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。