涡轮叶片技术取得突破,可承受2000度高温,中国航发有望崛起

小鹏学长 2020-10-11 00:14:21

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文/李鹏森

现在我们在许多方面的发展都需要更多的能力提高,毕竟我们起步比较晚,如果想与其他国家相抗衡的话,还需要增加一些技术,但同时也因为起步较晚,所以在技术方面的一些提升也是很难达到的。

我们在前期的发展过程中,并没有各个方面的这个好的提升,但是现在提升的力量越来越大,在发展上也有了一些比较好的效果。我国在某些关键技术上已经花了几十年的时间,现在也终于有所成长。

作为当今工业皇冠上的一颗明珠,航空发动机是一种极其复杂的系统,是在极其严酷的环境(高温、高压、高应力)下追求长时间、稳定和安全性能的超大型机械,其难度自然不言而喻。

涡轮机叶片是航空发动机的核心部件,也是航空发动机中工作环境最恶劣的部件。由其制造与开发,我们可以了解到航发的制作难度,以及材料制造与加工的精妙。

飞机发动机是一种高度复杂、高精度的热力学机械,它作为飞机的心脏,为飞机提供强大的动力。它的工作原理是进气道吸入大量空气,然后压缩空气,进入燃烧室混合汽油燃烧,产生高温的气体,通过尾喷管喷出,增加气动,使发动机产生反向推力,为飞机飞行提供动力。

最重要的一点是发动机整个机体从轴承到叶片的耐热材料,发动机本身的耐热材料对发动机来说至关重要,因为发动机产生的热量越高。是制约我国航空发动机发展的一个重要因素。内燃机的耐热材料则体现在工业制造业中。

热障涂层能显著降低先进航空发动机叶片的表面温度,大大延长叶片的工作寿命,提高发动机的推力和效率,因而与叶片冷却设计技术、单晶高温合金材料技术并用,是先进航空发动机叶片三大关键科技之一。

自1996年以来,徐惠彬/宫声凯团队开展了新型梯度粘结层热障涂层的研究工作,对促进 TBC在航空、舰船及地面燃气轮机叶片中的应用发挥了重要作用,并在国内多台燃气涡轮发动机中得到应用。

也许是一些人第一次听说热障涂层这件事,简单介绍一下,它的主要作用是降低发动机叶片的表面温度。目前,航空用高温防护涂层已经发展了四代,第一代铝化物涂层,第二代改性铝化物涂层,第三代 MCrAlY涂层和第四代热障涂层。热障涂料是第四代防护涂料的代表,是目前防护性能最好,应用前景最广阔的表面防护涂料之一。热挡板涂层是一种陶瓷层,沉积在耐高温的金属或超合金表面,对基材起到保温作用,可降低基材温度,从而使涡轮叶片在更高温度下工作。

当空气进入发冬机后,经过多级风扇和压气机的强烈压缩,然后进入燃烧室与燃料混合燃烧,形成高温的燃烧室气流推动涡轮旋转(同时也带动风扇和压气机旋转,将空气压缩到燃烧室),然后喷射到发动机外面,形成推力。这种情况下,空气在进入燃烧室前,由于强烈的压缩,使温度迅速上升。

温度会越来越高,一旦达到极限,故障就会频繁发生,对飞行员和战斗机的安全造成很大的威胁,所以只有通过热障涂层降低发动机叶片表面温度,才能延长发动机温度,也只有不断提高技术,才能研制出性能先进的航空发动机。

由于“没有最高只有更高”的温度追求,航空发动机绝对称得上是直面高温的“勇士”。这些勇敢无畏的人,正是来自那些热爱航空发动机事业的人们,是他们用智慧和汗水,用生命和时间,为发动机的强健体魄,提供可靠的保护。

经过近20年的努力,终于取得了丰硕成果。国内热障涂层技术已居世界前列。最近,该小组又一次带来了好消息,他们研发的铈酸镧热障涂层是一种温度为2000℃的热障涂层材料技术,这是热障涂层技术领域的一大突破。根据俄媒报道,西方和欧洲等30多个国家已要求中国出口这种热障涂层技术。当然,技术属于我国,究竟出口与否主冬掌握在我国手中。

虽然我国在热障涂层技术方面已处于世界领先地位,但是,要使其性能达到美国俄罗斯等军事大国的水平,仍需不断努力,航空发动机的关键技术并不只是热障涂层这一项。

我们的航空高温合金材料,五十年代仿效苏联,六七十年代在内外封锁中自力更生,新时期大力追赶,现在虽然已达到较高水平,但与国外仍有很大差距。飞机发动机工作温度每提高100℃,推力就会增加20%以上,要想使飞机发动机具有更高的性能,必须在基础材料研究、结晶冶金技术、粉末冶金技术等方面不断完善和提高。

值得我们自豪的是由中国自行研制的涡扇15型峨眉发动机,其推力可达18吨,比美国F119发动机还大。对于歼-20来说,这无疑是一个好消息。漩涡15型峨眉发动机的研制成功,是我国航天事业发展的开端,对我国未来的发展有着深远的意义。要知道,涡扇-15发动机的研制不仅每年能节约数百亿美元,而且对它的价值也十分重视,这对我国空间技术的发展有着深远的意义。

伴随着涡扇15、涡扇20等高性能发动机的不断涌现,相信我国的高温合金材料将在在各领域取得突破,中国航发崛起可望!

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