高温合金研制成功，中国将告别航空发动机无心之痛，迈入强国之路
随着歼10、歼11、歼20等一批具有世界先进水平的战斗机服役，中国空军已然脱胎换骨，成为世界上最强大的空军力量之一。但战斗机的“心脏病”问题依然如跗骨之蛆一般困扰着中国空军，严重制约了中国空军战斗力地提升，是中国空军最大的短板。现在，这块短板或即将补齐。
国产歼-20战斗机
据报道，中国正在从国际市场大量购买耐高温稀有金属材料铼，而铼是制造航空发动机最理想的应用材料。铼的使用暗示着航空发动机涡轮冶金技术的两大进步：提高镍基高温合金的性能；可以制造出用于单晶叶片的含铼合金。这两项技术都能使涡轮在更高温度下工作。这表明，中国或即将批量生产更为优秀的航空发动机，如太行、涡扇20、涡扇15等。新型发动机将拥有更出色的性能，更大的推力，更长的使用寿命。
纯铼金属样品
铼是钨的邻近元素，熔点达到3180摄氏度，是仅次于钨（3308摄氏度）的第二难熔金属，在地壳中含量非常少。除了难熔以外，铼本身还具有良好的塑性，在高温和低温情况下，都没有脆性，抗拉强度和抗蠕变强度优于钨、钼和铌。若向难熔金属钨、钼、铬中添加铼，制造的含铼合金具有良好的高温强度和塑性，可以提高材料的强度、塑性和焊接性能，降低韧-脆转变温度和再结晶脆性。同时铼对单晶高温合金显微组织、力学性能、不稳定相及单晶缺陷等的影响显著，可以增强单晶合金的高温抗蠕变性能。而单凭这一点，就为铼在航空发动机上的应用打开了一扇大门。
先进发动机在高温区域工作的叶片，对于铼极度依赖
铼的加入使得高温合金的强度和耐高温能力提高，单晶合金的组织性能也得到了极大改善。因而，近年来人们逐渐开始利用铼生产高性能单晶高温合金，并将其应用于航空发动机的叶片，以至铼在航空发动机工业中的应用达到了全部铼用量的80%。现阶段航空发动机的镍基单晶材料叶片中的先进产品，普遍含有3-7%以上的铼；每一次新的单晶涡轮叶片高温指标和寿命性能大幅度提升，背后都离不开铼的含量提升。
F119（F22用）发动机使用含铼合金
中国在高温合金的发展上，虽然成分设计紧跟国外的发展步伐，已经发展到第四代单晶；但是由于铼资源严重短缺，实际批量生产产品受到的限制比美国远远大得多得多。如果在制造太行、涡扇20、涡扇15等航空发动机时，使用含铼合金，将有效提高发动机的性能和寿命，困扰中国战鹰的心脏病问题也将彻底得到解决。
国产涡扇10发动机
高温不再是合金抗蠕变的短板
如何有效提升热-力-时间耦合作用下晶界的结构稳定性，进而抑制晶界高温软化和扩散蠕变，成为长期以来材料领域的一个重大科学难题，也是发展高性能高温合金的主要瓶颈之一。
《中国科学报》从中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心获悉，近期该中心卢柯院士团队与武汉大学教授梅青松合作，在这一科学难题研究上取得重要突破。相关研究成果11月11日发表于《科学》。
研究团队利用自主研发的特种塑性变形技术，在一种商用单相高温合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中将晶粒细化至9 纳米，晶界结构发生明显弛豫。研究发现，弛豫态晶界在热及热/力耦合下均保持稳定，大幅提升了高温合金的高温强度、高温蠕变等关键力学性能。该结构在700摄氏度、1GPa应力下的蠕变速率可低至10-7s-1（每秒10-7），显著优于目前常用的多晶高温合金以及单晶高温合金的性能。
据了解，金属材料在高温下长期承受低于所能承受的微量塑性变形的应力作用时会发生永久形变，通常被称为蠕变。晶界在高温下一直被普遍认为是合金抗蠕变的短板。
研究团队发现，弛豫态晶界在热及热/力耦合下均保持稳定，大幅提升了高温合金的高温强度、高温蠕变等关键力学性能。这是由于弛豫晶界可有效抑制晶界扩散，阻碍了高温下晶界迁移、晶界滑动、晶界扩散蠕变等失稳机制的启动，从而保持了晶界的强化作用。
这一结果系统演示了通过结构弛豫，晶界可以大幅度提升高温合金的抗蠕变性能。此外，这种晶界弛豫纳米晶高温合金可大幅降低对合金元素的依赖，为高性能高温合金的可持续发展开辟了一条新路。
（记者沈春蕾）
来源： 中国科学报