南理工航空材料研究重大突破：助力飛機擁有更強「中國心」

中國江蘇網6月21日訊(記者王宛璐)北京時間6月20日晚，材料領域國際級期刊Nature Materials(《自然材料》發表了南理工材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊的最新科研項目，作為新型航空航天材料方面的「重量級突破」，該項研究有望助力飛機擁有一顆更強「中國心」。

材料領域國際級期刊Nature Materials(《自然材料》發表了南理工陳光教授團隊的最新科研項目

突破：最新材料優於目前最先進合金1-2個數量級

航空發動機被譽為飛機的心臟，葉片則是航空發動機中最關鍵的核心部件。據悉，目前國內飛機發動機材料多使用鎳基高溫合金，葉片的高昂造價達幾十萬元左右，發動機自身重量也較重。美國GE公司採用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金製造了GEnx發動機最後兩級低壓渦輪葉片，使單台發動機減重約200磅，節油20%，氮化物(NOx)排放量減少80%，噪音顯著降低，2007年試飛成功，2009年正式投入商業運營。據悉，目前4822作為美國最先進的航空材料運用於播音787、747等高舒適度機型當中。

陳光教授團隊經過長期研究，在材料性能上實現了新的大幅度跨越，所製備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa，抗拉強度高達978MPa，實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是，該合金在900℃時的拉伸屈服強度為637MPa，並具有優異的抗蠕變性能，其最小蠕變速率和持久壽命均優於已經成功應用於GEnx發動機的4822合金1~2個數量級，有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。

陳光教授在發布會現場介紹最新科研成果

應用：打破溫度「門檻」將與高溫合金「同台競技」

「許多年來，國內外專家都沒有做到的事情，陳光教授團隊做到了。相信國內外同行看到這一成果，都與我有一樣的感受，那就是『眼前一亮』。」中國科學院院士、中國鈦合金研究與應用創始人之一、鈦合金和鈦-鋁系金屬間化合物專家曹春曉告訴記者，通常來說，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。陳光教授團隊發明的TiAl單晶合金，一下將承溫能力提高了150~250℃以上，是重大突破，屬引領性成果。「這項材料技術的原始創新性、突破性、引領性對於我國航空航天事業的發展具有重大價值。」據曹院士介紹，一般而言，飛機發動機每分鐘至少一萬轉，高溫下蠕變速率會改變，而塑性與蠕變速率往往是「矛盾體」，陳光教授團隊的新研究既提高了室溫塑性又提高了使用溫度，可以說實現了「瓶頸突破」。但曹院士也表示，目前此項研究為基礎研究結果，到應用階段還有一段路要走。

中國航空動力機械研究所渦輪設計部副部長設計師康劍雄，作為航空發動機設計一線的專家也從應用領域對新成果給予了肯定。「『一代材料，一代航空發動機』，這句話充分說明了材料的重要性。」康劍雄說，目前高溫合金通常以20度為一個「門檻」，而陳光教授團隊的研究一下將承溫能力提高了150℃到250℃以上，該設計一躍成為可與高溫合金「同台競技」的新材料。他表示，如果該項研究未來投入到實際使用中，不僅能大大降低飛機葉片重量，還有望降低渦輪盤的重量，總而為飛機總體減重。

最新科研成果在材料塑性和承溫上取得新突破

展望：新材料未來有望「造福」航天航空以外領域

「以目前美國最先進的4822為例，設計師只敢把合金用在發動機最後兩級的低壓渦輪葉片上，主要原因是他所使用的合金拉伸塑性只有百分之一點幾，安全性不能有十足的保障。」陳光教授告訴記者，材料塑性性能低不僅對安全性是很大隱患，其所造成的易碎、易折斷也加大了運輸和裝配過程中成本。而他們研究的新材料室溫拉伸塑性達6.9%，將大大對提升飛機安全性有很大的保障作用。承溫能力的提升則是該研究項目的另一大突破。「以4822材料承熱能力650℃到750℃之間為例，目前合金材料只能用於發動機最後兩級葉片上。我們的新材料承熱能力在900℃以上，就有可能從最尾兩級向前方更高溫段應用。簡單而言就是，鈦鋁合金能夠替代鎳基高溫合金的溫度區間越大，發揮減重的能力就越大。」陳教授說，發動機減重，隨之帶來的節約燃油、降低噪音、減少氮氧化物排放等好處不勝枚舉。

「目前我們還是基礎研究階段，預計進入應用階段還要5-10年的時間。工藝成熟之後，如果新材料可替代目前廣泛使用的鎳基高溫合金，將大幅降低材料成本。」陳教授給記者算了一筆賬：鎳基高溫合金的元素非常昂貴，其中以錸元素為例，它比黃金還貴好幾倍，而僅這一元素就占鎳基高溫合金材料成本的70%以上。如果使用最新的鈦鋁合金，裡面沒有貴金屬，鈦和鋁元素的成本與鎳基高溫合金相比，幾乎可以說是「忽略不計」。那麼，隨著科技的發展，這項研究是否有望「造福」其他領域呢？陳教授打了個比方：發動機是整個飛機的「心臟」，渦輪盤是「皇冠」，葉片則好比皇冠上的「珍珠」。「葉片既受力又受熱，是工作條件最惡劣的部位，所以能在這裡使用的材料，運用到其他部位就更沒有問題了。就好比你的身體素質可以在喜馬拉雅山上生活，再到南京生活就更加舒適了。」陳教授表示，新材料成熟之後如果可以運用在飛機葉片上，就有可能運用在航天航空以外領域，包括汽車及其他製造領域。

（責編：tibet）

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