航空發(fā)動機渦輪葉片 (包括渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片)是航空發(fā)動機中承受溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境最惡劣的部件之一 ,在高達1500攝氏度的高溫下要承受很大、很復(fù)雜的應(yīng)力 , 又要保持上萬轉(zhuǎn)的高速運動,因而對其材料的要求極為苛刻 。同時,渦輪葉片具有品種多、數(shù)量大、設(shè)計制造周期長等特點,它的設(shè)計、制造工作量約占整機制造工作量的三分之一。
因此,如何質(zhì)優(yōu)、高效地設(shè)計出葉片,對于提高航空發(fā)動機設(shè)計質(zhì)量、縮短研制周期,都具有重要意義。自上世紀20世紀四五十年代以來,中國航空工業(yè)對航空發(fā)動機渦輪葉片用材料,國內(nèi)都投入了大量的人力、物力進行研究,研制出了不同的系列滿足了航空發(fā)動機發(fā)展的需求
我國在渦輪葉片材料加工技術(shù)上面臨著巨大落差但實際上,我國在渦輪葉片材料加工技術(shù)上面臨著巨大落差,無論從生產(chǎn)制備工藝水平,還是材料的理論研究和檢測試驗斗魚美國、俄羅斯、法國、英國等發(fā)動機強國相差甚遠,要想趕上他們的發(fā)動機,重點就在材料!核心就是材料技術(shù)的突破。自1957年,我國成功研制出第1種渦輪葉片材料GH4033開始,我國在渦輪葉片的高溫合金技術(shù)就一直落后歐美近30年至40年的差距,比如當前美國第四代航空發(fā)動機已經(jīng)開始第三代(CMSX-10)、第四代單晶材料(EPM-102)。
中國稀土資源分布圖但我國直到2015年才開始使用第二代單晶材料,差距由此可見毫不夸張的講,中國發(fā)動機落后其實就是發(fā)動機材料技術(shù)的落后。軍事專家雷澤先生告訴記者,現(xiàn)代高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能、良好的疲勞性能和斷裂韌性等綜合性能,已成為當代航空發(fā)動機渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤等高溫部件的關(guān)鍵材料。
F-22中也必須用到稀土資源比如美國的F-22戰(zhàn)斗機使用的F-119第四代航空發(fā)動機使用高溫合金中,以稀土材料為主的粉末渦輪盤高溫合金和單晶高溫合金的應(yīng)用量已經(jīng)高達50%,所以中國要想在航空發(fā)動機逆襲美國,如何研制以鎳、錸、鉬、鈷基高溫合金已經(jīng)成為中國航空工業(yè)發(fā)展航空發(fā)動機的關(guān)鍵問題。不過,雖然我國的稀土儲量位居世界第一名,出口總量達到世界的近90% ,但是實際上稀土相關(guān)金屬儲量卻比較貧瘠,尤其是在制造高端航空發(fā)動機最不可少的鎳、錸、鉬、鈷基高溫合金領(lǐng)域長期受制于人。雖然中國擁有世界上鈷材料的70%儲量份額,但中國工業(yè)高速發(fā)展對鈷材料這種稀土貴金屬的需求量很大,但實際上中國近年來一直在海外尋找這種金屬,比如世界上儲量比較大的澳大利亞、玻利維亞、贊比亞和剛果等國家。
但長期以來,由于鈷、鎳、錸、鉬等稀土金屬的開采和銷售都被西方發(fā)達國家壟斷,這些材料的定價和銷售中國參與不要,也說不上話,所以中國企業(yè)已經(jīng)開始在海外自己找礦開采,例如中國洛陽鉬業(yè)收購了剛果(金)最大的銅鈷礦,該礦擁有大約300萬噸鈷礦,可以供中國使用50年。此外中國五礦集團還在收購美洲礦業(yè)公司,來開采南美的稀土材料礦業(yè)??梢哉f,中國企業(yè)積極參與海外礦產(chǎn)資源已經(jīng)開始打破西方的壟斷,為中國發(fā)展第三代單晶技術(shù)和現(xiàn)代高溫合金奠定了堅實的基礎(chǔ)。
2015年6月和11月,英國媒體連續(xù)報道了中國兩款全新中等推力軍用發(fā)動機的研制進展,據(jù)外國媒體稱,中國在2008你那開始研制一種以RD-93發(fā)動機為基礎(chǔ)的反向測繪發(fā)動機——WS-13“泰山”,該發(fā)動機的推力比俄制的RD-93更大,達到8.9至9噸之間。目前,該發(fā)動機已經(jīng)裝備梟龍戰(zhàn)機進行試飛,2016年將成為JF-17B雙座型梟龍戰(zhàn)機的標準發(fā)動機,該發(fā)動機將在2018年開始逐漸替換俄制發(fā)動機。
此外,中國還在研制被稱為WS-17的全新中等推力發(fā)動機,它結(jié)合了已經(jīng)下馬的WS-12“天山”發(fā)動機和某型核心機技術(shù),其推力達到9.5至10噸級,已經(jīng)接近美國F-18戰(zhàn)斗機使用的F-414系列發(fā)動機水平,據(jù)英國媒體宣稱,這種發(fā)動機是中國目前正在推進的四種高性能軍用航空發(fā)動機項目之一,未來該型發(fā)動機還將用于裝備FC-31“鶻鷹”戰(zhàn)斗機或未來中國第二代艦載戰(zhàn)斗機。軍事專家雷澤先生告訴記者,目前中國正在推進的這四款新型發(fā)動機包括,WS-15大推力軍用發(fā)動機,主要用于殲-20戰(zhàn)斗機,該發(fā)動機即將裝機試飛。第二種為WS-10改進型發(fā)動機,主要裝備殲-10B和殲-11D戰(zhàn)斗機,第三種為WS-20發(fā)動機,主要用于運-20運輸機,已經(jīng)裝機試飛,最后是WS-13/17發(fā)動機主要用于梟龍和鶻鷹,也就是說,幾乎每個級別的飛機,我國都有對應(yīng)的國產(chǎn)發(fā)動機計劃,中國戰(zhàn)斗機和大型飛機將在未來5年內(nèi)集中實現(xiàn)國機用國發(fā)。
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