重磅!國產航空發動機壽命終於能趕上F22:關鍵技術獲突破

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8月22日,據我國有關公開資料披露,貴陽發動機設計研究所和中科院金屬研究所聯合研製的DD-32第三代單晶葉片已成功實現量產,填補了國內同類產品的空白。渦輪前溫度決定了發動機的推重比和效率,而提高渦輪前溫度,必須使用承溫能力高的單晶高溫合金製做渦輪葉片,因此單晶材料和葉片的研製、應用水平對發動機的推重比、壽命和效率起到決定性作用。我國研製單晶葉片的科研院所主要是位於瀋陽的中科院金屬研究所和位於北京的中航發北京航空材料研究院兩家。據資料披露,我國第一代投入應用的單晶合金為DD-3高溫合金,於上世紀90年代北京航空材料研究院研製成功,其後用於武直10的渦軸9發動機的熱端渦輪實心葉片上。

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DD-3合金是低成本、低比重、高強度的鎳基單晶高溫合金,最大承溫能力為1100攝氏度,不含稀貴元素鉭、錸,但其力學性能與含鉭的美國第一代單晶合金PWA-1480相當。到目前為止,我國已能大量生產用於渦軸9發動機DD-3單晶實心渦輪工作葉片,為武直10大批裝備部隊做出了貢獻。中科院金屬所同期研製的DD8第一代單晶則運氣不佳,原本用於西安航空發動機公司與金屬研究所共同研製的艦用燃氣輪機渦扇-9改3型(15000馬力)的燃氣發生器渦輪葉片上,其主要特點是抗海水鹽霧腐蝕能力強,由於某型戰鬥機裝備計劃終止,在研製成功後沒有投入生產。

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我國第二代投入應用的單晶合金為DD-6高溫合金,也由北京航空材料研究院研製,貴州新藝機械廠2012年投入生產,用於太行發動機的改進改型上,DD-6高溫合金含有3%的超耐高溫金屬錸,最大承溫能力為1130攝氏度,渦前溫度比太行原型所使用的定向凝固柱晶提高30攝氏度,再加上其他方面的改進,使太行發動機推力提高了12%,達14噸。

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據公開資料披露,貴州發動機設計研究所研製的渦扇-13中等推力渦輪風扇發動機,由於其最大推力僅為8300公斤,不能滿足殲-31“鶻鷹”的推力需要,在其基礎上發展的9100公斤級甚至更大推力改進型發動機,其高壓渦輪葉片的工作環境更加苛刻,即使採用更加複雜的渦輪葉片冷卻型腔和高溫防護塗層,渦前溫度也大為提高。據工程測算,渦前溫度還要提高50攝氏度以上,對發動機熱端材料提出了極其嚴苛的要求。

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在渦扇-13加大推力改進型進行發動機600小時長試試驗中,原設計的K465合金高壓渦輪葉片改型出現了燒蝕、裂紋、凹坑、凹陷、個別葉片燒穿等現象,不能完成整個試驗過程,強度安全裕度較低,已經成為影響整機壽命的薄弱環節,為了滿足渦扇-13加大推力改進型發動機的性能、壽命及材料整體匹配性的要求,瀋陽金屬所和貴州發動機設計研究所共同研發了第三代單晶高溫合金DD32及高壓渦輪葉片,並進行應用研究。從公開資料得知,DD-32單晶合金含金屬錸高達4.5%,最大承溫能力為1160攝氏度,比太行發動機改型的DD-6第二代單晶又提高了30度,比K465合金提高了60度。全面性能測試結果表明,該單晶合金具有優異的高溫熱強性,已達到美國F-22戰機所用發動機F-119上的第三代單晶葉片CMSX-10的性能水平。

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DD-32單晶葉片不僅可以用在推比8發動機的改進改型上,在推比10的中等推力渦扇,大推力渦扇也有良好的應用前景,目前已完成了熱衝擊試驗、振動疲勞試驗、轉子超溫超轉試驗等零部件試驗和整機長期試車等試驗考核,2017年,裝有DD-32單晶高壓渦輪葉片的渦扇13加大推力改進型上已完成了300小時長期試車考核,單晶渦輪葉片工作正常,分解檢查葉片無裂紋、燒蝕、變形等故障,狀況良好,為其上天試飛打下了良好基礎。


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