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國產軟件打破航空發動機單晶渦輪葉片研制國際壟斷

時間:2019年04月02日 13:35   來源:中國航空報
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航空發動機單晶渦輪葉片研制

 

  近日,在北京市委市政府召開的北京市科學技術獎勵大會上,清華大學材料學院許慶彥研究員團隊與中國航發航材院等單位合作研究完成的《航空發動機高溫合金葉片定向凝固多尺度建模與仿真技術及工程應用》項目榮獲北京市科學技術獎一等獎。

  航空發動機是飛機的心臟,是國之重器。航空發動機體現了國家的工業基礎、科技水平和國防實力,其熱端部件(如渦輪盤和渦輪葉片)的制造技術直接影響和制約了航空發動機的水平。渦輪葉片的工作環境非常惡劣,溫度高達1700℃、轉速高達13000轉/分,對葉片的材料和結構都提出了嚴格的要求。目前,渦輪葉片采用鎳基高溫合金制造。為了抵抗高溫、高速的惡劣工作條件,其組織已經從等軸晶發展為柱狀晶和單晶,葉片結構也從原來的實心改變為現在的復雜空心結構(為了進行冷卻)。高溫合金中通常含有十幾種主要元素,而葉片又具有薄壁、空心、三維空間復合彎扭、截面突變等結構特征,最薄的地方不到0.5mm,且液-固轉變不可視,導致其制造是難上加難。單晶葉片的制造代表了當今的制造技術最高水平。單晶高溫合金渦輪葉片是我國研制先進航空發動機的瓶頸之一,存在一些亟需解決的制造問題,如葉片合格率較低、復雜結構葉片研制困難等。

  許慶彥團隊在國內率先開展了航空發動機單晶高溫合金渦輪葉片建模與仿真的系統深入研究,研發了具有完全自主知識產權的單晶高溫合金定向凝固多尺度模擬軟件系統。該獲獎項目對單晶高溫合金渦輪葉片定向凝固過程開展了宏、微觀多尺度耦合建模,既能模擬宏觀的溫度場、溶質場,以及介觀晶粒度,又能模擬枝晶的生長。項目成果已成功應用于渦輪葉片的制造,是國內航空發動機單晶渦輪葉片研制中首次應用的國產軟件,填補了國內空白,打破了跨國公司的軟件壟斷,顯著提升了我國單晶渦輪葉片的制備技術水平,為先進航空發動機的研制提供了堅實的技術支撐。

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