航空航天技术是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。航空发动机被誉为飞机的心脏，受制于基础研究能力不足，目前我国民用航空发动机基本依赖进口，军用战机发动机虽然有了一定进步，但是关键性能指标与发达国家还有差距。其中，涡轮叶片是航空发动机中最关键的核心部件，其承温能力直接决定着发动机的性能，尤其是推重比。传统镍基合金虽然各方面性能都不错，但是它最大的缺点是太重，直接导致发动机的能效比得不到提高。因此，各国科学家们从未停止寻找制造航空发动机合适材料的努力。

日前，南京理工大学陈光教授团队在国家973计划等资助下，经长期研究，在新型航空航天材料钛铝合金方面取得跨越性突破。6月20日，相关成果在线发表于《自然材料》上。其室温拉伸塑性、屈服强度、高温抗蠕变性能、承温能力等关键性能指标处于国际领先，超过美国同类材料1—2个数量级。

钛铝合金首次被应用在B787飞机的航空发动机上

2007年，波音787飞机试飞成功，2009年正式投入商业运营。这种新型飞机可节油20％，氮化物（NOx）排放量减少80％，噪音显著降低，从而引发全球关注。波音787飞机性能的大幅提升很大程度上得益于其所采用的航空发动机。

波音787飞机的发动机正是美国GE公司生产，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。

GE公司采用的4822合金也称不上完美，它的室温拉伸塑性不到2％，虽然足以傲视其他金属间化合物，但它跟镍基合金比起来还是显得太脆了。因此，GE公司把它用在了环境温度、危险系数最低的末端两级叶片上，这样即使发生折断也不会导致整架飞机失控。GE公司之所以采用钛铝合金是因为钛铝合金的密度仅为镍基合金的一半。在以克为减重单位的飞机发动机上，GE公司使单台发动机减重约200磅，成为当时航空与材料领域轰动性的进展。

因此，钛铝合金成为目前公认的替代镍基高温合金的最佳新型轻质结构材料。

陈光教授团队在钛铝合金方面取得跨越性突破

陈光教授团队的研究成果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。

陈光教授在钛铝合金材料方面的进展得到各方认可

中国科学院院士曹春晓院士用“原创性、突破性、引领性和基础性”这四个关键词，对陈光教授团队的研究成果给予高度评价。他指出：“通常，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。这项关键材料技术对我国的航空航天事业的发展具有重大价值，有助于中国飞机有一颗更强的‘中国心’。”

北京航空材料研究院副总工程师张国庆研究员指出：“高温合金是‘重点新材料研发与应用’国家重大工程的关键研发内容之一，轻质高强材料是国家新材料领域的重要发展方向。TiAl合金因其优异的比强度和高温性能，已成为有航空航天应用前景的新型高温结构材料及传统高温合金的未来替代材料。南京理工大学陈光教授团队研究成功的‘PST高温TiAl合金单晶’大幅度提高了高温性能，显著改善了材料塑性，对于新型轻质高温结构材料的发展和应用具有非常重要的意义”。

长期从事高温结构材料研究的中国科学院金属研究所袁超研究员认为：“陈光教授团队采用纳米孪晶强韧化方法制备的单晶TiAl不仅强度高，室温塑性更是超过6.9％，属于金属间化合物研究的重大突破。一方面，这种发现有可能应用于其他金属间化合物，引领新一轮金属间化合物研究热潮，具有重大理论意义。另一方面，高塑性为其真正工程应用奠定基础，具有重大工程意义”。并指出：“该成果是中国原创，绝对世界领先。建议国家加大支持力度，尽快完成该合金全面性能测试，真正应用于我国航空发动机的叶片制造”。

来自航空发动机设计一线的康剑雄副主任设计师站在应用的角度，从“革命性”和“引领性”两个方面对陈光教授团队的研究成果进行解读。他说，在航空发动机研究领域有这样一句话：一代材料，一代发动机。材料的突破可以带来航空发动机性能的极大提升。他认为，陈光教授的研究成果将会引领航空发动机的设计理念、设计方法进行变革，他期待该成果早日在工业部门得到应用，为实现中华民族的强国梦增加信心。

虽然陈光教授团队在钛铝合金方面取得跨越性突破，但是陈教授指出：一个新型材料从实验室到装上飞机，还有漫长的道路要走。据估计，PST钛铝合金实现应用还有5—10年。

文章链接：

Guang Chen, Yingbo Peng, Gong Zheng, Zhixiang Qi, Minzhi Wang, Huichen Yu, Chengli Dong & C. T. Liu, "Polysynthetic twinned TiAl single crystals for high-temperature applications," Nature Materials (2016)，doi: 10.1038/nmat4677

陈光教授简介：

南京理工大学材料评价与设计教育部工程研究中心教授，博导

研究方向：受控凝固与新材料；新型金属与先进复合材料；块体金属玻动及其复合材料。

（本文信息来源：南京理工大学网站；由e科网整理编辑）

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