硬质合金数株洲 交货更快金伯仕
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歼20发动机换“中国芯”指日可待,其关键材料含多少钨?

2019-09-19 10:53:13 金伯仕

       据俄罗斯媒体报道:中国已经攻克了歼20发动机用涡扇15的最后一个难关,解决了其特殊材料的问题,打通了国产发动机制造的最后一个关口。不久的将来,中国所需要的先进发动机将彻底实现国产化。


       涡扇15发动机是为歼20研制的,这个发动机有助于更大地发挥歼20的空中优势。长期以来,中国战机的发展都受到发动机技术水平的制约,虽然这几年得到了一些进步,但是整体而言,与欧美俄等航空大国还有很大差距。说实话,我国的发动机设计水平并不落后,所存在的“难”就是材料水平落后。


       一般来说,航发材料不仅需要具有高强度,还要能够抵抗航空航天和飞机等各种应用中的蠕变和高温。我国航空发动机所使用的主要材料是镍基高温合金(也可称为超耐高温合金)。高温合金是指具有高强度,高表面稳定性,高温下耐腐蚀性和抗蠕变性的金属合金。它们一般以元素铁、钴、镍为基础,再添加其它难熔金属或强化金属元素,这类合金一般为奥氏体面心立方晶体(多晶),现代技术已发展出单晶金属技术。总之,高性能的高温合金材料是整个航天航空工业发展的基础。那么这些耐高温合金又是由哪些元素制成的呢?


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       据了解,用于飞机发动机制造的高温合金,不仅要考虑到在极限超高温下保持高强度,还要考虑到其轻盈性。目前,用于发动机耐高温合金的材料主要以镍为基础,部分以钴为基础,再添加其它难熔金属元素制成。可用于添加的难熔金属元素有钨、钼、锰、铼、钛、铝、钒、铌、钽等,由于航天航空工业领域的研究细碎而又复杂,各种难熔金属需要依其特性而进行组合、配比,这是各国航天工业的核心机密。可能大家也会想知道,钨是熔点最高的金属,同时具有高硬度,高抗腐蚀,高抗蠕变和高弹性模量等优点,这种金属在飞机发动机制造中能用到哪里?


       首先,钨制的高精密硬质合金刀具大范围被用于航空发动机的加工制造。其次,钨合金涂层是提升发动机性能和寿命的重要技术应用;再有,钨可以作为航空发动机重要的润滑添加剂。至于钨在航空发动机中高温合金的添加数据,小编曾为此翻阅了图书馆相关资料,所找到的信息描述不多。当然也可以理解,飞机发动机制造是一个国家“工业皇冠上的明珠”,任何合金材料配方技术都是保密的,我们不用去细究,大致了解就行。据小编所知,钨合金是航空发动机中几个重要合金部件的主要材料之一,例如飞机发动机转动轴配重、摇杆转速控制器配重块、燃油调节转控器配重块等。


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       从已被刊发出来的学术报道可知,我国飞机发动机的大部分材料使用镍基高温合金,其中含镍量在一半以上,适用于1000℃以上的工作条件。随着材料技术的进步,现在的普遍工作状态已能达到1200℃以上。在这次有关于涡扇15发动机的报道中,其特殊材料的突破是指发动机的叶片材料取得突破,那么这其中有没有钨,笔者认为这主要是铼。


       在前些日子就有报道,因为在发动机的核心部件——叶片材料中添加单晶铼,叶片便可以承受1700℃的高温而不熔化,涡扇15可以达到2000℃。或许会有人问,铼的熔点是3180℃,钨是3420℃,钨的熔点更高,钨的储量还更多,为何不能选用钨来制造发动机叶片呢?其实有两个特性是阻碍钨应用于航空发动机叶片的瓶颈。一是钨的熔点虽然高,但现代高端发动机运行工作温度也仅在1700℃左右,不需要那么高的熔点,更重要的是,钨在1000℃高温高热下会升华成气体(就好像我们的灯用钨丝,越用越细,总会断的),而铼就不会;二是钨的硬度很高,但韧性低,很脆,容易造成叶片断裂,所以现代高端发动机叶片材料一般不会把钨当成主要添加元素。


       不过这也不代表钨在航空发动机中就没有更大的作为。虽然发动机叶片没有添加钨,但发动机叶片的表面涂层却是采用以钨为主的材料。这些年我国航空发动机性能和寿命的不断升级不仅是来自于材料工艺的进步,也得益于表面涂层技术的进步。由于钨材料的耐高温、耐磨损、耐腐蚀性能极为强悍,所以将含钨材料作为发动机关键部件的涂层能大幅提升发动机基体的耐高温、耐磨损和耐腐蚀和抗冲击极限,相当于为发动机部件穿上一层防护罩,即不占重量,又能提升性能和寿命,两全其美。据了解,添加含钨涂层(铌钨涂层或碳化钨涂层)能让航空发动机的耐高温极限提升200℃,机械寿命延长25%左右。含钨的合金涂层技术是现代航空航天发动机制造业熟知并广泛应用的技术。此外,在发动机重要的维修和保养环节,堆焊和喷涂钨涂层也是航空发动机的必须的维护保养工作,对延长发动机的使用寿命至关重要。


       涡扇15是一种涵道矢量涡扇发动机,得益于我国近三十年冶金工业跨越式的发展,中国在航发领域的设计和材料研制不断取得突破,不久的将来,涡扇15将用于歼-20等众多战机上,钨也会得到更多的应用,为我国战斗机的制造锦上添花。