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材料之殇:难产中国心

材料对技术的限制有多严重?仅以机床为例,机床是削金属的工具,精密机械结构都是靠削出来的。高速加工时,主轴和轴承摩擦会产生热变形,影响机床的加工精度。精度的影响与刀具的磨损误差,使得大量的国产设备,即便采用更精巧的设计,性能仍然落后一截。
2018-08-14
 

作者:叶良辰

来源:老和山下的小学僧

原题目:《材料之殇:难产中国心》2018.02更新

 

都说航空发动机是工业皇冠上的明珠,那到底“明珠”在哪?砖家们哔哩啪啦讲了一堆,咱学识浅薄,用白话文单说最难一点。

依惯例,从小学知识说起。

发动机向外喷东西越多越快,产生的推力也就越大,但是燃油炸药这些,爆炸速度已经接近分子间传递信息的理论极限。如果基础物理不突破,那么为了提高推力,就只能拼命往发动机里塞更多燃料。燃料一多,空气就不够烧了,所以又得装个“抽风机”。这就是发动机的基本原理:压缩更多的空气供更多的燃料燃烧。

问题就出在这个抽风机上。

这张图囊括了发动机的几乎所有基本原理,三大核心部件:高压压气机、主燃烧室、高压涡轮,再加两个关键词:内涵道、外涵道。

高压压气机就是一台“抽风机”,和后面涡轮连成一体。风扇先把空气吹进来,压气机高速旋转,把空气压缩到燃烧室,燃烧产生的强大气流往外喷射产生飞机的动力,同时推动后面的涡轮转动,涡轮转动带动前面的压气机转动,继续压缩更多的空气进来。

看晕的同学再捋一捋:压气机旋转的动力来自涡轮,涡轮旋转的动力来自燃料燃烧,燃料燃烧的空气来自压气机的压缩,这三角恋也是够复杂的。

 

索性补几个名词解释:

外涵道和内涵道的比例叫“涵道比”,外涵道的空气不进燃烧室,直接向后喷出。外涵道比例大的,叫“大涵道比发动机”:省油、低速,适合客机货机等大型飞机;外涵道比例小的,叫“小涵道比发动机”,费油、高速,适合战斗机等小型飞机。

这种前面一个风扇,后面一个涡轮的发动机,叫“涡轮风扇发动机”,简称“涡扇发动机”。

如果把内涵道无限缩小,这就是一台“涡轮螺旋桨发动机”,简称“涡桨发动机”。

如果把外涵道无限缩小,风扇也就没必要了,这就是“涡轮喷气发动机”,简称“涡喷发动机”。

行文至此,干货来了:高压涡轮的叶片就是全世界最难最难最难制备的材料,工作环境极为恶劣:高温、高压、高强度!这就是所谓的工业皇冠上的明珠,也是xx最短的短板,没有之一。

上图这造型就是典型的涡轮叶片。在燃料和叶片的关系中,燃料的盈余量很大,所以无论叶片有多牢靠,多倒些燃料,就可以紧紧把叶片逼到奔溃边缘工作。为了充分压榨叶片,还有很多冷却技术,比如,叶片上的小孔,工作时有高速气流喷出,在叶片表面形成一层气膜,这叫“气膜冷却技术”。

发动机里温度最高的便是涡轮前面那段,这叫“涡轮前温度”,是衡量发动机代差的主要参数。因为耐高温是硬功夫,只要这点追上了,哪怕其他参数不行,也可以通过设计快速提升,这个进度是可预期的,但材料研发的进度是说不准的。

涡前温度每提高100K,推力增加15%,相差200K就意味着相差一代。听说涡前温度全球平均每年提升10K,有人说xx发动机落后美帝20年,估计就是根据这个算出来的。

 

虽然发动机结构设计也很复杂,但难度无法与材料相比,想办法弄一台样品,直接山寨就是。别嘲笑山寨,这家伙还有个帅气的正经名字:逆向工程。写论文第一步都是文献综述,任何研发工作,首先了解同类产品并借鉴升级,是非常合理的做法。任何国家都这么干,以前这么干,现在这么干,未来还这么干!只不过xx底子薄,现在干得更多而已。当然了,像发动机这么复杂的机器,自己没有吃透,也是不可能完成山寨的。

举个例子。某年,歼六发动机连续断轴,一度导致60%飞机停飞,严重影响空防。折腾两年才搞明白,这个发动机山寨了相当部分毛子的设计,但有一处倒圆角半径出了问题:

毛子设计是0.6mm-0.8mm,无奈xx的刀具材料不过关,圆角刀两侧磨损过快,于是加工时半径少了0.2mm。就因为这0.2mm,导致应力急剧增加,涡轮轴断裂,多次酿成机毁人亡事故。想想,一个发动机需要多少这样的细节组成?

而整个军工需要多少这样的细节组成?现代军工体系的庞杂超乎想象!从某种角度说,军工其实是“阳谋”,比拼的就是人员和投入!这个严密而庞大的体系才是最高的技术门槛。

扯远了。

正因为极端条件下的苛刻要求,美帝有些发动机,为了减少不必要的连接和缝隙,核心部件就从整个大铁疙瘩里一点一点削出来,俗称整体叶盘。

叶片和圆盘连在一起,不但更牢固,重量还能下降30%xx心领神会,据说已经引进了最先进的整体叶盘制造技术。

这图就开个玩笑,自家展会上的,只是试刀用的样品。整体叶盘逐渐成为发动机主流,美帝计划2020年战斗机涡轮全采用整体叶盘,不过加工这玩意儿手艺不是一般的高明,通常需要五轴联动机床。说到机床,哎……

顺便说一说美俄思路的差异。毛子的数学功底是融到骨子里的,所以毛子经常靠线性计算搞定一切。苏27的发动机就是用销钉固定,毛子就是任性的把受力分布计算到极致,发动机硬是不散架!这功夫也是没谁了!

虽然航空发动机极高温极高压,但工作时间毕竟短,还有一种场景是温度压力稍微低点,但工作时间非常长,由于温度和时间具有一定的当量关系,这其实是一回事。对钢的稳定性评价通常采用“高温长时效试验”,举例来说:蒸汽轮机叶片钢试验时间通常要超过10000h,若把温度提高到670度,试验时间可以缩短到400h

所以除了航空发动机,xx的大功率蒸汽轮机、燃气轮机也是苦的一逼!

很多同学就不信邪了,为啥材料这么难?这还是怪人类科技太落后,什么都要靠试验,只能通过一次一次试验,才能找到最优方案。做材料和炒菜差不多,最后的成份都知道,猪肉萝卜炖粉条,比例也数得出来。但其中的入锅顺序、火候、食材的预处理、种菜的肥料、养猪的饲料、用的什么锅什么铲,一概不知,所以xx看着一道道好菜,只能流口水。

  学术点说,就是不同的原子按照特定的规律排列,我们能分析出材料的排列分布,但不知道怎么样才能让原子按这样的规律去排列。

知道劳斯莱斯吗?其实他们做汽车是闲着玩玩,最牛的技术是航空发动机,同水平的全球仅三家,还有2家是美国的通用和普惠(不是卖电脑那家)。

材料对技术的限制有多严重?仅以机床为例,机床是削金属的工具,精密机械结构都是靠削出来的,机床对于工业,就像纸笔对于学生(只用电脑,不动纸笔的学生请走开)。高速加工时,主轴和轴承摩擦会产生热变形,导致主轴轴线的抬升和倾斜,从而影响机床的加工精度。正因为这点加工精度的影响,外加刀具的磨损误差,使得大量的国产设备,即便采用更精巧的设计,性能仍然落后一截。

xx这几年疯狂的投入,几乎没有什么折腾不出来的。大学时听老师说,F16的发动机图纸,早早就有了;中科院可以扫描出最先进芯片上所有的设计细节;如此等等。唯独材料,将庞大的技术积累,死死卡在瓶颈上!大部分所谓的核心技术,归根结底,就是材料!

话说回来,xx怎么说也是五大流氓,并非一无是处,如果不要求第一,只要求前五的话,还真没啥不会的技能。

20166月,一则《中国航空发动机材料重大突破,寿命优于美国1~2个数量级》的新闻让许多人一阵骚动,细细拜读陈教授大作,只能说“进步很大,但差距依然不小”。简单解析一下:这则新闻源自南京理工大学陈光教授团队在《NATUREMATERIALS》(影响因子38,搞科研的同学都吓尿了吧)上发表的一篇论文,大意是“高温PST钛铝单晶”取得重大突破。

  材料制备,本质上就是让原子按某种规律排列,高雅一点叫:定向结晶。这和兵法阵形差不多概念:让原子排列的方向,全部对着受力方向,这样的金属叶片强度就高。但是高温下,金属都会热胀冷缩,经这一折腾,阵形就乱了,高雅一点叫:高温下的合金蠕变。

  陈教授研究的钛铝合金,属于比较主流的发动机叶片材料。陈教授在合金结构里加了Nb,这可不是撒胡椒粉那种加法,加Nb是很讲究的。Nb有啥用呢?这阵形的主力士兵是钛铝原子,在阵形的关键位置,安排了Nb原子这个传令兵,士兵就不怕走散,可以分开的距离就更大一些,在材料上表现为延展性能提升。同时,这个传令兵也不会让士兵分的太远导致阵形溃散,他会把士兵控制在一个有效范围内,这在材料上表现为拉伸强度提升。

PST900度下抵住了637MPa的高拉伸强度,什么概念呢?--“这简直屌炸天了!”一位不愿意透露姓名的材料学家说。

蓝色线是美国波音客机GEnx引擎中的合金(简称4822合金)的蠕变抗力,红线是陈教授的PST钛铝单晶,线条往上翘就表示挂了。解读一下:

100MPa蠕变应力:4822不到100小时就挂了,PST超过了800小时还没挂,看趋势不知道多久会挂。

150MPa蠕变应力:4822抗了5个多小时,PST抗了350小时。

210MPa蠕变应力:4822抗了1个多小时,PST抗了100小时。

这就是新闻上说的比国外先进2个数量级的那个参数。在钛铝合金这块,xx算是出头了。

 

  为啥还说差距依然不小?

  但凡上天,减重自不用多说,原则上,叶片重量越轻、强度越高,越好。所以发动机会根据不同级叶片的工作环境,采用不同的材料,尽量降低发动机重量。钛铝合金和镍基合金,前者轻但不牢靠,后者牢靠但重,两者密度相差一半。

  陈教授的PST合金可以耐900度,通常认为气膜冷却能贡献400度,隔热涂层能贡献100度,这样算下来,保守估计锅前温度能到1750K,这基本可以搞定三代发动机。拍着脑门想想,若现有三代发动机全用PST替换,这画面真是不敢想,搞不好推重比全都超过10了!就连美帝也得哭!

  但是在1000度条件下,PST拉伸强度下降到238MPa,估计很快被扭成麻花。所以四代发动机,只能用在压气机和低温涡轮那里,核心的高压涡轮还是够呛。比如,美帝有款发动机的高压压气机共9级,前3级钛合金,后6级镍基,这6级基本可以用PST替换,还有新闻里的GENx,低压涡轮的镍基合金也可以被替换。

不过四代发动机还得用上镍基,xx的镍基合金仍处于被吊打的阶段,高端镍材全靠进口,基本被美德日垄断。看看美帝的四代镍基合金EPM102400MPa/1000度,轻松撑过1000小时,对数据不敏感的同学回看一眼PST的参数(210MPa/900度,116小时)。

 

战斗机还有“开加力”一说,就是在发动机后面再装一个大圆筒,紧急时刻拼命往里倒燃料。这和吃兴奋剂没区别,瞬间增加50%的推力,但对材料的磨损极其严重,非常影响寿命!发动机在加力状态下,一般不会超过5分钟!

“最大推力”是指开加力的推力,“中间推力”是指不开加力的最大推力。

 

有了这些知识打底,咱就能解读一些新闻了。

涡扇-10WS10,俗称太行发动机。

xx的第一台大推力发动机,大涵道比结构,用于大型军用飞机。延伸型号则装备最先进的三代机,歼11B。看几条官方公布的新技术:

1)“低压涡轮两级导向叶片空心、三联整体无余量精铸结构,与高压涡轮对转。”啥意思呢?如果所有的叶盘往一个方向转,就会带着发动机也朝一个方向转,固定支架的压力就很大;如果一个向左转,一个向右转,就可以抵消旋转产生的力,这个道理很简单。据说这种设计在此类发动机里很少见,但这对发动机叶片耐高温没啥帮助,也不能因此而多倒燃料。

2)“三级风扇为带进气可变弯度导向叶片的跨音速气动设计。”啥意思?气动是xx强项嘛,不过这种设计还是提升不了发动机的层次。

3)“借鉴国际上先进的气膜冷却技术,大胆采用了复合气冷空心涡轮叶片。”终于说到点子上了,叶片能承受更高的温度,尽管倒燃料吧!

4)“纳米氧化锆热障涂层技术应用于高压涡轮导向叶片以及低压一、二级导向叶片。”这个好理解,叶片更耐热了,不错不错。

5)“第Ⅳ级和Ⅷ级高压压气静子叶片,首次实现高温合金叶片的冷辊轧。”这个也不错,同样的材质,冷辊轧的性能会更好点。

6)“首次采用整体铸造钛合金中介机匣。”这是发动机最重要的承力结构,整体铸造的强度寿命都会更好些。

总体来看,涡轮前温度1747K,最大推力13-15吨,推重比大约8,有不少新的设计,估计已经用上那个最新的钛铝合金了。如果镍基材料追上来,性能肯定还能升,现在虽比不上美帝,但也算是合格大流氓了。

涡扇-15WS15,俗称峨眉发动机。

尚未出世,为J20等四代机定制的小涵道比矢量发动机,“矢量”就是喷口能拐弯的意思。二三级风扇和前三级高压压气机为整体叶盘,钛合金材料;高压涡轮叶片是所谓的国内第三代单晶材料,估计研发就是卡在这里了。设计参数:涡轮前温度1850K,最大推力16-18吨,推重比大约10

对比一下美帝F35的发动机,全世界最牛逼的普惠F135:涡轮前温度大约2000K,最大推力19吨,推重比11.7。强调一点:美帝是现役的,xx是研发中的。

简单看一眼现役老装备:

涡扇-9“秦岭”,推重比5.05,推力约5.5吨,装备飞豹;

涡扇-13“天山”,推重比7.8,推力约5吨,装备枭龙,飞豹;

涡喷-14“昆仑”,推重比6.4,推力约5吨,装备歼-8,歼-7系列;

涡扇-500,用于无人机和巡航导弹,推力500kg,这是整体叶盘技术非常成功的应用案例,和西方差不多同一水平了。所以,xx这几年的无人机和巡航导弹一个比一个叫的响。

涡轮叶片想要全面赶超美帝,或三五年,或一二十年,反正不可能一夜圆梦,就死了这条心吧!不过,xx这位老司机,弯道超车可是一把好手。发动机的弯道在哪儿呢?

若在大气层内速度超过2倍音速,那些涡轮无论多牛逼,都会被离心力甩断裂,于是就有了新套路:“冲压发动机”。

速度快到逆天后,迎面吹来的风就比抽风机还要多,所以可以把那些乱七八糟的涡轮全扔了,就一个空牢牢的圆筒就行。这种发动机很轻,最多不超过1吨,但产生的推力却可以达到30吨,功率相当于200个火车头!冲压发动机的原理,就决定了这货只有在高速状态下才能开启,3倍音速以上的飞行器,基本都是冲压发动机。请看涡喷发动机和冲压发动机的区别:

因为不需要高温高压的叶片,xx一下子就活络了,气动外形可是咱强项啊!为什么xx的超音速巡航导弹、反舰导弹、防空导弹牛逼,这下明白了吧?

当然,这弯道超车也不是谁都能玩的,搞不好就得翻车,尤其是6马赫以上的超燃冲压发动机。这相当于在超音速的大风中点火(16级台风的风速也就50m/s),非常容易熄火!

美国NASA研制的高超音速飞行器X-43A,最高速度达9.7马赫,因为燃料无法持续的问题被放弃。后来的X-51A“乘波者”几次试飞,虽然完成了超燃冲压发动机的点火,但燃烧室气流不均匀导致的燃烧不稳定也是个头大的问题。

据说(xx的消息都要据说),xxDF-ZF(美帝称WU-14)已经稳定试飞N次了,有说法称这货已经超过美帝了。考虑到当年“钱学森们”留下的雄厚的气动功底和近乎变态的风洞,再考虑到冲压发动机不需要涡轮叶片,这说法可信度还是很高的。

除了冲压发动机,最后还有一种解决方案,可以自带氧气嘛。这也不需要抽风机了,也就没有后续那一堆烦心事了!呵呵,这是火箭发动机。家家有本难念的经,这本经改日再念。

本着“世界上只有中国和外国两个国家”的原则,航空发动机任重而道远!

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