中国关键发动机材料获国家一等奖
2017-01-16 12:14:06
作者:候知健 来源:航空制造网
2016年度,中国北航徐惠彬/宫声凯团队研制的铈酸镧(LC)陶瓷热障涂层(1300℃级别)获得了国家技术发明一等奖。目前已经广泛应用在我国发动机产品中,据报道占国内95%以上产量叶片均采用了该技术。根据我国官方报道的评价,该技术使“中国已经赶上了国际最先进的步伐。 ”
现代航空喷气发动机的主要原理,是风扇和压气机高速旋转,吸入大量空气并将其高度压缩送进燃烧室;然后与喷出的燃油混合进行剧烈的燃烧,并生产出大量的高温高速燃气向后方喷射,为飞机提供前进的动力。
图:从上到下分别是涡轮喷气发动机、小涵道比涡扇发动机(战斗机就用的这类)、大涵道比涡扇发动机的简单结构示意图。为了简单直观起见,图中发动机省去了加力燃烧室等结构。
而为了有效的驱动风扇和压气机旋转,发动机又必须在燃烧室里,设置由高温燃气直接推动的涡轮叶片,通过发动机轴系驱动风扇和压气机。这样一来,燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘等部件,就要长期和高温燃气直接接触。由于在非常高的温度下工作,因此它们也被称为发动机的热端部件。
这些部件能够承受越高的温度,那么发动机燃烧室内的燃烧就可以进行的越是猛烈和持久;发动机也越是能做出更高的推力,更长久的寿命。为了做到这一点,这些热端部件至少需要三个方面性能出色——能耐受更高温度的部件基体材料,合理高效的冷却设计,高耐热、低导热的隔热涂层材料。
在基体材料上,以现代航空发动机涡轮叶片为例,它的合金成分一直是以镍为主的高温合金。由于工艺方法的不同,它又可以分为锻造合金、铸造合金、以至于现在流行的定向凝固合金(典型如AL-31F)、单晶合金(比如太行等)。目前最先进的涡轮叶片都采用单晶叶片——整个叶片都是一个晶粒。但是只靠镍基材料本身硬抗,能力也是有限的。比如要求150MPa下1000小时不断裂,则单晶叶片做的再好也非常难以明显超过1100度左右的水平。
为了跳出单纯材料本身熔点带来的温度限制,在上世纪60年代,英国罗·罗公司又开发了冷却叶片——它将涡轮叶片做成空心的,将冷空气从叶片中间通过去,主动降低叶片的温度。现在的新型冷却设计,已经能够在叶片表层形成一层温度较低的气膜,能够降低300度以上的温度。
而第三个抵抗温度的方法,就是在涡轮叶片的镍基合金本体外面,添加一层能够耐受极高温度、但是导热能力又特别差的涂层,这样可以有效增加本体的耐受温度和工作寿命。这种涂层同样可以用于其它的热端部件上——比如燃烧室、火焰筒、尾喷管等。目前的先进发动机涡轮叶片,能在涡轮前温度1700-2000摄氏度度下工作的,都是三种措施一起发挥作用才能做到,缺了哪一个都不行。
目前还不清楚2016年国家科学技术奖的具体奖金额度,在科技部官网上只能找到2005年的相关通知;该通知中规定,特等奖的奖金是100万/项,一等奖是20万/项。如果目前仍然沿用该规定的数额的话,那么这一项发动机重大技术突破,应该就是总奖金20万,由北航的研究团队共同分享。
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