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鈦鋁合金助人類“沖上云霄”

2016年12月21日 10:43:00   點擊次數:3466 次   作者:本站

據報道,南京理工大學陳光教授團隊,在國家973計劃的資助下,經長期研究,在新型航空航天材料鈦鋁合金方面取得跨越性突破。其室溫拉伸塑性、屈服強度、高溫抗蠕變性能、承溫能力等關鍵性能指標處于國際領先,超過美國同類材料1~2個數量級。這個振奮人心的消息也引起業界對于鈦鋁合金的關注。那么,鈦鋁合金到底有何優勢,能夠幫助人類“沖上云霄”甚至沖破天際呢?

 

 

什么是鈦鋁合金?

 

鈦鋁合金是一種銀白色的金屬,具有相當多的優良性能。鈦的密度為4.54g/cm³,比鋼輕43%,但機械強度卻與鋼相差不多,比鋁大兩倍,比鎂大五倍。鈦耐高溫,熔點1942K,比黃金高近1000K,比鋼高近500K。

 

鈦屬于化學性質比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下,鈦表面易生成一層極薄的致密的氧化物保護膜,可以抵抗強酸甚至王水的作用,表現出強的抗腐蝕性。因此,一般金屬在酸、堿、鹽的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。

 

鈦合金制成飛機比其它金屬制成同樣重的飛機多載旅客100多人。制成的潛艇,既能抗海水腐蝕,又能抗深層壓力,其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時,鈦無磁性,不會被水雷發現,具有很好的反監護作用。

 

鈦鋁合金,其密度遠小于高溫合金,而室溫和高溫比強度(強度/密度)卻更好,室溫韌性也比陶瓷材料好。因而適用于制造航空航天用機體的結構材料、發動機部件或汽車用發動機部件等,并有希望大幅度地輕量化和改善其性能,將作為下一世紀的輕量化耐熱材料而受到人們的關注。

 

 

鈦鋁合金開發最有希望的領域仍然是航空航天有關領域

首先,對于飛機高速化和低燃料費的要求,對機體及各部件的輕量化以及提高耐熱性均是重中之重,也是最直接的實現方式。

 

觀察發現,當飛機速度達到2馬赫(2倍音速)時,飛機機體溫度就可達到300攝氏度。另外,隨著飛機用燃氣渦輪發動機的效率提高,最近研發的發動機溫度年年提高,V2500等最新型的發動機渦輪入口溫度已經超過攝氏1400度。雖然現有的機身材料尚能滿足當前需求。但如果有一種耐熱性更強,質量更輕的復合材料出現的話,沒有任何廠商能夠抵受得住這種技術的誘惑。

 

其次,通過對各國開發的航天飛機和超音速運輸機來看,這種飛機與以往研制的飛機不同點主要在于機體的使用溫度會達到1800度左右,對于這些材料,要求其強度、耐用性、抗氧化性等無論在任何惡劣條件下都能保持穩定。隨著對耐熱材料研究的逐漸深入,鈦鋁合金復合材料正逐漸捕捉科學家的眼球。

 

2007年,美國波音公司最新研發的大型客機787試飛成功。這種新型飛機比老款飛機節油20%,氮化物排放量減少80%,噪音顯著降低,從而引發全球關注。

 

據悉,波音787的發動機由美國通用電氣公司(GE)提供,采用4822鈦鋁合金代替鎳基高溫合金,制造出用于最后兩級環境溫度和危險系數最低的低壓渦輪葉片上。這是鈦鋁合金首次應用在航空發動機上。GE公司通過此舉動,在以克為減重單位的飛機發動機上,令人震驚地使單臺發動機減重200磅,轟動航空界。

航空發動機被譽為飛機的心臟,其中,渦輪葉片是航空發動機中最關鍵的核心部件,因而也決定了制造它的材料必須能在高溫等惡劣的工作條件下正常工作。傳統的鎳基合金雖然各方面性能都不錯,但是其太過笨重,與飛機發動機輕量化的理念背道而馳。而此次研發的鈦鋁合金使用溫度可達900度以上,已經可以和鎳基合金“掰手腕”了,此次南京理工大學陳光教授帶領的團隊在材料性能上實現了三大突破。

 

1.室溫拉伸塑性和屈服強度大大提升;

2.抗蠕變性能優異;

3.承溫能力大大提高。

 

而這三種性能的提升在航空航天領域中無疑是一種“作弊”,仿佛這種材料就是為航空航天而生的。預計在5-10年之后,此種新型鈦鋁合金便能實現應用。

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