重磅!国产航空发动机寿命终于能赶上F22:关键技术获突破

重磅!国产航空发动机寿命终于能赶上F22:关键技术获突破

8月22日,据我国有关公开资料披露,贵阳发动机设计研究所和中科院金属研究所联合研制的DD-32第三代单晶叶片已成功实现量产,填补了国内同类产品的空白。涡轮前温度决定了发动机的推重比和效率,而提高涡轮前温度,必须使用承温能力高的单晶高温合金制做涡轮叶片,因此单晶材料和叶片的研制、应用水平对发动机的推重比、寿命和效率起到决定性作用。我国研制单晶叶片的科研院所主要是位于沈阳的中科院金属研究所和位于北京的中航发北京航空材料研究院两家。据资料披露,我国第一代投入应用的单晶合金为DD-3高温合金,于上世纪90年代北京航空材料研究院研制成功,其后用于武直10的涡轴9发动机的热端涡轮实心叶片上。

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DD-3合金是低成本、低比重、高强度的镍基单晶高温合金,最大承温能力为1100摄氏度,不含稀贵元素钽、铼,但其力学性能与含钽的美国第一代单晶合金PWA-1480相当。到目前为止,我国已能大量生产用于涡轴9发动机DD-3单晶实心涡轮工作叶片,为武直10大批装备部队做出了贡献。中科院金属所同期研制的DD8第一代单晶则运气不佳,原本用于西安航空发动机公司与金属研究所共同研制的舰用燃气轮机涡扇-9改3型(15000马力)的燃气发生器涡轮叶片上,其主要特点是抗海水盐雾腐蚀能力强,由于某型战斗机装备计划终止,在研制成功后没有投入生产。

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我国第二代投入应用的单晶合金为DD-6高温合金,也由北京航空材料研究院研制,贵州新艺机械厂2012年投入生产,用于太行发动机的改进改型上,DD-6高温合金含有3%的超耐高温金属铼,最大承温能力为1130摄氏度,涡前温度比太行原型所使用的定向凝固柱晶提高30摄氏度,再加上其他方面的改进,使太行发动机推力提高了12%,达14吨。

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据公开资料披露,贵州发动机设计研究所研制的涡扇-13中等推力涡轮风扇发动机,由于其最大推力仅为8300公斤,不能满足歼-31“鹘鹰”的推力需要,在其基础上发展的9100公斤级甚至更大推力改进型发动机,其高压涡轮叶片的工作环境更加苛刻,即使采用更加复杂的涡轮叶片冷却型腔和高温防护涂层,涡前温度也大为提高。据工程测算,涡前温度还要提高50摄氏度以上,对发动机热端材料提出了极其严苛的要求。

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在涡扇-13加大推力改进型进行发动机600小时长试试验中,原设计的K465合金高压涡轮叶片改型出现了烧蚀、裂纹、凹坑、凹陷、个别叶片烧穿等现象,不能完成整个试验过程,强度安全裕度较低,已经成为影响整机寿命的薄弱环节,为了满足涡扇-13加大推力改进型发动机的性能、寿命及材料整体匹配性的要求,沈阳金属所和贵州发动机设计研究所共同研发了第三代单晶高温合金DD32及高压涡轮叶片,并进行应用研究。从公开资料得知,DD-32单晶合金含金属铼高达4.5%,最大承温能力为1160摄氏度,比太行发动机改型的DD-6第二代单晶又提高了30度,比K465合金提高了60度。全面性能测试结果表明,该单晶合金具有优异的高温热强性,已达到美国F-22战机所用发动机F-119上的第三代单晶叶片CMSX-10的性能水平。

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DD-32单晶叶片不仅可以用在推比8发动机的改进改型上,在推比10的中等推力涡扇,大推力涡扇也有良好的应用前景,目前已完成了热冲击试验、振动疲劳试验、转子超温超转试验等零部件试验和整机长期试车等试验考核,2017年,装有DD-32单晶高压涡轮叶片的涡扇13加大推力改进型上已完成了300小时长期试车考核,单晶涡轮叶片工作正常,分解检查叶片无裂纹、烧蚀、变形等故障,状况良好,为其上天试飞打下了良好基础。


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