所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的性能指標(biāo)就是其推重比，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比，而發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提升，也使飛機(jī)的性能不斷產(chǎn)生飛躍。例如早期的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比只有2至3，現(xiàn)在已能到達(dá)10以上，飛機(jī)最大速度由原來的不超過音速發(fā)展到現(xiàn)在的2到3倍音速，并可長時(shí)間不開加力超音速巡航飛行，這都是航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高的功勞。而要提高推重比，除了不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪工作溫度以外，持續(xù)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量也是一個(gè)重要途徑。鈦的密度比鋼輕約40%，而強(qiáng)度與之相當(dāng)，熔點(diǎn)為1668℃，按理說應(yīng)該是一種十分優(yōu)異的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫金屬材料。但是在實(shí)際應(yīng)用中，鈦合金材料只能用于溫度較低的航空發(fā)動(dòng)機(jī)前端風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)中，用其制成的葉片、盤件、機(jī)匣工作溫度區(qū)間一般為350至400℃，一般不超過600℃。

2018年7月27日，國內(nèi)某雜志曝光了一張2021號(hào)殲-20換裝改進(jìn)型太行發(fā)動(dòng)機(jī)試飛的“高清大圖”。雖然從去年9月份開始就一直有殲-20換裝太行發(fā)動(dòng)機(jī)的圖片傳出，不過這次的圖片還是第一次如此清晰地曝光了發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的細(xì)節(jié)。從去年9月以來，換裝了國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的殲-20原型機(jī)進(jìn)行了密集的試飛，這也表示出中國確實(shí)有意讓殲-20批量換裝這種發(fā)動(dòng)機(jī)。不過“太行殲-20”是否適應(yīng)中國空軍未來的發(fā)展？本期《出鞘》我們就來談?wù)剼?20發(fā)動(dòng)機(jī)的那些事。

這是因?yàn)楫?dāng)鈦的表面溫度超過600℃時(shí)，將在空氣環(huán)境中發(fā)生極快的氧化反應(yīng)，外層抑制燃燒的氧化膜迅速脫落，使其高溫性能受到明顯破壞，甚至?xí)a(chǎn)生致命的“鈦火”現(xiàn)象。為了提高鈦合金的使用溫度，開發(fā)新型耐高溫鈦合金或者鈦化鋁合金、使用新型高效氣冷葉片技術(shù)和研制新型高溫抗氧化涂層，成為耐高溫鈦合金研究領(lǐng)域的3大主要任務(wù) 。據(jù)國內(nèi)公開資料披露，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)在役和在研的主要高溫鈦合金使用溫度呈不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的鈦合金主要有TC-4，TC-11，TC-14等，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)低溫段工作的葉片、盤、機(jī)匣等零件，工作溫度區(qū)間為400-500℃。上世紀(jì)90年代為當(dāng)時(shí)新研制的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)配套研制了耐550℃高溫鈦合金TA-12，但工程化時(shí)遇到較大的技術(shù)問題，后經(jīng)成分優(yōu)化，去除了稀土元素釹，重新命名為TA-32。

近年來，隨著推比10等新一代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高溫鈦合金的迫切需求，600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、鈦化鋁合金和碳化硅纖維增強(qiáng)鈦復(fù)合材料成為新型高溫鈦合金的發(fā)展重點(diǎn)。國內(nèi)幾家科研院所在600℃高溫鈦合金方面開展了大量研究。如北京航空材料研究院研制的新一代600℃高溫鈦合金TA-29，其制成的鈦合金整體葉盤零件已通過了高溫超轉(zhuǎn)破裂、低循環(huán)疲勞、葉片振動(dòng)疲勞強(qiáng)度考核。TA-29鈦合金大規(guī)格棒材、整體葉盤鍛件和零件已具備小批生產(chǎn)能力。公開資料稱，TA-29鈦合金具有十分優(yōu)良的高溫性能，在其他性能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，還可延伸至620℃左右長期使用。除在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力外，TA-29鈦合金在750至800℃仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度，可在此溫度區(qū)間短時(shí)使用，在航天領(lǐng)域，可應(yīng)用于超高聲速導(dǎo)彈、火箭、飛行器、空天飛機(jī)等裝備的機(jī)體構(gòu)件、蒙皮，以及航天發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件。

鈦化鋁（TiAl）合金因其熔點(diǎn)高、比強(qiáng)度高、高溫蠕變性能好及抗高溫氧化能力好等優(yōu)點(diǎn)，成為最具應(yīng)用潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。在700至850℃溫度范圍內(nèi)，鈦化鋁合金的比強(qiáng)度顯著高于普通鈦合金和鎳基高溫合金等材料。美國GE公司研制的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，法美合資的CFM公司最新研制生產(chǎn)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了鈦化鋁渦輪葉片，試驗(yàn)證明可顯著減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和節(jié)省約15%的燃油消耗。中國科學(xué)院沈陽金屬研究所采用離心精密鑄造方法制造的國產(chǎn)γ-TiAl合金低壓渦輪葉片，已在英國羅羅公司的Trent XWB大推力大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)上完成了覆蓋一個(gè)大修周期的1750次模擬飛行循環(huán)考核試驗(yàn)。有關(guān)專家稱，沈陽金屬所研制的γ-TiAl合金在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)用低壓渦輪葉片和高壓壓氣機(jī)葉片、汽車增壓渦輪和排氣閥等高溫結(jié)構(gòu)部件都有著廣泛的應(yīng)用前景。

另據(jù)公開資料披露，華中科技大學(xué)的有關(guān)科研人員采用激光合金化新技術(shù)在普通鈦合金板材表面制備出了耐1000℃高溫的鈦化硅/鈦化鋁復(fù)合涂層，其高溫抗氧化性能比普通鈦材和鈦合金基體提高了12.3倍，在保持鈦合金固有性能優(yōu)點(diǎn)的條件下有效解決了其高溫抗氧化性能差，易產(chǎn)生“鈦火”的難題。