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材料之殇:从小学知识说起,说说航空发动机

时间:2019-02-22 11:19来源:老和山下的小学僧 作者:中国航空


话说回来,我们怎么说也是五大流氓,并非一无是处,如果不要求第一,只要求前五的话,还真没啥不会的技能。

2016年6月,一则《中国航空发动机材料重大突破,寿命优于美国 1~2 个数量级》的新闻让许多人一阵骚动,细细拜读陈教授大作,只能说“进步很大,但差距依然不小”。简单解析一下:这则新闻源自南京理工大学陈光教授团队在《NATURE MATERIALS》(影响因子38,搞科研的同学都吓尿了吧)上发表的一篇论文,大意是“高温PST钛铝单晶”取得重大突破。

材料制备,本质上就是让原子按某种规律排列,高雅一点叫:定向结晶。这和兵法阵形差不多概念:让原子排列的方向,全部对着受力方向,这样的金属叶片强度就高。但是高温下,金属都会热胀冷缩,经这一折腾,阵形就乱了,高雅一点叫:高温下的合金蠕变。

陈教授研究的钛铝合金,属于比较主流的发动机叶片材料。陈教授在合金结构里加了Nb,这可不是撒胡椒粉那种加法,加Nb是很讲究的。Nb有啥用呢?这阵形的主力士兵是钛铝原子,在阵形的关键位置,安排了Nb原子这个传令兵,士兵就不怕走散,可以分开的距离就更大一些,在材料上表现为延展性能提升。同时,这个传令兵也不会让士兵分的太远导致阵形溃散,他会把士兵控制在一个有效范围内,这在材料上表现为拉伸强度提升。

PST在900度下抵住了637MPa的高拉伸强度,什么概念呢?——“这简直屌炸天了!”一位不愿意透露姓名的材料学家说。

 


 

蓝色线是美国波音客机GEnx引擎中的合金(简称4822合金)的蠕变抗力,红线是陈教授的PST钛铝单晶,线条往上翘就表示挂了。解读一下:

100MPa蠕变应力:4822不到100小时就挂了,PST超过了800小时还没挂,看趋势不知道多久会挂。

150MPa蠕变应力:4822抗了5个多小时,PST抗了350小时。

210MPa蠕变应力:4822抗了1个多小时,PST抗了100小时。

这就是新闻上说的比国外先进2个数量级的那个参数。在钛铝合金这块,我们算是出头了。

为啥还说差距依然不小?

但凡上天,减重自不用多说,原则上,叶片重量越轻、强度越高,越好。所以发动机会根据不同级叶片的工作环境,采用不同的材料,尽量降低发动机重量。钛铝合金和镍基合金,前者轻但不牢靠,后者牢靠但重,两者密度相差一半。

陈教授的PST合金可以耐900度,通常认为气膜冷却能贡献400度,隔热涂层能贡献100度,这样算下来,保守估计锅前温度能到1750K,这基本可以搞定三代发动机。拍着脑门想想,若现有三代发动机全用PST替换,这画面真是不敢想,搞不好推重比全都超过10了!就连美帝也得哭!

但是在1000度条件下,PST拉伸强度下降到238MPa,估计很快被扭成麻花。所以四代发动机,只能用在压气机和低温涡轮那里,核心的高压涡轮还是够呛。比如,美帝有款发动机的高压压气机共9级,前3级钛合金,后6级镍基,这6级基本可以用PST替换,还有新闻里的GENx,低压涡轮的镍基合金也可以被替换。

不过四代发动机还得用上镍基,我们的镍基合金仍处于被吊打的阶段,高端镍材全靠进口,基本被美德日垄断。看看美帝的四代镍基合金EPM102,400MPa/1000度,轻松撑过1000小时,对数据不敏感的同学回看一眼PST的参数(210MPa/900度,116小时)。


 

战斗机还有“开加力”一说,就是在发动机后面再装一个大圆筒,紧急时刻拼命往里倒燃料。这和吃兴奋剂没区别,瞬间增加50%的推力,但对材料的磨损极其严重,非常影响寿命!发动机在加力状态下,一般不会超过5分钟!

“最大推力”是指开加力的推力,“中间推力”是指不开加力的最大推力。


有了这些知识打底,咱就能解读一些新闻了。

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