鈦合金整體葉盤零件已通過了高溫超轉(zhuǎn)破裂、低循環(huán)疲勞、葉片振動疲勞強度考核。TA29鈦合金大規(guī)格鈦棒、整體葉盤鍛件和零件已具備小批生產(chǎn)能力。公開資料稱，TA29鈦合金具有十分優(yōu)良的高溫性能，在其他性能滿足設(shè)計要求時，還可延伸至620℃左右長期使用。除在航空發(fā)動機領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力外，TA29鈦合金在750至800℃仍能保持較高的抗拉強度，可在此溫度區(qū)間短時使用，在航天領(lǐng)域，可應(yīng)用于超高聲速導彈、火箭、飛行器、空天飛機等裝備的機體構(gòu)件、蒙皮，以及航天發(fā)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(yōu)點，成為最具應(yīng)用潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。在700至850℃溫度范圍內(nèi)，鈦化鋁合金的比強度顯著高于普通鈦合金和鎳基高溫合金等材料。美國GE公司研制的GEnx發(fā)動機，法美合資的CFM公司最新研制生產(chǎn)的LEAP發(fā)動機均采用了鈦化鋁渦輪葉片，試驗證明可顯著減輕發(fā)動機重量，提高發(fā)動機性能和節(jié)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(chǎn)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(fā)動機上完成了覆蓋一個大修周期的1750次模擬飛行循環(huán)考核試驗。有關(guān)專家稱，沈陽金屬所研制的γ-TiAl合金在航空航天發(fā)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(jié)構(gòu)部件都有著廣泛的應(yīng)用前景。