如何看待「中国航空发动机材料重大突破，寿命优于美国 1~2 个数量级」？ 第1页

今天搬完砖回家一打开网站就看到了这个大新闻，立刻连上学校VPN把论文搞了下来，看完了真是excitied。

论文关于理论和制造的部分

讲得很明白了，我就不献丑了。这个原理我们本科课上老师讲结晶的时候也讲过，只不过化工上这个原理常用在从溶液结晶溶质上，所以控制结晶过程的方法并不相同。

下面说一下我个人对此在应用上的微小的见解。

航空发动机中高速旋转的叶片或者叶盘上的载荷很大一部分是离心力，这是与材料密度成正比的。所以在相同的强度下，使用更轻的材料所实现的减重可以超过密度差，因为载荷变小了，就不需要原来那么多的材料了。

TiAl基材料密度在4g/cm3左右，镍基材料在8g/cm3左右，简单来说被TiAl替代的部件至少可以轻一半。

比如CFM-56的高压压气机一共9级前3级是钛合金的，后6级是镍基材料的。现在用TiAl基材料代替的话，可以减少很多重量。

或者用新闻中所说的GENx作例子，用这类材料代替发动机低压涡轮中的镍基材料。考虑到GENx所用的Ti-48Al-2Cr-2Nb高温性能不如新报道的Ti-45Al-8Nb，只代替了低压涡轮的最后2级，新材料更优越的性能使得它可以代替更多级甚至代替全部低压涡轮中的镍基合金。GENx在两级上用新材料减重了200磅，这么算下来全部替代低压涡轮有望实现极大幅度的减重。

寿命这事儿主要体现在蠕变速率上，啥都不说直接上图吧，论文里这张插图最直观，请注意b中纵坐标是对数的。

有个想法：Ti-45Al-8Nb材料有900℃的耐热能力，假如能做出高效冷却的叶片，是不是可以直接用于高温涡轮？根据《航空发动机结构分析》一书所述，气膜冷却可以达到400℃~600℃，发散冷却可以到500℃~800℃这样的水平，加上高热阻涂层，按500℃算，1400℃的涡轮前温度也不算低了是吧？如果不那么保守，按涂层150℃，气膜550℃算，就是1600℃的涡前温度，那就是很不错的成绩了。

瞎读了一些资料，姑且做一些理论上会存在较大偏差的估算。

根据

同学提供的美帝第四代镍基合金的性能报告

中figure17所用的方法，把载荷S的对数lg S与提出的蠕变性能参数P=(T/K)*(lg t/h+16)线性关联，我们可以粗略地比较一下不通合金的性能。

美帝的四代镍基合金真是强啊，EPM102在200MPa/1000h的要求下工作温度可达约1000℃，相比之下Ti-45Al-8Nb按同样比强度来算（按密度低一半，同样工况下相应需要承受的离心力也小一半，100MPa），论文中的Ti-45Al-8Nb只在900℃实验到800h仍没有出现问题（姑且我们乐观地估计可以坚持到1000h）。如果载荷为400MPa，则EPM102在400MPa/1000h的要求下工作温度仍有900℃.

用类似地方法分析CFM56的高压涡轮上所用的Rene125合金（感谢

同学告知），其性能数据来自

，结果如下。图是我自己用excel画的，不如论文里的截图画得好，大家将就着看吧。

吐个槽：Ti-45Al-8Nb的数据仅有900℃下3个点，所以做出来尽管R平方达到了0.9923，但回归的显著水平仍然不够0.05啊……姑且就这么着吧。要达到0.05，900℃/100MPa的寿命需要达到大约1050h才可以；直接线性外推过去的寿命大约是1435h.

如果我们仍然按镍基合金密度比TiAl基高一倍来进行比较（镍基合金重一倍，所以它自转起来对自己的载荷也应该高一倍。这相当于将TiAl的载荷向上平移lg2个单位，这样二者相当于在载荷/密度水平上，从橙线到绿线），可以看到二者性能类似。在高载荷下Ti-45Al-8Nb表现会优于Rene125，因此用它替代第三代发动机上的高压涡轮是有可能的。根据这一测算，Rene125在叶片实际温度850℃/载荷200MPa下寿命为196.6h，Ti-45Al-8Nb则可以达到910h.

Ti-45Al-8Nb要工作在1000℃这应当是不太可能的，1000℃下0°取向的单晶抗拉强度也下降到238MPa，延伸率达到了76.3%，简直被拉成了面条（RAmen!），分分钟交出gg的节奏。用得到的方程来外推，1000℃/1000h下可承受的载荷仅有28.34MPa，放到发动机里分分钟变成面条。即使把寿命要求降低到100h，也仅能承受66.86MPa的载荷，是决计不够用的。

综上，这一材料充当四代发动机高压涡轮部件看来比较有困难，但用于第四代发动机的压气机和低压涡轮应当不存在任何问题。同时，它可以用于第三代发动机的几乎所有部件。

以及，这篇文章到现在才发表出来，但根据论文最后注明的提交日期，是2015年7月，也就是差不多一年之前。进一步的研究肯定正在开展。

最后做个不负责任的猜想，如果太行的低压涡轮和压气机可以全部用此类材料代替镍基材料，是不是会因为减重而使得推重比超过10？

有个问题，新闻中说GE换了叶片之后发动机省油了20%，这和叶片材料有什么关联？求懂行的讲解一下