陈光教授重大突破：在解决中国飞机“心脏病”上迈出的非 ...

在解决中国飞机“心脏病”上迈出的非常重要一步，但道路依旧漫长
                                                ——对陈光教授的钛铝合金重大突破评析

这几天网络上疯传陈光教授的钛合金重大突破的新闻，很多说法用了耸人听闻的标题，似乎从此中国发动机就打上“鸡血”，一举超过国外，尤其是“寿命优于美国”这个说法被引申到整个发动机寿命层面，有点压抑太久需要“爆发”的感觉。那么，陈光教授的重大突破到底是怎么回事，对航空发动机的重大意义到底何在，在这方面还是要做理智的分析。
首先，陈光教授的突破的确重大。南京理工大学为此专门召开记者会，会议上研究钛合金几十年的曹春晓院士对陈光教授的重大突破给予“原创性、突破性、引领性和基础性”这样的评语，可以说评价相当高，似乎感觉高的都有点过分。其实不然，就陈光教授一举将钛铝合金的高温承温能力提高150-250度，这个提高属于革命性的提高，了解一下钛铝合金的研制历史，就知道此话非虚。
就航空涡轮发动机的研制历史来看，人们一直在寻找更耐高温和重量更轻的材料，因为更耐高温意味着可以提高涡轮前温度，提高涡轮前温度意味着发动机的效率更高，著名的热机卡诺循环揭示了这其中的原因：发动机效率与涡轮最高温度和排气温度差有关系，而涡轮排气温度降低在具体的发动机上有限制，所以提高效率就要从提高涡轮前温度着手。提高涡轮前温度对材料承温能力提出了要求，同时也对叶片冷却方法也提出了要求，这两方面一起努力，使得航空发动机涡轮前温度从涡轮发动机问世时的1000度左右提高接近2000度，效率从百分之十几提高到百分之四十左右，发动机油耗大大降低，推力大大提升，进而促使了像F-22这样的战斗机、波音777/787这样的双发飞跃太平洋的飞机出现，由此可见材料和发动机冷却技术的威力。不过，传统的耐高温材料都是镍基材料制作，镍基材料的密度大约是每立方厘米8克左右，航空发动机在空中飞行，对重量敏感，航空发动机的推重比是个非常重要的指标，对战斗机的作战性能又很大影响，对运输机的经济性影响也很大，所以世界等各国都努力去降低发动机的重量，同时提高推力，尽量提高推重比，镍基材料的减重几乎到了极限，继续减重需要靠替换镍基材料来着手。
在替换镍基材料方面，人们把视线投到了钛合金上，因为钛合金具有与镍基材料相似的强度，钛合金的重量只有镍基材料的一半。人们很早就注意到了这一点，故从上世纪五十年代就开始努力将钛合金用到航空发动机上。不过，钛合金早期的承温能力不够，无法替代镍基合金应用于高低压涡轮，主要应用于风扇叶片、低压叶片等方面，即便如此，已经取得不错的减重效果，让三代机涡轮风扇发动机和四代涡轮风扇发动机的推重比提高到8和10。鉴于钛合金在发动机提高推重比的巨大潜力，美国的高性能涡轮发动机技术（IHPTET）研究计划及其后继的经济型先进涡轮发动机计划（VAATE）中，钛铝合金就占据重要位置。在如此的研究项目推动下，真正投入实用的钛铝合金就是在通用电气的GEnx发动机，也就是报道中所提到的Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金，其承温能力是在600度多，应用于GEnx的低压涡轮最后两级。GEnx的低压涡轮高达6-7级，涡轮逐级增加直径和体积，也就逐级降低压力和温度，这样才使得钛铝合金应用于低压涡轮，即便如此，也取得非常可观的减重效果，减重达到70多公斤。


那么，我们可以想象，如果GEnx能够采用陈光教授的成果，钛铝合金将不局限于应用于低压涡轮的最后两级，而是可以有更为广泛的应用，这样，会有更好的减重效果。同时，由于材料耐高温能力的提升，陈教授的材料就是用在GEnx的最后两级，也能够降低散热的要求，从而简化结构，降低重量。
在针对陈教授的钛合金材料的发明中，提到了一个很有意思的说法就是“室温塑性更是超过6.9%，高塑性为其真正工程应用奠定基础，具有重大工程意义”。这个高塑性对于加工具有非常重要的意义，尤其象锻造等工艺主要就是利用材料的塑性变形。通用动力的GEnx上采用的Ti-48Al-2Cr-2Nb，其所采用的制造工艺是铸造，钛铝合金的锻造和铸造之间的强度差异非常大，可以说，这个高塑性使得陈教授的材料具有比Ti-48Al-2Cr-2Nb更为广阔的应用场景。
综合提高承温能力、塑性、材料强度等来看，可以说相比现有的钛铝合金，陈教授的发明的确可以称得上重大突破，实至名归。
陈教授的这个突破并不仅仅限于钛铝合金领域，根据中科院金属研究所研究员袁超所说，“属于金属间化合物研究的重大突破，……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”，这个说法点出了陈教授的发明实际上已经突破了以往的钛铝合金研究方向，由此才会有革命性的提高，这种“金属间化合物研究的重大突破”并不仅限于钛铝合金，还可以用于其它合金领域，促进一系列的材料发展进步。
其次，我们要认识到，陈教授的发明奠定了良好的基础，但是发动机并不只包含材料，还有很多方面需要进步，这样才能真正解决中国飞机的“心脏病”问题。
这些天一些人看到陈教授的突破，以为中国发动机就立即能够实现腾飞，这样看是把问题看简单了。通常说“一代材料对应一代发动机”，但是一代发动机就只是一代材料，而且这个一代材料也不是一种材料，而是一系列材料。譬如GEnx发动机，其材料除了钛铝合金外，还有复合材料风扇和复合材料机匣、硅化铌、陶瓷材料、传统的镍基材料等都有发展，这些不同的材料应用不同的温度和强度应用场合，才促成了GEnx的“节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%”，并非只是采用了两级钛铝合金的低压涡轮就能够达到这个效果。从这方面来看，陈教授的研究成果是在部分材料有所突破，并不是所有材料都有突破。GEnx达到上述效果也不仅仅是材料方面的进展，提高燃烧效率、增加涵道比、高低压涡轮对转等，这些综合的措施才达成了上述效果。很多新闻报道中并没有提到上述内容，使得一些人以为是钛铝合金的进展促成了上述效果。
从材料的实验室研制到工程应用，期间也有很多过程要走，譬如材料的产品合格率是否高、质量是否稳定、加工是否方便、成本是否能够降低等，这些工程化进展并非一朝一夕的事情。材料问题解决了，相应的设计技术没有进步对发动机的提高仍然有限，国外先进发动机发展到三维宽叶片设计，减少发动机的高低压压气机的级数，减少了零部件的数量，简化了结构，这些综合作用，远比只是材料方面减重效果要好得多。

最后用一句话简单概括陈教授的突破针对中国航空发动机的影响，就是：万里长征突破了乌江天堑，但更为严峻的雪山、草地还在前头，中国航空发动机发展依旧任重道远。在解决中国飞机“心脏病”上迈出的非常重要一步，但道路依旧漫长
                                                ——对陈光教授的钛铝合金重大突破评析

这几天网络上疯传陈光教授的钛合金重大突破的新闻，很多说法用了耸人听闻的标题，似乎从此中国发动机就打上“鸡血”，一举超过国外，尤其是“寿命优于美国”这个说法被引申到整个发动机寿命层面，有点压抑太久需要“爆发”的感觉。那么，陈光教授的重大突破到底是怎么回事，对航空发动机的重大意义到底何在，在这方面还是要做理智的分析。
首先，陈光教授的突破的确重大。南京理工大学为此专门召开记者会，会议上研究钛合金几十年的曹春晓院士对陈光教授的重大突破给予“原创性、突破性、引领性和基础性”这样的评语，可以说评价相当高，似乎感觉高的都有点过分。其实不然，就陈光教授一举将钛铝合金的高温承温能力提高150-250度，这个提高属于革命性的提高，了解一下钛铝合金的研制历史，就知道此话非虚。
就航空涡轮发动机的研制历史来看，人们一直在寻找更耐高温和重量更轻的材料，因为更耐高温意味着可以提高涡轮前温度，提高涡轮前温度意味着发动机的效率更高，著名的热机卡诺循环揭示了这其中的原因：发动机效率与涡轮最高温度和排气温度差有关系，而涡轮排气温度降低在具体的发动机上有限制，所以提高效率就要从提高涡轮前温度着手。提高涡轮前温度对材料承温能力提出了要求，同时也对叶片冷却方法也提出了要求，这两方面一起努力，使得航空发动机涡轮前温度从涡轮发动机问世时的1000度左右提高接近2000度，效率从百分之十几提高到百分之四十左右，发动机油耗大大降低，推力大大提升，进而促使了像F-22这样的战斗机、波音777/787这样的双发飞跃太平洋的飞机出现，由此可见材料和发动机冷却技术的威力。不过，传统的耐高温材料都是镍基材料制作，镍基材料的密度大约是每立方厘米8克左右，航空发动机在空中飞行，对重量敏感，航空发动机的推重比是个非常重要的指标，对战斗机的作战性能又很大影响，对运输机的经济性影响也很大，所以世界等各国都努力去降低发动机的重量，同时提高推力，尽量提高推重比，镍基材料的减重几乎到了极限，继续减重需要靠替换镍基材料来着手。
在替换镍基材料方面，人们把视线投到了钛合金上，因为钛合金具有与镍基材料相似的强度，钛合金的重量只有镍基材料的一半。人们很早就注意到了这一点，故从上世纪五十年代就开始努力将钛合金用到航空发动机上。不过，钛合金早期的承温能力不够，无法替代镍基合金应用于高低压涡轮，主要应用于风扇叶片、低压叶片等方面，即便如此，已经取得不错的减重效果，让三代机涡轮风扇发动机和四代涡轮风扇发动机的推重比提高到8和10。鉴于钛合金在发动机提高推重比的巨大潜力，美国的高性能涡轮发动机技术（IHPTET）研究计划及其后继的经济型先进涡轮发动机计划（VAATE）中，钛铝合金就占据重要位置。在如此的研究项目推动下，真正投入实用的钛铝合金就是在通用电气的GEnx发动机，也就是报道中所提到的Ti-48Al-2Cr-2Nb钛铝合金，其承温能力是在600度多，应用于GEnx的低压涡轮最后两级。GEnx的低压涡轮高达6-7级，涡轮逐级增加直径和体积，也就逐级降低压力和温度，这样才使得钛铝合金应用于低压涡轮，即便如此，也取得非常可观的减重效果，减重达到70多公斤。


那么，我们可以想象，如果GEnx能够采用陈光教授的成果，钛铝合金将不局限于应用于低压涡轮的最后两级，而是可以有更为广泛的应用，这样，会有更好的减重效果。同时，由于材料耐高温能力的提升，陈教授的材料就是用在GEnx的最后两级，也能够降低散热的要求，从而简化结构，降低重量。
在针对陈教授的钛合金材料的发明中，提到了一个很有意思的说法就是“室温塑性更是超过6.9%，高塑性为其真正工程应用奠定基础，具有重大工程意义”。这个高塑性对于加工具有非常重要的意义，尤其象锻造等工艺主要就是利用材料的塑性变形。通用动力的GEnx上采用的Ti-48Al-2Cr-2Nb，其所采用的制造工艺是铸造，钛铝合金的锻造和铸造之间的强度差异非常大，可以说，这个高塑性使得陈教授的材料具有比Ti-48Al-2Cr-2Nb更为广阔的应用场景。
综合提高承温能力、塑性、材料强度等来看，可以说相比现有的钛铝合金，陈教授的发明的确可以称得上重大突破，实至名归。
陈教授的这个突破并不仅仅限于钛铝合金领域，根据中科院金属研究所研究员袁超所说，“属于金属间化合物研究的重大突破，……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”，这个说法点出了陈教授的发明实际上已经突破了以往的钛铝合金研究方向，由此才会有革命性的提高，这种“金属间化合物研究的重大突破”并不仅限于钛铝合金，还可以用于其它合金领域，促进一系列的材料发展进步。
其次，我们要认识到，陈教授的发明奠定了良好的基础，但是发动机并不只包含材料，还有很多方面需要进步，这样才能真正解决中国飞机的“心脏病”问题。
这些天一些人看到陈教授的突破，以为中国发动机就立即能够实现腾飞，这样看是把问题看简单了。通常说“一代材料对应一代发动机”，但是一代发动机就只是一代材料，而且这个一代材料也不是一种材料，而是一系列材料。譬如GEnx发动机，其材料除了钛铝合金外，还有复合材料风扇和复合材料机匣、硅化铌、陶瓷材料、传统的镍基材料等都有发展，这些不同的材料应用不同的温度和强度应用场合，才促成了GEnx的“节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%”，并非只是采用了两级钛铝合金的低压涡轮就能够达到这个效果。从这方面来看，陈教授的研究成果是在部分材料有所突破，并不是所有材料都有突破。GEnx达到上述效果也不仅仅是材料方面的进展，提高燃烧效率、增加涵道比、高低压涡轮对转等，这些综合的措施才达成了上述效果。很多新闻报道中并没有提到上述内容，使得一些人以为是钛铝合金的进展促成了上述效果。
从材料的实验室研制到工程应用，期间也有很多过程要走，譬如材料的产品合格率是否高、质量是否稳定、加工是否方便、成本是否能够降低等，这些工程化进展并非一朝一夕的事情。材料问题解决了，相应的设计技术没有进步对发动机的提高仍然有限，国外先进发动机发展到三维宽叶片设计，减少发动机的高低压压气机的级数，减少了零部件的数量，简化了结构，这些综合作用，远比只是材料方面减重效果要好得多。

最后用一句话简单概括陈教授的突破针对中国航空发动机的影响，就是：万里长征突破了乌江天堑，但更为严峻的雪山、草地还在前头，中国航空发动机发展依旧任重道远。