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南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊在國家973計劃等資助下
，經長期研究，在新型航空航天材料鈦鋁合金方麵取得重大跨越性突破。相關成果Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications(高溫PST鈦鋁單晶)於2016年6月20日在線發表於Nature Materials(《自然材料》)。

航空航天技術是一個國家科技
、工gong業ye和he國guo防fang實shi力li的de重zhong要yao體ti現xian。航hang空kong發fa動dong機ji被bei譽yu為wei飛fei機ji的de心xin髒zang，葉ye片pian則ze是shi航hang空kong發fa動dong機ji中zhong最zui關guan鍵jian的de核he心xin部bu件jian

，其qi承cheng溫wen能neng力li直zhi接jie決jue定ding著zhe發fa動dong機ji的de性xing能neng，尤you其qi是shi推tui重zhong比bi。

美國GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下簡稱4822)合金替代原來的鎳基高溫合金製造了GEnx發動機最後兩級低壓渦輪葉片，使單台發動機減重約200磅，節油20%
，氮化物(NOx)排放量減少80%，噪音顯著降低，用於波音787飛機
，2007年試飛成功，2009年正式投入商業運營，成為當時航空與材料領域轟動性的進展。

陳光教授團隊的研究成果在材料性能上實現了新的大幅度跨越
，所製備的PST TiAl單晶室溫拉伸塑性和屈服強度分別高達6.9%和708MPa，抗拉強度高達978MPa，實現了高強高塑的優異結合。更為重要的是
，該合金在900℃時的拉伸屈服強度為637MPa，並具有優異的抗蠕變性能，其最小蠕變速率和持久壽命均優於已經成功應用於GEnx發動機的4822合金1~2個數量級
，有望將目前TiAl合金的使用溫度從650~750℃提高到900℃以上。

通用GEnx發動機

為縮短我國與歐美發達國家的差距，國家已將航空發動機和燃氣輪機列為“重大科技項目”，並於2016年3月正式成立了“中國航空發動機集團有限公司”。

北京航空材料研究院曹春曉院士指出：“通常

，鎳基單晶高溫合金的承溫能力每提高25~30℃，即為一代新合金。陳光教授團隊發明的TiAl單晶合金，一下將承溫能力提高了150~250℃以上


，是重大突破，屬引領性成果。這項關鍵材料技術誕生於我國

，是我們國家和民族的驕傲與自豪！不僅對我國的航空航天事業的發展具有重大價值
，有助於中國飛機有一顆更強的‘中國心’,也必將對維護世界和平、促進社會發展起到積極作用。”

科技部先進結構與複合材料主題專家組組長、北京航空材料研究院副總工程師張國慶研究員指出：“高溫合金是‘重點新材料研發與應用’國家重大工程的關鍵研發內容之一，輕質高強材料是國家新材料領域的重要發展方向。TiAl合he金jin因yin其qi優you異yi的de比bi強qiang度du和he高gao溫wen性xing能neng
，已yi成cheng為wei有you航hang空kong航hang天tian應ying用yong前qian景jing的de新xin型xing高gao溫wen結jie構gou材cai料liao及ji傳chuan統tong高gao溫wen合he金jin的de未wei來lai替ti代dai材cai料liao。南nan京jing理li工gong大da學xue陳chen光guang教jiao授shou團tuan隊dui研yan究jiu成cheng功gong的de‘PST高溫TiAl合金單晶’大幅度提高了高溫性能，顯著改善了材料塑性
，對於新型輕質高溫結構材料的發展和應用具有非常重要的意義”。

長期從事高溫結構材料研究的中國科學院金屬研究所袁超研究員認為：“陳光教授團隊采用納米孿晶強韌化方法製備的單晶TiAl不僅強度高，室溫塑性更是超過6.9%，屬(shu)於(yu)金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合(he)物(wu)研(yan)究(jiu)的(de)重(zhong)大(da)突(tu)破(po)。一(yi)方(fang)麵(mian)
，這(zhe)種(zhong)發(fa)現(xian)有(you)可(ke)能(neng)應(ying)用(yong)於(yu)其(qi)他(ta)金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合(he)物(wu)，引(yin)領(ling)新(xin)一(yi)輪(lun)金(jin)屬(shu)間(jian)化(hua)合(he)物(wu)研(yan)究(jiu)熱(re)潮(chao)，具(ju)有(you)重(zhong)大(da)理(li)論(lun)意(yi)義(yi)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，高(gao)塑(su)性(xing)為(wei)其(qi)真(zhen)正(zheng)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)奠(dian)定(ding)基(ji)礎(chu)，具(ju)有(you)重(zhong)大(da)工(gong)程(cheng)意(yi)義(yi)”。並指出：“該成果是中國原創
，絕對世界領先。建議國家加大支持力度，盡快完成該合金全麵性能測試，真正應用於我國航空發動機的葉片製造”。

陳光教授簡介

南京理工大學材料評價與設計教育部工程研究中心主任、金屬納米材料與技術聯合實驗室主任，二級教授，博士生導師。中國新材料技術協會副會長、中國材料研究學會金屬間化合物與非晶合金分會理事、江蘇省中青年科技領軍人才
、江蘇省十大優秀專利發明人
、Intermetallics(金屬間化合物)客座編輯
、第六屆(2005年)和第九屆(2016年)金屬間化合物與先進材料國際研討會主席。

作為第一主研人主持完成的成果中，榮獲教育部技術發明一等獎1項
、江蘇省科技一等獎2項，並榮獲中國發明協會發明創業獎•人物獎、先進金屬間化合物與先進材料國際研討會傑出貢獻獎。

鈦鋁合金簡介（據中國航空報）

TiAl基ji合he金jin密mi度du低di，彈dan性xing模mo量liang高gao，綜zong合he性xing能neng指zhi標biao優you於yu傳chuan統tong高gao溫wen合he金jin，韌ren性xing又you高gao於yu普pu通tong的de陶tao瓷ci材cai料liao，在zai航hang空kong航hang天tian材cai料liao中zhong展zhan現xian出chu令ling人ren矚zhu目mu的de發fa展zhan前qian景jing，成cheng為wei新xin一yi代dai高gao溫wen材cai料liao的de代dai表biao之zhi一yi，被bei當dang做zuo高gao推tui重zhong比bi先xian進jin軍jun用yong飛fei機ji發fa動dong機ji高gao壓ya壓ya氣qi機ji及ji低di壓ya渦wo輪lun葉ye片pian的de首shou選xuan材cai料liao。歐ou美mei和he日ri本ben等deng國guo已yi相xiang繼ji在zai鈦tai鋁lv合he金jin向xiang先xian進jin航hang空kong發fa動dong機ji上shang的de應ying用yong研yan究jiu方fang麵mian取qu得de深shen入ru的de進jin展zhan
，運yun用yong先xian進jin的de工gong藝yi方fang法fa

，相xiang繼ji研yan發fa出chu高gao壓ya壓ya氣qi機ji葉ye片pian等deng零ling部bu件jian，並bing已yi交jiao付fu發fa動dong機ji裝zhuang配pei測ce試shi。

背景

自zi鎳nie基ji合he金jin的de研yan製zhi成cheng功gong以yi來lai，渦wo輪lun發fa動dong機ji在zai航hang空kong領ling域yu的de應ying用yong得de到dao了le很hen大da的de推tui進jin。通tong過guo改gai進jin和he發fa展zhan鎳nie基ji超chao合he金jin和he鈦tai基ji合he金jin，以yi及ji應ying用yong先xian進jin的de製zhi造zao工gong藝yi，航hang空kong發fa動dong機ji的de性xing能neng得de到dao了le不bu斷duan的de提ti高gao。然ran而er，隨sui著zhe推tui重zhong比bi和he渦wo輪lun前qian端duan溫wen度du不bu斷duan提ti高gao，渦wo輪lun發fa動dong機ji壓ya氣qi機ji和he渦wo輪lun級ji數shu逐zhu漸jian減jian少shao，單dan級ji負fu荷he不bu斷duan增zeng大da，零ling件jian的de應ying力li水shui平ping越yue來lai越yue高gao

，工gong況kuang越yue趨qu惡e劣lie
，葉ye片pian等deng關guan鍵jian零ling件jian的de結jie構gou也ye越yue趨qu複fu雜za，已yi將jiang傳chuan統tong的de兩liang種zhong主zhu要yao高gao溫wen結jie構gou材cai料liao鎳nie基ji合he金jin和he鈦tai基ji高gao溫wen合he金jin的de使shi用yong性xing能neng提ti高gao到dao其qi極ji限xian水shui平ping，因yin此ci必bi須xu尋xun求qiu更geng先xian進jin、更可靠的材料和工藝才能滿足未來發動機的設計要求。

γ-TiAl基合金具有優良的高溫強度、抗蠕變、抗(kang)氧(yang)化(hua)和(he)阻(zu)燃(ran)性(xing)能(neng)


，而(er)且(qie)密(mi)度(du)低(di)，彈(dan)性(xing)模(mo)量(liang)高(gao)，綜(zong)合(he)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)優(you)於(yu)不(bu)鏽(xiu)鋼(gang)和(he)鎳(nie)基(ji)等(deng)傳(chuan)統(tong)的(de)高(gao)溫(wen)合(he)金(jin)

，而(er)其(qi)韌(ren)性(xing)又(you)高(gao)於(yu)普(pu)通(tong)的(de)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)。此(ci)外(wai)，鈦(tai)鋁(lv)合(he)金(jin)的(de)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)可(ke)與(yu)低(di)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)的(de)鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)相(xiang)比(bi)，易(yi)燃(ran)性(xing)也(ye)低(di)於(yu)鎳(nie)基(ji)合(he)金(jin)。這(zhe)些(xie)優(you)點(dian)使(shi)其(qi)成(cheng)為(wei)航(hang)空(kong)、航天、飛航導彈用發動機以及汽車的輕質耐熱結構件的最具競爭力的材料。

TiAl合金應用現狀

TiAl基合金目前實際應用的最大障礙一方麵是該類合金的室溫脆性、難變形加工性，另一方麵則是850℃以上的抗氧化性不足，製約了TiAl基合金的應用和推廣。近期內發展起來的高Nb-TiAl係金屬間化合物在高溫強度及抗氧化性方麵已取得了很大進展，高熔點組元Nb的加入提高了合金的熔點和有序溫度，從而使合金的使用溫度達到900℃以上，使得該體係合金顯示出具有代替鎳基合金的潛能。然而
，高铌合金化在大大提高TiAl合金的室溫和高溫強度的同時

，也進一步降低了其室溫和高溫塑性，尤其是高溫塑性比普通TiAl基合金更低。

20世紀90年代以來，世界各國的研究者都把熱塑性加工技術的研究和開發作為TiAl基合金的研究重點，長期以來TiAl基合金的熱塑性加工及其相關領域的研究十分活躍。對TiAl合金進行大變形量熱塑性加工
，可以大幅提高TiAl合(he)金(jin)的(de)室(shi)溫(wen)塑(su)性(xing)
，而(er)經(jing)過(guo)塑(su)性(xing)加(jia)工(gong)後(hou)的(de)鍛(duan)坯(pi)，由(you)於(yu)具(ju)有(you)細(xi)小(xiao)而(er)均(jun)勻(yun)的(de)顯(xian)微(wei)組(zu)織(zhi)，也(ye)能(neng)夠(gou)進(jin)一(yi)步(bu)滿(man)足(zu)等(deng)溫(wen)鍛(duan)造(zao)成(cheng)形(xing)的(de)需(xu)要(yao)。進(jin)過(guo)熱(re)塑(su)性(xing)加(jia)工(gong)的(de)TiAl合金，通過一定的熱處理工藝，可以獲得各種不同的綜合性能，從而滿足工程應用。

美國GE公司將鑄造的全套98件低壓渦輪葉片安裝在大型商用運輸機CF6-80C2發動機上，通過了1000個飛行周期的考核試車。蒂森（Thyssen）與羅羅公司（Rolls-Royce）成功的鍛造出發動機高壓壓氣機葉片，所使用的合金成分為Ti47Al3.7(Nb,Cr,Mn,Si)0.5B；日本三菱公司采用包套鍛成形出了Ti-42Al-10V合金葉片，該合金具有較好的高溫塑性，該公司還開發了Ti42Al5Mn合金，並且采用鍛造後機械加工的方式製造出渦輪葉片等零件；羅羅使用TNB合金係生產出了高壓壓氣機葉片
，並且將這種葉片交付發動機裝配進行測試。

TiAl合金應用發展趨勢

鈦鋁合金在航空航天用材料中展現出令人矚目的發展前景，成為先進軍用飛機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片的首選材料。GE公司計劃在GE90發動機中用鈦鋁合金葉片代替鎳基合金，將減輕發動機重量200～300千qian克ke以yi上shang。空kong中zhong客ke車che和he波bo音yin公gong司si正zheng致zhi力li於yu提ti高gao發fa動dong機ji的de推tui比bi，低di壓ya渦wo輪lun減jian重zhong潛qian力li最zui大da，在zai不bu久jiu的de將jiang來lai渦wo輪lun後hou部bu轉zhuan子zi葉ye片pian將jiang采cai用yong鈦tai鋁lv合he金jin葉ye片pian。分fen析xi表biao明ming，未wei來lai發fa動dong機ji市shi場chang對duiγ-TiAl低壓渦輪葉片的年需求量高達一百萬件
，將代替目前先進渦輪發動機最後一級較重的鎳基葉片。NASA報告指出

，到2020年鈦鋁基合金及其複合材料的用量在航空
、航天發動機中將占有20%左右的份額。

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