中國航發新材料不能解決缺錸，詳解渦扇15單晶成分

近日中國科學家發布應用於發動機的新型鋁鈦合金材料，有望將鋁鈦體系的耐熱鈦合金從650-750度工作極限大幅提升到900度，實在是可喜可賀。這一技術進展意味著，原來一些必須使用鎳基高溫合金（密度大、非常重）的部件，可以換成鋁鈦合金這樣的輕質部件，實現發動機推比和油耗的顯著改善；而原有的一些耐熱鈦合金部件，則可以得到性能指標和壽命上的顯著突破。不過900度並不是現代航空發動機上溫度最高的部分，實際上這種新材料改善的主要是高壓壓氣機部分。

圖：從上到下分別是渦輪噴氣發動機、小涵道比渦扇發動機（戰鬥機就用的這類）、大涵道比渦扇發動機的簡單結構示意圖。為了簡單直觀起見，圖中發動機省去了加力燃燒室等結構。

空氣在進入發動機以後，會經過多級風扇和壓氣機的強烈壓縮，之後進入燃燒室與燃油混合燃燒，形成高溫燃氣流推動渦輪旋轉（渦輪又帶動風扇和壓氣機旋轉，壓縮空氣進入燃燒室）並噴出發動機外，形成推力。在這個過程中，空氣在進入燃燒室之前，就會因為強烈的壓縮而導致溫度迅速升高。

在傳統的發動機上，壓氣機的前面級數都可以用鈦合金製造；但隨著溫度升高，最後幾級壓力特別高、溫度也比較高的壓氣機葉片，就必須採用密度大沉重的高溫合金。中國此次的材料突破，就在於後面的壓氣機葉片能夠大幅減輕重量，並提升性能和壽命。

圖：中國此次的航空材料突破，能夠顯著提升紅圈範圍內的部件性能

但是再往後的燃燒室，渦輪盤和渦輪葉片，仍然必須採用其他的高溫合金，比如鎳基高溫合金。尤其是針對F22、殲20這樣注重超聲速巡航的戰鬥機，發動機噴流特性必然是高溫、高速，渦輪進口的溫度達到1800-1950K（1526-1676攝氏度）。這不是目前任何種類鈦合金能夠承受的。

在這些關鍵的渦輪葉片上，含錸鎳基單晶高溫金屬材料，仍然是目前的唯一選擇。中國目前已經發展到了第四代單晶，但從公開資料的披露情況來看，第四代單晶應該還主要處於實驗室研究階段，連材料牌號都還處於未公開狀態；目前大量在先進航空發動機（太行、渦扇20）上的是第二代單晶DD6，第三代單晶材料DD9應該有望應用於殲20的渦扇15發動機。

圖：太行發動機採用的是DD6單晶，單以材料本身性能來說，顯著優於AL31F

根據北京航材院和北科大的聯合公開論文《單晶高溫合金DD6再結晶晶界析出相特徵及其形成機制》，DD6單晶除了作為主成分的鎳以外，大致成分為0.006%的碳，4.3%的鉻，9%的鈷，2%的鉬，8%的鎢，7.5%的鉭，0.5%的鈮，5.6%的鋁，0.1的鉿，而錸則佔2%。同期國外牌號材料里，錸的含量在3%以上。

而根據航材院的另一篇公開論文《DD9單晶高溫合金拉伸性能各向異性》的披露，DD9單晶除了作為主要成分的鎳以外，大致成分為1.5-5%的鉻，5.5-9.5%的鈷，0.5-3.0的鉬%，6-8.5的鎢，5.2-6.2%的鋁，5.5-9.0的鉭，0-0.5%的鉿，0.-1.5%的鈮，0-0.04的碳。而錸的比例則提高到3.5-5.0，雖然比國外三代單晶的6-7%的最大含量要低，但依然比DD6高很多。

而在涉及到DD6和DD9的資料中，都普遍強調由於錸的含量低，該種材料擁有更低的成本優勢。事實上國內也研究過完全不含錸的替代單晶材料，比如低成本的DD265，高性能、號稱指標基本達到二代單晶（比如DD6）水平的DD98系列。然而並不能真正推廣使用。

圖：雖然不能替代含錸單晶，但此次中國新材料對於軍用發動機的性能提升仍然有重大意義

在美國的低錸和無錸化研究中，目前也只停留在高溫部件降低錸含量保持性能基本不減退、溫度較低部件實現無錸化的水平。而對於性能優先的軍用發動機來說，除非現有材料體系出現遠比此次中國突破要大的顛覆性進展，否則對錸的依賴依舊不會消退。

圖：很多人對法國航發有著莫名其妙的優越感。實際上施奈克瑪最近30多年一直致力於發動機燃燒和熱端部件的深入研究，在這方面已是世界最高水平之一。

究竟什麼樣的材料才能取代含錸鎳基單晶，給發動機帶來性能上的巨大突破？目前自然沒有肯定的答案，而可能性最高的方向，在於高性能的複合陶瓷材料（利用金屬纖維、碳纖維、陶瓷纖維或者晶須進行增強）。目前法國施奈克瑪公司已經在M88等發動機上進行了應用，工作溫度達到1370度的部件也正在試驗中。而美國NASA最近幾年一直致力於1480度耐溫的材料，并力爭在不遠的將來實現性能提升到1650度。

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