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曝中國六代機航發研製進度世界第二 將差距縮小30年
送交者: 一劍破天 2019年03月29日00:09:14 於 [軍事天地] 發送悄悄話

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  近日,據日本官方機構披露,其研製的推比10一級XF9-1軍用航空發動機驗證機在地面台架試車中,最大推力達到了11噸,最大加力推力達到了15噸,成為了繼中國的渦扇15和渦扇19之後,亞洲第二個能研製推比10一級航空發動機的國家。目前來看,日本航空發動機工業已經具備了為下一代戰鬥機研製新型高推重比發動機的能力。由於此前日本從沒有獨立研製過大推力軍用渦扇航空發動機,為了彌補其設計經驗的不足,因此和法國研製的M88(“陣風”戰鬥機用發動機)一樣,走的是一條“經驗不夠,溫度來湊”的技術路線。

  從目前公開的總體設計相關資料可以看出,XF9-1發動機在性能方面的最突出特點是顯著提高了渦輪前燃氣溫度,其核心機可以在渦輪前溫度1800℃條件下可靠運轉,這一指標已經超出美國現役F119 發動機的渦輪前溫度(1690℃)約110℃,可以說是一個極其驚人的指標。要知道,目前英美俄研製的推比10一級航空發動機的渦輪前進口溫度也不過為1600℃至1730℃,正在預研的推重比12至15一級的第六代航空發動機的渦輪前設計進口溫度也只有1750℃至1830℃,眾所周知,日本在材料技術領域實力非常強大,高溫合金、碳化硅陶瓷基複合材料(CMC)、碳纖維複合材料、高溫樹脂基複合材料等都處於世界領先地位。日本在對外宣傳XF9-1渦扇發動機時,也重點強調其採用了日本獨立研發的陶瓷基複合材料以提高渦輪前溫度,使渦輪前溫度達到1800℃。那麼,我國航空發動機的耐高溫材料性能如何,自然是大家關心的熱點。最近,在2019年度國家科學技術獎勵提名公示資料中,首次披露了我國超高溫材料的最新應用進展的一些情況。

  該公示資料稱,在先進燃氣渦輪航空發動機中,高溫防護塗層與高溫結構材料、高效冷卻為發動機最高溫度部位:渦輪葉片的三大關鍵科學技術。我國推重比為10一級航空發動機已採用了以氧化釔-穩定氧化鋯( YSZ)為陶瓷層的熱障塗層材料,使渦輪葉片長期使用溫度可達到1150℃-1200℃,再加上先進的氣膜冷卻技術後(可使單晶渦輪葉片表面溫度降低約500℃),航空發動機可以長期在渦輪前溫度1700℃條件下可靠運行。隨着我國新一代推比12至15航空發動機的研製,我國已經成為世界第二個開展實際應用型號變循環第六代機發動機研製的國家,該發動機的渦輪前設計進口溫度有可能達到1800℃以上。由於我國的碳化硅陶瓷基複合材料(CMC)目前還不夠成熟,與日本的第三代最新產品耐溫性還有一代的差距,因此迫切需求能抵禦1300℃-1400℃以上超高溫的新型熱障塗層材料。

  然而,此方面核心基礎及相關研究成果在國際上嚴格保密,幾乎沒有任何發表的公開資料。為滿足國家的需求,北京航空航天大學和內蒙古工業大學的相關科技人員經過10多年的緊密合作,在國際上率先實現了1300℃級別超高溫熱障塗層在先進航空發動機熱端部件的試用,並大幅度改善了CMAS沉積導致的航空發動機葉片熱障塗層失效和葉片熱裂問題,其提出的新型超高溫熱障塗層被認為是“最有前景的先進熱障塗層材料之一”, 已被我國航空發動機設計單位選用為在研新一代航空發動機高壓渦輪單晶葉片熱障塗層。其應用單位中國航發瀋陽發動機研究所稱:“採用氧化鋯熱障塗層時,200-300次熱衝擊循環後(部件)出現了2毫米長的裂紋;採用新塗層LC(鈰酸鑭)時,經1350次熱衝擊循環後仍無裂紋產生。表明LC(鈰酸鑭)塗層隔熱效果明顯優於氧化鋯熱障塗層”。

  “與塗覆傳統熱障塗層的葉片相比,塗覆了新型具有阻CMAS防護層的熱障塗層的葉片熱障塗層完整性和葉片熱裂紋得到改善”。 由周克崧院士、劉大響院士等組成的技術成果鑑定委員會認為:“該項目組成功研製的鈰酸鑭(LC)熱障塗層是1300℃級別熱障塗層技術發展中的重要突破,並在國際上率先實現了在先進航空發動機關鍵熱端部件的試用。在新型熱障塗層研究方面達到國際領先水平,在航空航天武器裝備熱端部件防護上有重大應用前景,標誌着我國下一代背景發動機研製在材料技術的 上 的歷史性突破,未來可大幅減少我國航空發動機研製差距縮小20至30年”。

  公開資料稱,我國科研人員研製的LC /YSZ 雙層結構熱障塗層具有良好的高溫相穩定性能( 室溫至1400℃無相變),LC /YSZ 雙層結構熱障塗層經過2000 次以上熱衝擊,塗層僅有5%面積發生剝落,而在相同實驗條件下,8YSZ 熱障塗層經過1556 次熱衝擊即已失效。與第一代熱障塗層材料YSZ相比,耐溫穩定區間提高200℃以上,高溫熱導率降低50%以上。如果說第一代熱障塗層材料使我國航空發動機渦前溫度提高到1750℃左右的話,那麼北航團隊研製的新一代熱障塗層則將我國航空發動機渦前溫度提高到1850℃以上,且塗層壽命也大幅延長,並早已正式投入使用。


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