中国江苏网6月21日讯(记者王宛璐)北京时间6月20日晚，材料领域国际级期刊Nature Materials(《自然材料》发表了南理工材料评价与设计教育部工程研究中心陈光教授团队的最新科研项目，作为新型航空航天材料方面的“重量级突破”，该项研究有望助力飞机拥有一颗更强“中国心”。
突破：最新材料优于目前最先进合金1-2个数量级
航空发动机被誉为飞机的心脏，叶片则是航空发动机中最关键的核心部件。据悉，目前国内飞机发动机材料多使用镍基高温合金，叶片的高昂造价达几十万元左右，发动机自身重量也较重。美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb(以下简称4822)合金替代原来的镍基高温合金制造了GEnx发动机最后两级低压涡轮叶片，使单台发动机减重约200磅，节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%，噪音显著降低，2007年试飞成功，2009年正式投入商业运营。据悉，目前4822作为美国最先进的航空材料运用于播音787、747等高舒适度机型当中。
陈光教授团队经过长期研究，在材料性能上实现了新的大幅度跨越，所制备的PST TiAl单晶室温拉伸塑性和屈服强度分别高达6.9%和708MPa，抗拉强度高达978MPa，实现了高强高塑的优异结合。更为重要的是，该合金在900℃时的拉伸屈服强度为637MPa，并具有优异的抗蠕变性能，其最小蠕变速率和持久寿命均优于已经成功应用于GEnx发动机的4822合金1~2个数量级，有望将目前TiAl合金的使用温度从650~750℃提高到900℃以上。
应用：打破温度“门槛”将与高温合金“同台竞技”
“许多年来，国内外专家都没有做到的事情，陈光教授团队做到了。相信国内外同行看到这一成果，都与我有一样的感受，那就是‘眼前一亮’。”中国科学院院士、中国钛合金研究与应用创始人之一、钛合金和钛-铝系金属间化合物专家曹春晓告诉记者，通常来说，镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃，即为一代新合金。陈光教授团队发明的TiAl单晶合金，一下将承温能力提高了150~250℃以上，是重大突破，属引领性成果。“这项材料技术的原始创新性、突破性、引领性对于我国航空航天事业的发展具有重大价值。”据曹院士介绍，一般而言，飞机发动机每分钟至少一万转，高温下蠕变速率会改变，而塑性与蠕变速率往往是“矛盾体”，陈光教授团队的新研究既提高了室温塑性又提高了使用温度，可以说实现了“瓶颈突破”。但曹院士也表示，目前此项研究为基础研究结果，到应用阶段还有一段路要走。
中国航空动力机械研究所涡轮设计部副部长设计师康剑雄，作为航空发动机设计一线的专家也从应用领域对新成果给予了肯定。“‘一代材料，一代航空发动机’，这句话充分说明了材料的重要性。”康剑雄说，目前高温合金通常以20度为一个“门槛”，而陈光教授团队的研究一下将承温能力提高了150℃到250℃以上，该设计一跃成为可与高温合金“同台竞技”的新材料。他表示，如果该项研究未来投入到实际使用中，不仅能大大降低飞机叶片重量，还有望降低涡轮盘的重量，总而为飞机总体减重。
展望：新材料未来有望“造福”航天航空以外领域
“以目前美国最先进的4822为例，设计师只敢把合金用在发动机最后两级的低压涡轮叶片上，主要原因是他所使用的合金拉伸塑性只有百分之一点几，安全性不能有十足的保障。”陈光教授告诉记者，材料塑性性能低不仅对安全性是很大隐患，其所造成的易碎、易折断也加大了运输和装配过程中成本。而他们研究的新材料室温拉伸塑性达6.9%，将大大对提升飞机安全性有很大的保障作用。承温能力的提升则是该研究项目的另一大突破。“以4822材料承热能力650℃到750℃之间为例，目前合金材料只能用于发动机最后两级叶片上。我们的新材料承热能力在900℃以上，就有可能从最尾两级向前方更高温段应用。简单而言就是，钛铝合金能够替代镍基高温合金的温度区间越大，发挥减重的能力就越大。”陈教授说，发动机减重，随之带来的节约燃油、降低噪音、减少氮氧化物排放等好处不胜枚举。
“目前我们还是基础研究阶段，预计进入应用阶段还要5-10年的时间。工艺成熟之后，如果新材料可替代目前广泛使用的镍基高温合金，将大幅降低材料成本。”陈教授给记者算了一笔账：镍基高温合金的元素非常昂贵，其中以铼元素为例，它比黄金还贵好几倍，而仅这一元素就占镍基高温合金材料成本的70%以上。如果使用最新的钛铝合金，里面没有贵金属，钛和铝元素的成本与镍基高温合金相比，几乎可以说是“忽略不计”。那么，随着科技的发展，这项研究是否有望“造福”其他领域呢？陈教授打了个比方：发动机是整个飞机的“心脏”，涡轮盘是“皇冠”，叶片则好比皇冠上的“珍珠”。“叶片既受力又受热，是工作条件最恶劣的部位，所以能在这里使用的材料，运用到其他部位就更没有问题了。就好比你的身体素质可以在喜马拉雅山上生活，再到南京生活就更加舒适了。”陈教授表示，新材料成熟之后如果可以运用在飞机叶片上，就有可能运用在航天航空以外领域，包括汽车及其他制造领域。