渦扇15再獲突破,殲20換「中國芯」指日可待,其關鍵材料含多少鎢

據俄羅斯媒體報道:中國已經攻克了渦扇15的最後一個難關,解決了發動機特殊材料的問題,打通了國產發動機製造的最後一個關口。不久的將來,中國所需要的先進發動機將徹底實現國產化。

渦扇15發動機是為殲20研製的,這個發動機有助於更大地發揮殲20的空中優勢。長期以來,中國戰機的發展都受到發動機技術水平的制約,雖然這幾年得到了一些進步,但是整體而言,與歐美俄等航空大國還有很大差距。說實話,我國的發動機設計水平並不落後,所存在的“難”就是材料水平落後。

渦扇15再獲突破,殲20換“中國芯”指日可待,其關鍵材料含多少鎢

一般來說,航發材料不僅需要具有高強度,還要能夠抵抗航空航天和飛機等各種應用中的蠕變和高溫。我國航空發動機所使用的主要材料是鎳基高溫合金(也可稱為超耐高溫合金)。高溫合金是指具有高強度,高表面穩定性,高溫下耐腐蝕性和抗蠕變性的金屬合金。它們一般以元素鐵、鈷、鎳為基礎,再添加其它難熔金屬或強化金屬元素,這類合金一般為奧氏體面心立方晶體(多晶),現代技術已發展出單晶金屬技術。總之,高性能的高溫合金材料是整個航天航空工業發展的基礎。那麼這些耐高溫合金又是由哪些元素製成的呢?

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據瞭解,用於飛機發動機制造的高溫合金,不僅要考慮到在極限超高溫下保持高強度,還要考慮到其輕盈性。目前,用於發動機耐高溫合金的材料主要以鎳為基礎,部分以鈷為基礎,再添加其它難熔金屬元素製成。可用於添加的難熔金屬元素有鎢、鉬、錳、錸、鈦、鋁、釩、鈮、鉭等,由於航天航空工業領域的研究細碎而又複雜,各種難熔金屬需要依其特性而進行組合、配比,這是各國航天工業的核心機密。可能大家也會想知道,鎢是熔點最高的金屬,同時具有高硬度,高抗腐蝕,高抗蠕變和高彈性模量等優點,這種金屬在飛機發動機制造中能用在哪裡?

首先,鎢制的高精密硬質合金刀具大範圍被用於航空發動機的加工製造。其次,鎢合金塗層是提升發動機性能和壽命的重要技術應用;再有,鎢可以作為航空發動機重要的潤滑添加劑。至於鎢在航空發動機中高溫合金的添加信息,小編曾為此翻閱了圖書館相關資料,所找到的描述並不多。當然也可以這樣理解,飛機發動機制造是一個國家“工業皇冠上的明珠”,任何合金材料配方技術都是保密的,我們不用去細究,大致瞭解就行。據小編所知,鎢合金是航空發動機中幾個重要合金部件的主要材料之一,例如飛機發動機轉動軸、搖桿轉速控制器配重塊、燃油調節轉控器配重塊等。

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從已被刊發出來的學術論文可知,我國飛機發動機的大部分材料使用鎳基高溫合金,其中含鎳量在一半以上,適用於1000℃以上的工作條件。隨著材料技術的進步,現在的普遍工作狀態已能達到1200℃以上。在這次有關於渦扇15發動機的報道中,其特殊材料的突破是指發動機的葉片材料取得突破,那麼這其中有沒有鎢呢?筆者認為應該是沒有或者是很少很少,葉片性能提升的主要原因是金屬錸的應用。

在前些日子就有報道,因為在發動機的核心部件——葉片材料中添加單晶錸,葉片便可以承受1700℃的高溫而不熔化,還有報道說渦扇15可以承受極限溫度達到2000℃。或許會有人問,錸的熔點是3180℃,鎢是3420℃,鎢的熔點更高,我國鎢的儲量還更多,為何不能選用鎢來製造發動機葉片呢?其實有兩個特性是阻礙鎢應用於航空發動機葉片的瓶頸。一是鎢的熔點雖然高,但現代高端發動機運行工作溫度也僅在1700℃左右,不需要那麼高的熔點,更重要的是,鎢在1000℃高溫高熱下會升華成氣體(就好像我們的燈用鎢絲,越用越細,最後總會斷),而錸就不會;二是鎢的硬度很高,但韌性低,很脆,容易造成葉片斷裂,所以現代高端發動機葉片材料一般不會把鎢當成主要添加元素。

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不過這也不代表鎢在航空發動機中就沒有更大的作為。雖然發動機葉片沒有添加鎢,但發動機葉片的表面塗層卻是採用以鎢為主的材料。這些年我國航空發動機性能和壽命的不斷升級不僅是來自於材料工藝的進步,也得益於表面塗層技術的進步。由於鎢材料的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕性能極為強悍,所以將含鎢材料作為發動機關鍵部件的塗層能大幅提升發動機基體的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和抗衝擊極限能力,相當於為發動機部件套上一層防護罩,既不會佔重量,又能提升性能和壽命,兩全而其美。據瞭解,添加含鎢塗層(鈮鎢塗層或碳化鎢塗層)能讓航空發動機的耐高溫極限提升200℃左右,機械壽命延長25%左右。含鎢的合金塗層技術是現代航空航天發動機製造業熟知並廣泛應用的技術。此外,在發動機重要的維修和保養環節,堆焊和噴塗鎢塗層也是航空發動機必須的維護保養工作,對延長髮動機的使用壽命至關重要。

渦扇15是一種涵道矢量渦扇發動機,得益於我國近三十年冶金工業跨越式的發展,中國在航發領域的設計和材料研製不斷取得突破,不久的將來,渦扇15將用於殲-20等眾多戰機上,相信我國富產的鎢資源也會得到更多的應用,為我國的戰鬥機製造錦上添花。


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