航空中国“心” 需要非晶态合金?

新闻背景:
      新华社北京8月28日电中国航空发动机集团公司成立大会28日在京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平作出重要指示强调,党中央作出组建中国航空发动机集团公司的决策,是从富国强军战略高度出发,对深化国有企业改革、推进航空工业体制改革采取的重大举措。希望你们牢记使命、牢记责任,坚持国家利益至上,坚持军民深度融合发展,坚持实施创新驱动战略,大胆创新,锐意改革,脚踏实地,勇攀高峰,加快实现航空发动机及燃气轮机自主研发和制造生产,为把我国建设成为航空强国而不懈奋斗。

      中共中央政治局常委、国务院总理李克强作出重要批示指出,以建设世界一流航空发动机企业为目标,依靠改革开放,立足自主创新,弘扬工匠精神,集众智推众创,并积极借鉴国外经验,着力攻克核心关键技术。


非晶合金特点


      非晶合金也称为金属玻璃, 是一种具有非晶态原子结构的金属合金。所谓非晶态是指金属在急速冷凝固过程中来不及结晶, 原子排列保持长程无序的一种状态,这一特性使其不仅具有优异的耐腐蚀性、高强度、高硬度、高耐磨性、高疲劳抗力、高微观塑性、低宏观塑性、无加工硬化现象,而且还表现出优良的软磁和硬磁性能以及超导特性等,在很多领域具有潜在的应用前景,航空制造业也不例外。
  
航空应用领域

非晶钎焊


      在航空领域,新材料的连接及精细结构的制造,推动了钎焊技术的快速发展,其在航空制造业中的应用也越来越广泛。新材料、新技术的发展为航空技术提供了较大的发展空间,也在航空制造业中得到广泛的应用。钎焊技术可以很好地完成某些新材料的连接与精细结构的制造。各种新型钎焊材料以及与之配套的钎焊技术都得到了深进的研究。因此钎焊技术在航空制造业中的应用越来越多,并可应用在重要部件的连接上。
     焊接过程的温度对接头界面强度有一定的影响,并会降低复合材料本身的性能。因此寻求具有较低钎焊温度的钎料是金属基复合材料真空钎焊研究的目标。国外通常采用的真空钎焊钎料有Cu-50Ni、Ti-Zr-Cu-Ni,焊接方式有层压板或非晶态箔。采用Ti-Zr-Cu-Ni非晶态箔钎焊接头的拉伸强度可与基板相当。
用于SiC陶瓷钎焊的Co-Ni-Fe-Cr-Ti系高温合金钎料,使用急冷非晶钎料薄带,获得的SiC/SiC钎焊接头在室温到800℃温度范围内的三点弯曲强度值可稳定在160~184MPa之间。
      用金属玻璃材料,一种快速固化钎焊箔料制造喷气发动机尾喷管用的蜂窝芯,可以消除原先使用粉末喷涂时出现的问题。由于毛细作用,钎焊合金流向面板一芯的界面形成均匀的焊角,除了界面处外,不跟面板的其他地方接触。准确的接触对尾喷管来说是重要的。因为在内面板中的孔眼必须保持开敝,从而使尾喷管有合适的声学功能。粉末喷涂可能会填满孔眼,而非晶态金属钎焊料就没有这个问题。金属玻璃材料的其它好处是不必用粘接剂并可 对使用的钎焊合金量进行控制。非晶态金属极好的均匀流动性能使得在连接处形成均匀的焊角。

铝基非晶涂层


      在舰载飞机的发动机及许多工业燃气轮机中,热腐蚀是用高温合金制造的涡轮叶片破坏的一种重要形式。一般认为,能否在合金表面形成稳定的保护性氧化物膜决定着合金热腐蚀性能的好坏。为了提高合金的抗热腐蚀性能,通常在合金表面施加涂层。
      用反应溅射方法在高温合金GH30 (Ni-20Cr-0.2Ti)上沉积约6微米的非晶态Al2O3涂层 。 研究了Al2O3涂层的抗热腐蚀性能。实验表明,在1123K的熔融硫酸盐中,Al2O3涂层能大大降低试样的热腐蚀速率,消除内硫化,而且此涂层具有良好的粘附性,且不发生剥落。虽然Al2O3涂层在预先的真空退火处理中发生龟裂 , 但是在热腐蚀中龟裂纹被新形成的氧化物所愈合,阻断了通过涂层龟裂纹对基体进行腐蚀的渠道。

非晶复合材料


       用金属玻璃代替纤维和碳纤维制造复合材料,会进一步提高复合材料的适应性。硼纤维和碳纤维复合材料的安装孔附近易产生裂纹,而金属玻璃在具有很高强度(232~372公斤平方毫米)的情况下,仍保持金属塑料变形的能力,因此有利于阻止裂纹的产生和扩展。目前正在研究将金属玻璃纤维用于航空发动机元件。

国外在发动机上应用


      位于赖特帕特森空军基地的美国空军实验室材料与制造处的科学家及工程师会同大学的研究人员,在超韧纳米复合材料涂层研究领域取得重大进展,这种涂层可提高先进喷气战斗机用发动机的性能,并改进耐久性。他们发现并阐明了一种独特的纳米晶\非晶复合材料的动力学机理,航空航天专家认为:这种材料表现出极高硬度,并具有很高应用价值。该项研究成果已向战斗机发动机进行新技术移植。与此同时,在民用航空领域也有很大应用潜力。
      纳米复合材料涂层的应用背景之一是短距起飞垂直降落推进系统零件,该零件摩擦副上施加了很大的预加载荷,且通过表面强化获得充分效益。

我国已关注非晶合金在航空发动机上应用


      1986年1月,大推力涡扇发动机“太行”立项研制,为两款飞机(歼10、歼11B)匹配发动机。2005年12月28日,经过百折不挠,卧薪尝胆18年后,大推力涡轮风扇发动机长久初始寿命试车完成,标志着太行研制成功。党和国家领导人等都热烈祝贺。
      太行研发突破了一批具有自主知识产权的核心技术和关键技术,取得了重大成果。发动机的设计采用了大量的先进部件技术和整机匹配技术,其中多项填补了国内空白,有的已经达到国际先进水平;上百项新材料、新工艺的成功应用,使发动机材料技术和制造技术实现了一系列重大突破。
      材料上,超高温镍铝合金、钛合金及其相应的特种陶瓷在50年坚持不懈努力后,获得完美突破。
      在制造工艺上,更是全面突破,超过俄罗斯,接近美国。例如精铸空心叶片工艺,涡轮进口温度提高了450℃,这项工艺是决定高推重比发动机所能达到最高性能水平的关键技术,而且能大幅度减轻涡扇发动机重量,降低制造成本,提高推重比,获得突破。
      而热等静压和超塑性锻造,粉末高温合金和液态金属快速冷却轧制,非晶态材料生产,铸造用型芯和壳体材料及涂料等生产工艺突破更是使我们具备了研制更高水平涡扇发动机的技术储备。


另外,我们了解到,航空发动机需要很多冷却系统管道,非晶合金材料耐腐蚀、高强度、伸缩系数小等等优点,在冷却管道、阀门、垫片等将有更多发挥余地。(非晶中国)

(以上材料根据现有公开发布材料整理,部分内容咨询业内专家和工程师综合整理得来)


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