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国产热障涂层材料研制成功 或助涡扇15超越美国F119
www.wforum.com | 2018-12-24 19:56:54  世界军事网 | 0条评论 | 查看/发表评论

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涡轮前温度是现代航空发动机关键指标

  近日,有关媒体报道,中国相关单位已经研制成功新一代热障涂层材料-稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料,可以有效提高国产航空发动机涡轮前温度,为国产航空发动机性能升级打下了坚实的基础。

  众所周知,涡轮前温度是现代航空发动机关键指标之一,这个涡轮指的是高压涡轮,航空发动机属于热机,能量来源于空气受热膨胀,从能量守恒角度来讲,燃气温度越高,产生的能量越大,但是航空发动机燃气温度有一个限制,那就是高压涡轮承受能力,喷气式发动机工作需要空气由压气机送入燃烧室,而高压压气机由高压涡轮带动,因此高压涡轮需要承受高温高速燃气带来的冲击,还要高速旋转带动高压压气机,对于材料要求极高,所以高压涡轮与燃烧室、高压压气机被称为发动机“核心机”三大件就是这个原因。

  现代航空发动机高压涡轮普遍采用镍基高温合金,它的最高工作温度大约是1100度,四代航空发动机涡轮前温度已经达到1600度,抵达材料表面温度也有1100度,在这样高温度下材料会变软,无法承受高速运动产生的应力,实际上未来发动机燃气温度有可能超过2000度,抵达材料表面温度在1500度以上,仅凭镍基高温合金本身已经不能适应要求,需要热障涂层来进一步降低材料工作温度。

  现代航空发动机高压涡轮热障涂层主要采用陶瓷材料,陶瓷优点就是熔点高、强度大、热导率低,传统发动机热障涂层多采用氧化锆基陶瓷材料,它可以使材料承受的温度降低100度,这样加上镍基高温合金本身1100度,再加上气膜冷却技术还能提供400度左右的冷即效果,那么航空发动机涡轮前温度可以达到1600度左右。这个温度正是第四代航空发动机F119涡扇发动机涡轮前温度。

  随着航空发动机性能继续提高,人们预测第五代航空发动机涡轮前温度可能会达到达到2000度,这样热联涂层需要提供氧化锆陶瓷材料提供更好的防护效果,遗憾是实验发现随着温度升高,氧化锆陶瓷材料迅速下降,热导率增加,材料氧化,进而导致涂层失效,所以人们一直在寻找性能更好的热障涂层材料,为此中国相关单位研制成功稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料,它与传统氧化锆陶瓷材料相比,效率更高,可以达到后者的2-3倍,也就是说它可以让材料承受的温度降低200-300度,加上镍基高温合金的1100度、气膜冷却的300-400度,可以让发动机涡轮前温度提到1800度以上,还有就是韧性好,传统陶瓷材料最大缺点就是韧性不足够,稀土钽酸盐材料比氧化锆材料质地柔软,可以承受更多的应力,这样就可以大大提高材料热循环次数,增强航空发动机可靠性。同等应力状态稀土钽酸盐还可以制备更厚的热障涂层,这样就能达到更大的温度梯度。

  因此稀土钽酸盐高温铁弹相变陶瓷材料研制成功,为中国航空发动机提高涡轮前温度创造了有利条件,可以想像,这种发动机应用之后,国产航空发动机推力更大、推重比更高,能够更加有效的进一步提高国产战斗机作战能力。

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