材料—軍工發展之基。回顧歷史長河,人類的發展史某種程度上其實就是一部材料的進階史,從“石器”時代,“青銅”時代,“鐵器”時代,“蒸汽”和“電氣”時代(“鋼鐵”時代),到如今的信息時代(半導體時代),人類社會的每一次巨大進步都伴隨著材料技術的突破性發展。在任何時代,最先進的技術往往都是為軍事用途服務,從另一層面看,是戰爭推動了技術的進步,也推動著人類社會快速向前發展。因此,材料在國防工業中占據著舉足輕重的作用,是高端武器裝備發展的先決要素。
高溫合金—航發實現性能突破的關鍵要素。推重比、渦輪前溫度、燃油消耗率是衡量航空發動機性能的主要指標,也是航空發動機分代的重要依據。航空發動機的發展趨勢就是不斷提高推重比和渦輪前溫度,同時降低燃油消耗率。其中,提高渦輪前溫度有助于提升航空發動機的推重比,渦輪進口溫度每提高100℃,航空發動機的推重比能夠提高10%左右。從第一代航空發動機發展至目前的第五代發動機,渦輪前溫度已經由最初的1200-1300K提高到了1850-2000K。隨著渦輪前溫度的逐步提高,燃燒室所用材料的耐高溫要求也日益苛刻。據航空材料學報報道,自20世紀60年代中期至80年代中期,渦輪進口溫度平均每年提高15℃,其中材料所做出的貢獻在7℃左右。因此,高端高溫合金材料成為了制約航空發動機發展的關鍵因素之一。
高溫合金—燃氣輪機關鍵部件的核心原材料。燃氣輪機的基本結構與航空燃氣渦輪發動機類似,也是由壓氣機、燃燒室和渦輪(又稱燃氣透平)等組成,主要的區別在于燃氣輪機是將燃氣發生器的可用功輸出為轉子的扭矩。燃氣輪機按照體量及功率大小可分為重型燃氣輪機及輕型燃氣輪機。重型燃氣輪機主要用于發電領域,輕型燃氣輪機可用于艦船及機車、坦克等特種車輛的動力。燃氣輪機按渦輪前溫度還可以大致分類為:900℃的A級、1000℃的B級、1100℃的C級、1200℃級的D型(如:M701D),1300℃級的E型,1400℃級的F型(如:M501F/M701F),采用回收型蒸汽冷卻燃燒器、進口溫度1500℃級的G 型以及在此基礎上還開發出1500℃級的H 型(如:M701H)。燃氣輪機具有體積小、重量輕、熱效高、污染低、耗水少等優點,在船舶、電力、石化、冶金等領域的應用日趨廣泛。燃氣輪機的關鍵部件如渦輪工作葉片和渦輪導向葉片,由于特殊復雜的工作環境,對組成材料的整體性能要求極高。與航空發動機相比,燃氣輪機要求高溫合金除了良好的蠕變強度、疲勞強度和良好的塑性等共性外,還得具備獨特的物理化學特性:極強的抗熱腐蝕性,因為發電或艦用燃氣輪機工作環境較航空發動機惡劣,熱端關鍵零件渦輪葉片或導向葉片要經受嚴重的熱腐蝕;組織穩定性好,工作壽命長。軍機發動機的壽命通常約幾千小時,民航發動機的壽命也僅為上萬小時,而工業用燃氣輪機則要求幾萬至幾十萬小時的壽命。