廣大軍迷來說，我國航空發(fā)展今年來非常值得傲嬌，艦載機(jī)殲15，四代戰(zhàn)機(jī)殲20，大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20等等航空利器讓我們面子大增，但一根刺卻一直讓我們不爽，那就是飛機(jī)的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)。

葉片是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，不管是星條旗，還是伏特加，都在葉片制造等技術(shù)上一直封鎖我國，很多網(wǎng)友抱怨，我國是世界第一的產(chǎn)鋼大國，為何卻不能造出很好的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用鋼，其實(shí)那不是鋼，而是單晶合金。

單晶合金比較著名的是TMS（Tokoyo Meguro Single）合金，日本國立材料研究所（NIMS）在此項(xiàng)技術(shù)中是非常著名的，雖然小編也是抗日份子，但這方面不得不說他領(lǐng)先。

關(guān)于NIMS

日本國立材料研究所(National Institute for Material Science：NIMS)是日本最大的研究所之一，它由國立金屬材料技術(shù)研究所（NRIM）和國立無機(jī)材料研究所（NIRIM）合并而來。NIMS主要進(jìn)行材料的合成，表征和應(yīng)用的研究，包括金屬，半導(dǎo)體，超導(dǎo)體，陶瓷，有機(jī)材料，和納米材料等等。涵蓋了電子，光學(xué)，涂料，燃料電池，催化劑，生物技術(shù)等范圍的應(yīng)用。同時(shí)發(fā)展了電子顯微鏡，高能離子束，強(qiáng)磁場等技術(shù)。大多數(shù)研究是實(shí)驗(yàn)性研究，但至少有一個(gè)研究中心，致力于理論研究。

關(guān)于單晶合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的發(fā)展及應(yīng)用

眾所周知，增強(qiáng)渦輪葉片的承溫能力可直接提高渦輪進(jìn)口溫度，而提高渦輪進(jìn)口溫度是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效方法。20世紀(jì)70年代后期，單晶高溫合金由于其優(yōu)良的熱阻特性，被引入到商業(yè)航空燃?xì)鈬姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中。采用單晶合金發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率比采用定向合金提高30％以上，壽命大大延長。最新航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)1777℃，見表1。

表1 國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程

例如，采用第三代單晶合金作為葉片材料的推重比為10的F119發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度為1677℃，比采用定向合金的推重比為8的F100發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度（1370℃）提高了307℃。

美歐等國的單晶高溫合金應(yīng)用研究已比較成熟，并在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，單晶合金應(yīng)用的相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)型號與機(jī)型如表2所示，尤其是第二代單晶葉片的工程化應(yīng)用技術(shù)，目前正在服役的單晶葉片零件估計(jì)超過百萬件。由表2中單晶合金的應(yīng)用情況總結(jié)得出，Pratt & Whitney(P&W公司）與IAE(P&W,RR,JACE,MTU合資公司)系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用PWA系列單晶合金，GE和CFM（GE，SNECM合資公司）系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用René系列單晶合金，Rolls-Royce（RR公司）Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用CMSX系列單晶合金。

表2 單晶高溫合金葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

René系列單晶的專利權(quán)人是GE公司，由第一代單晶RenéN4發(fā)展到第二代單晶RenéN5和第三代單晶RenéN6。CMSX系列單晶的專利權(quán)人是Cannon-Muskegon公司，由第一代單晶CMSX-3發(fā)展到第二代單晶CMSX-4和第三代單晶CMSX-10。RR公司開發(fā)的單晶RR3000和RR3010在美國的Cannon-Muskegon公司生產(chǎn)，按美國慣例需冠上該生產(chǎn)單位的品牌名，命名為CMSX-10K和CMSX-10N，產(chǎn)品驗(yàn)收采用RR公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PWA系列單晶的專利權(quán)人是美國聯(lián)合技術(shù)公司，被P&W公司收購，由第一代PWA1480發(fā)展到第二代PWA1484和第四代PWA1487。

第四代、第五代單晶的發(fā)展以TMS系列單晶為代表。TMS系列單晶是由NIMS研究所研制的。2006年，RR公司在日本NIMS建立航空先進(jìn)材料研究室，與NIMS聯(lián)合開發(fā)單晶材料。

單晶的承溫能力一般以137MPa/1000h蠕變斷裂為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，第二代單晶承溫能力大致為1040℃，相應(yīng)的每代單晶高溫合金使用溫度都被提高了25～30 ℃，每提高25～30℃相當(dāng)于延長葉片壽命3倍。

TMS系列單晶

TMS（Tokoyo Meguro Single）是NIMS開發(fā)的鎳基單晶高溫合金系列。近年來，NIMS相繼成功研制第四、第五、第六代單晶合金TMS-138，TMS-162，TMS196，TMS-238等，在鎳基單晶高溫合金的研發(fā)領(lǐng)域，走在了世界的前列。

表5 TMS物理、力學(xué)性能和工藝特點(diǎn)

日本NIMS開發(fā)的TMS系列單晶成功進(jìn)行了系列化的發(fā)展，TMS-82+、TMS-75/TMS-103、TMS-138/TMS-138A、TMS-196，TMS-238。

TMS-82+是NIMS和東芝公司合作開發(fā)的單晶，相比同代的CMSX-4單晶，在蠕變應(yīng)力近137.3MPa下承溫能力提高30℃，熱處理窗口寬有利于進(jìn)行熱處理，同時(shí)具有良好的高溫抗腐蝕能力和相穩(wěn)定性，相比第三代單晶TMS-75具有更多連續(xù)的γ′竹筏結(jié)構(gòu)和更細(xì)小的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，有效降低蠕變應(yīng)變率。此外，TMS-82+具有良好的低周疲勞強(qiáng)度，具有與CMSX-4相當(dāng)?shù)目寡趸阅?。通過1年15MW 發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核，該單晶葉片表面無損傷，保持良好的相穩(wěn)定性，無竹筏結(jié)構(gòu)。

TMS-75是NIMS和KHI（川崎重工）合作開發(fā)的單晶，中溫到高溫段具有優(yōu)良的蠕變強(qiáng)度，并且具有良好的抗熱腐蝕能力。

TMS-138和TMS-138A是NIMS和IHI（石川島播磨重工）合作開發(fā)的單晶，兩者都具有
良好的高溫蠕變強(qiáng)度、微觀組織穩(wěn)定性和抗熱腐蝕能力。

TMS-196是NIMS獨(dú)立開發(fā)的單晶，該合金不僅具有良好的微觀組織穩(wěn)定性，同時(shí)具有良好的綜合性能，包括蠕變性能、熱機(jī)械疲勞和抗氧化能力。相比第二、三代單晶，第四、五代單晶提高了高熔點(diǎn)元素含量，如Mo、Re和Ru，雖然極大提升了蠕變性能，但是降低了抗氧化性能。第六代單晶TMS-238在第五代單晶TMS-196基礎(chǔ)上優(yōu)化了成分，呈現(xiàn)出良好的高溫蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能。

TMS系列單晶的特點(diǎn)在于熱處理窗口非常寬，有助于大尺寸零件的熱處理。另一個(gè)特點(diǎn)在于Mo含量高，形成γ／γ′界面上細(xì)小的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，有效提高了蠕變性能。