我們還需要第五代單晶高温合金嗎 | 航空發動機專題_風聞

       2018年的第十二屆珠海航展上，中航發動機展區的展台上展出了幾件不起眼的展品，國內外各媒體基本上未曾提及。但是不得不説這幾件展品是本屆航展上最有技術含量的少數幾件展品。  關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻

       從這張照片上我們可以看到，這件展品是國產第三代單晶高温合金雙層壁冷高壓渦輪工作葉片。在第三代單晶高温合金、雙層壁冷、高壓渦輪工作葉片這三個關鍵詞中，雙層壁冷這個詞是第二次出現。上一次出現還是2016年的珠海航展上，當時展出的是一個渦輪導向葉片，全稱是第三代單晶高温合金雙層壁冷高壓渦輪導向葉片，就是下面這張照片。

      上一次我們只能看到這個導向葉片的正面，下面只能夠看到雙層壁冷卻通道微微露出一點點，葉片內部的情況是完全看不到的。不過這次就披露了更多信息。   關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻

       在這張照片上可以看到，展台上給出了四個葉片剖面的切片。我們可以清楚的看到葉片內部的複雜構造。整個葉片內部分成幾個內腔，在葉片的外表面下還有六個一毫米厚四毫米寬的雙層壁冷卻通道，冷卻通道還有通氣孔和葉片內腔連通，葉片後部還有擾流柱。

       從葉片根部的入口引入冷卻空氣，通入內腔進行對流冷卻。部分空氣自內腔經通氣孔進入雙層壁冷卻通道，所有冷卻空氣經過內腔和雙層壁冷卻通道後，少部分自葉片頂部排出，大部分冷卻空氣經過擾流柱強化散熱後從葉片後緣的排氣孔排出。所謂的雙層壁冷其實就是在原來的葉片表面下再做一個空的夾層，通入空氣進行冷卻。可以看到這個夾層非常的薄，只有一毫米厚。不要忘記這是個單晶葉片，整個葉片實際上是一個完整的晶體，沒有晶界，這就是所謂單晶葉片。消除了晶界就消除了容易引起破壞斷裂的重要來源，就可以獲得更高的力學性能和更高的使用温度及使用壽命。雙層壁冷卻通道這個夾層是和葉片整體一次鑄造成型的，這已經是非常高的工藝水平。關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻  

      那麼這個雙層壁冷實際上是一種冷卻技術，它可以提供大概300度左右的冷卻温度。我們知道，航空發動機要想提高性能，渦輪前進氣温度是一個非常關鍵的技術指標，它的高低基本上就決定了一台航空發動機的主要性能指標。所以提高發動機渦輪前進氣温度始終是航空發動機工程師們努力奮鬥的目標。能提供300度的冷卻温度就可以將渦輪前進氣温度提高300度，要知道這可是個不小的技術進步。我們知道單晶高温合金的工作温度每提高30度就可以算一代。以我國的單晶高温合金為例，第一代單晶高温合金DD3的工作温度為1030℃，第二代單晶高温合金DD6的工作温度為1060℃，第三代單晶高温合金DD9的工作温度為1090℃。發展了三代高温合金才提高了不到100度的工作温度，而一個雙層壁冷卻技術就相當於發展了十代單晶高温合金。而且採用雙層壁冷卻技術付出的代價要比高温合金小得多。         那麼下一步，我們是不是還要發展第五代單晶高温合金，來進一步提高渦輪前進氣温度呢？再往前走，遇到的第一個問題就是資源限制問題。目前世界各國使用的單晶高温合金，主要是鎳基單晶高温合金。而鎳基單晶高温合金提高工作温度的主要技術手段之一就是增加合金中稀有金屬的含量，這些稀有金屬主要是錸、鐿、鑥、釕等高熔點金屬元素。對於已經掌握鎳基單晶高温合金的國家來講，只要願意付出代價，增加這些稀有金屬元素的含量，就能研發出第四代、第五代單晶高温合金，這中間沒有太高技術門檻。我國國內也已經研製了第四代、第五代單晶高温合金，但問題是這樣做是要付出代價的。這些稀有金屬元素的礦藏儲量在全世界範圍內都是非常稀有的，以金屬錸為例，全球礦產儲量也不過一兩千噸，比黃金還要稀少N多倍，全球年產量也不過幾十噸級別。價格高不説，有錢也不一定買得到。雖然我國也有部分錸礦儲備，但終究資源有限。而且金屬錸回收利用的技術難度和成本都非常高。正是因為如此，很多單晶高温合金都以儘量少用金屬錸來標榜自己成本低、對資源依賴少。

        另一個限制來自鎳基單晶高温合金工作温度的理論限制，鎳基單晶高温合金的極限工作温度大概在1226℃。發展到第五代單晶高温合金，工作温度也就只是提高到1150℃。這已經接近理論極限，沒有多大發展空間了，但是付出的代價卻不小，所以這個發展方向在技術上實際上是條死衚衕。  關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻 

     正是基於以上原因，傳統的發動機強國美國和英國都沒在這方面下很大功夫，第五代單晶高温合金實際應用很少，大多國家停留在實驗室研究水平上。目前只有日本還在這上面努力發揮工匠精神。   關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻

      那麼，對我國來説，有了雙層壁冷卻技術上的進步，就不一定非要走第五代單晶高温合金這個獨木橋，我們完全可以走一條以系統整體最優為目標，依靠體系創新的發展道路。當然，僅僅靠雙層壁冷卻技術還遠遠不夠，我們下次接着聊展台上的其它展品。關注微信公眾號：尖端防務   收看專題視頻