1、這么多年了 為啥發(fā)動(dòng)機(jī)還是金屬材料？金屬是先進(jìn)飛行器引擎的基礎(chǔ)材料。雖然其發(fā)展已趨于成熟，但新興的計(jì)算手段、實(shí)驗(yàn)、工藝的創(chuàng)新，又?jǐn)U大了新型金屬材料在未來幾代先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)中研究和運(yùn)用范圍。Nature Materials官網(wǎng)最近聚焦航空航天材料，邀請了加州大學(xué)圣巴巴拉校區(qū)的Tresa M. Pollock、布朗大學(xué)Nitin p Padture以及羅羅公司高級(jí)工程師等眾多學(xué)者大牛撰文評(píng)述該領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展，材料人幾位小編整理出來以饗讀者。圖0發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖作為20世紀(jì)最主要的工程成就之一，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)是復(fù)雜性最高的工程技術(shù)平臺(tái)從一開始就受材料創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)。自1980以來，商業(yè)航空客運(yùn)量增長 約5

2、00%，2015年旅客運(yùn)輸量超過35億人次。這些客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)操作可靠，同時(shí)也總計(jì)消耗約1800億美元的燃料。在未來的20年中，預(yù)計(jì)將產(chǎn)生超過 38000架新飛機(jī)。除了安全性和可靠性外，提升燃料效率和降低排放量也是未來推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)先事項(xiàng)。工程上為了迎合這些要求以及為了使新引擎的設(shè)計(jì)部署生產(chǎn)周期更短，也不斷刺激著具有更高熔點(diǎn)、更高強(qiáng)度、更低密度以及更長耐久度的新材料的生產(chǎn)。目前的發(fā)動(dòng)機(jī)體系依然是金屬材料的天下目前商用飛機(jī)引擎的重量一般在2000kg到8500kg不等，其中金屬材料占了發(fā)動(dòng)機(jī)重量的85%至95%。由于金屬其獨(dú)特的屬性組合，包括高強(qiáng)度、高韌性，在熱機(jī)循環(huán)過程中和在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中遇

3、到的嚴(yán)重的氧化性和腐蝕性環(huán)境時(shí)，表現(xiàn)出的高耐降解性與良好的表面穩(wěn)定性使之一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。熱力學(xué)循環(huán)決定的氣體的溫度和壓力，因此與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的每一部分都要找到合適的材料從前端風(fēng)扇一直到壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)。對于風(fēng)扇，優(yōu)先選擇具有高韌性的低密度材料來作為槳葉，鈦合金和聚合物基體復(fù)合材料以及些鋁復(fù)合材料頗受青睞，有較大生產(chǎn)力。氣流通過壓縮機(jī)后溫度 上升到700癈，這部分包括鈦合金的葉片和圓盤。在燃燒器部分，高溫鎳基和鈷基合金（具有中等強(qiáng)度，易于加工）已成為該結(jié)構(gòu)主要材料。燃燒過后，氣體溫度 在1400到1500的范圍內(nèi)，隨著它們進(jìn)入到高壓渦輪中，旋轉(zhuǎn)渦輪葉片由此承受發(fā)動(dòng)機(jī)中最為劇烈的應(yīng)力、溫度

4、的組合考驗(yàn)。其中渦輪葉片是最特別的氣 動(dòng)熱組件，其薄壁且多層的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)著復(fù)雜的內(nèi)部冷卻體系。目前，渦輪葉片主要是通過在單晶鎳基超耐高溫合金基板上，先涂一種抗氧化金屬間的粘結(jié)涂層，隨后 以多孔、低電導(dǎo)率的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯面漆作為熱障制成。葉片連接到渦輪機(jī)圓盤上，該圓盤由鎳基合金的多晶形式構(gòu)成。圓盤作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最安全且關(guān)鍵部件之 一，往往是由粉末冶金和超塑性鍛造成形，最大限度地提高強(qiáng)度和抗疲勞性能。通過渦輪的熱氣體提取，氣體溫度再次下降到低于800的中等水平。渦輪后段的 旋轉(zhuǎn)和靜止部件主要是以多晶鑄造的鎳基高溫合金為主。而對于發(fā)動(dòng)機(jī)軸，它必須具有很高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，通常是由高強(qiáng)度鋼或鎳基高溫

5、合金組成。新的挑戰(zhàn)也伴隨著新的機(jī)遇，從而不斷加速領(lǐng)域發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)通過結(jié)合一系列科學(xué)知識(shí)來優(yōu)化整體的系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的最大化。新材料的使用通常具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，但如果能提供實(shí)質(zhì)性的系統(tǒng)效 益或新型引擎架構(gòu)，這一冒險(xiǎn)就是有價(jià)值的。在設(shè)計(jì)過程中，人們總是希望提升渦輪機(jī)的入口溫度，以提高其效率和性能。因此，探究將更耐高溫的材料和涂層運(yùn)用 于發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪部分往往是研究和開發(fā)工作的重點(diǎn)。圖1鎳基單晶的生長和微結(jié)構(gòu)示意圖歷史上，這曾經(jīng)促成一系列著名的材料科學(xué)成就，單晶鎳基合金的渦輪機(jī)葉片的開發(fā)就是其中之一。單晶加工工藝的出 現(xiàn)（圖1ac），使得一代又一代具有更強(qiáng)高溫性能的鎳基單晶合金被開發(fā)出來

6、。通過調(diào)整合金成分來優(yōu)化其體積分?jǐn)?shù)、組成、形態(tài)以及Ni3Al金屬間化合物 強(qiáng)化相的分布，也提升了材料的高溫性能。例如：嵌入高濃度Ni后的固溶矩陣（圖1d），形成了一種高度復(fù)雜的合金包含了810種主要的合金元素，且 合金分成越復(fù)雜高溫性能越好。但是隨著難熔元素強(qiáng)化劑（Re, W, Ru）的含量以及單晶成分的大小和幾何復(fù)雜性的增加，難熔金屬引起的對流不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致凝固分解傾向。這就促使了人們繼續(xù)研究“高梯度”晶體生長方法。例 如：液態(tài)金屬冷卻法（圖1e）。同時(shí)，構(gòu)成這些單晶體的元素豐度、供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格也引起了人們廣泛的關(guān)注。Ru、Re、Ta和W等是影響合金高溫強(qiáng)度的重要成分（高達(dá) 20wt%25wt

7、%）。而另一方面，Re價(jià)格的飆漲也促使新材料向著低Re或無Re的單晶組合物的發(fā)展。新一代渦輪葉片材料的投入使用往往需要 610年的發(fā)展期，受到Re供應(yīng)緊張這一問題的驅(qū)使，一種用于加快合金發(fā)展的快速數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法首次出現(xiàn)，它能夠最小化合金研究的實(shí)驗(yàn)量并且只需要2年就 可以使其達(dá)標(biāo)。新材料引入會(huì)給予體系在性能方面有階段性的提升，但由于其整體特性與被取代材料實(shí)質(zhì)上是不同的，因此從引進(jìn)角度來說一直富有挑戰(zhàn)。同時(shí)，這些新材料往往需要10年的發(fā)展期來建立新的生產(chǎn)路徑才能最終影響商業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)。 TiAl基金屬間化合物合金就是克服了這一挑戰(zhàn)的實(shí)例TiAl基合金的密度為3.9 g cm3，它是多晶鎳基合金（8.5

8、g cm3）在冷卻器、低壓渦輪部分的理想取代物。該化合物從20世紀(jì)50年代開始成為電子顯微鏡的研究主體，經(jīng)歷了在20世紀(jì)70年代的合金化和性能的研 究，20世紀(jì)80年代商業(yè)合金和工藝的開發(fā)以及1993年第一次引擎測試，終于在2012年進(jìn)入商業(yè)服務(wù)（GEnx用于波音787客機(jī)），兩階TiAl扇 葉的引進(jìn)降低了400磅機(jī)身重量。回首這一過程，各種各樣的原因最終導(dǎo)致了這一材料的發(fā)展道路如此漫長。首先，這些合金的拉伸延展性極低（通常在1 - 2%的范圍內(nèi)），這需要設(shè)計(jì)一個(gè)全新的發(fā)動(dòng)機(jī)框架來適應(yīng)這些半脆性材料的開發(fā)。其次是化學(xué)相關(guān)相變的復(fù)雜性以及由實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械和物理性能的優(yōu)化方法所帶來的挑戰(zhàn)。第三，需

9、要開發(fā)與在液體狀態(tài)下具有高度反應(yīng)性以及在室溫下具有相對脆性的材料相應(yīng)的加工、制造和引擎裝配路徑。最后，在承擔(dān)了材料這些特性所引起的 花費(fèi)后，還避免不了第一次商業(yè)化所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。在汲取前人許許多多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，未來的金屬間化合物進(jìn)入引擎障礙可能會(huì)更小一些。計(jì)算的參與 顯著降低了開發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料的時(shí)間和成本首先是材料數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，包括（I）豐富、高密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫（如上文提到的鎳基單晶），（II）用于多組分系統(tǒng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算的數(shù)據(jù)庫， （III）通過自動(dòng)化的第一原理性計(jì)算得到的材料屬性動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。例子包括著名的CALPHAD數(shù)據(jù)庫和最近的Materials Project數(shù)據(jù)庫（目前包含約65

10、000種無機(jī)化合物及其43650種能帶結(jié)構(gòu)，2270種化合物的彈性張量）。這種知識(shí)的快速擴(kuò)張幾乎不用花費(fèi)太多 時(shí)間來探索更高維度的組成空間，從而加速新材料的研發(fā)。例如，分別在2006年（CALPHAD評(píng)估期間）和2015年發(fā)現(xiàn)的三元CoAlW和四元 CoAlNbMo立方L12金屬間化合物。數(shù)據(jù)庫拉開了一個(gè)全新的高溫結(jié)構(gòu)材料發(fā)展序幕，它們的高溫性能有望比鎳基合金更強(qiáng)。對于新型的Co體系， 新興的計(jì)算工具能夠快速地搜索多維空間中最有前景的維度。如圖2所示，密度泛函計(jì)算已經(jīng)廣泛用來選擇主要的合金添加物，從而最大限度地提了CoAlW 的穩(wěn)定性和體積分?jǐn)?shù)。更有趣的是，這些計(jì)算表明：與Ni基系統(tǒng)不同是，R

11、e并不能為CoAlW體系提供顯著的強(qiáng)化。另外與前幾代鎳基合金的早期探索相 比，計(jì)算工具的廣泛使用可以幫助大多數(shù)的金屬體系減少35倍的探索時(shí)間。而計(jì)算工具集成的擴(kuò)大可以對高階成分空間做出更為系統(tǒng)探索，這就有機(jī)會(huì)揭示更多 有前景的材料。圖2新型Co基單晶合金。密度泛函理論計(jì)算可用來計(jì)算熱力學(xué)穩(wěn)定性和損壞能量。計(jì)算能力的快速提升也構(gòu)建了多重物理量的仿真模擬，使其能夠預(yù)測在納米尺度、微觀尺度以及中尺度下的傳輸、結(jié)構(gòu)、缺陷及性能。這同時(shí)也進(jìn)一步構(gòu)建了 其他相關(guān)現(xiàn)象的模擬，包括擴(kuò)散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及相形態(tài)演變和晶粒結(jié)構(gòu)。然而，對于材料可塑性的模擬仍然是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，這是由于它們 預(yù)測三維

12、塊體（特別是在多相材料）中塑性變形的能力有限，因此無法對位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。發(fā)動(dòng)機(jī)制造的首要目標(biāo)是將新興的預(yù)測工具在尺寸和時(shí)間上進(jìn)行整合，使其對性能預(yù)測的可信度能達(dá)到飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中安全關(guān)鍵材料的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)健的同質(zhì)化 體系以及不確定性量化是屬性預(yù)測基礎(chǔ)的關(guān)鍵要素。保持實(shí)驗(yàn)與理論/建模之間強(qiáng)大的反饋路徑對于模型以及提供建模所需信息的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)性意義。 這也是當(dāng)前許多研究的動(dòng)機(jī)，可以粗略地歸納為綜合計(jì)算材料（科學(xué)）和工程(ICME或ICMSE)。先進(jìn)的表征手段必不可少對于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料來說，性能預(yù)測的期望置信度通常要高于95%，對于某一特定成分的局部區(qū)域需要在三維方向上有統(tǒng)計(jì)學(xué)

13、意義地測量組織結(jié)構(gòu)信 息。現(xiàn)今，隨著體層攝影技術(shù)的的巨大進(jìn)步，我們能夠獲得更大范圍的三維數(shù)據(jù)信息。這包括原子級(jí)別的探針、納米級(jí)的聚焦離子束、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的X射線同步輻射 源以及基于自動(dòng)控制的飛秒激光器等一系列部件。與飛機(jī)引擎材料（圖3）相關(guān)的就包括鎳基合金的發(fā)動(dòng)機(jī)圓盤上原子探針數(shù)據(jù)集、晶粒尺度大小的飛秒激光三波束 數(shù)據(jù)集以及單晶凝固前沿樹枝狀結(jié)構(gòu)的自動(dòng)分段系列數(shù)據(jù)集。與第一性原理計(jì)算相比，變形和流體流動(dòng)模型輸入斷層成像數(shù)據(jù)也顯示出相同的結(jié)果。如圖3所示，三 維數(shù)據(jù)信息可以直接通過網(wǎng)狀圖來表示隨后的熱流量，力學(xué)或流體計(jì)算結(jié)果，或者通過結(jié)構(gòu)特征的數(shù)據(jù)分布模擬出其虛擬實(shí)例以便于進(jìn)一步分析。這類模型正在

14、迅速 發(fā)展，在不需要大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)表征的情況下，將為我們的能力來預(yù)測的特性圖譜帶來巨大的進(jìn)步。圖3層析成像數(shù)據(jù)集和對應(yīng)的模化使用。材料微觀尺度的塑性變形決定了鎳基合金渦輪部件和以鈦合金為主的壓縮機(jī)部件中的許多關(guān)鍵機(jī)械性能。新型數(shù)字圖像修正技術(shù)可以用于納米尺度的標(biāo)記和修 正樣品的移動(dòng)以及掃描電鏡的電磁透鏡偏轉(zhuǎn)，以便進(jìn)行局部變形過程的原位檢測及其對微觀結(jié)構(gòu)的依賴性研究。圖4顯示了鎳基和鈦基合金材料在單向循環(huán)應(yīng)力加載 條件下的局部應(yīng)變對組織結(jié)構(gòu)的影響，這兩種合金分別用于引擎的渦輪圓盤以及壓縮機(jī)部件中。這些信息可以促進(jìn)替代材料的加工工藝的發(fā)展，如改變組織結(jié)構(gòu)和引 入更多有利于塑性變形。獲得更多復(fù)雜塑性變

15、形模型的細(xì)節(jié)信息可以使有限元分析更加具體化，而這在目前仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。然而，作為實(shí)驗(yàn)性、計(jì)算性和大數(shù) 據(jù)性的工具能夠讓我們在獲取信息的能力在時(shí)間和空間上不斷豐富成熟。預(yù)計(jì)，全新的材料和制造工藝將被以更快的速度和更低的成本部署到引擎的生產(chǎn)過程中去。圖4在SEM下可得到應(yīng)變譜圖，顯示晶粒邊界處有應(yīng)力集中。針對具體工程應(yīng)用，需要考慮的還很多鎳基單晶材料是目前發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)組件領(lǐng)域中最耐高溫的材料，可承受最高達(dá)1100癈，局部甚至達(dá)1200癈。值得注意的是，當(dāng)達(dá)到此溫度的 90%左右時(shí)，材料就會(huì)出現(xiàn)熔化。新型陶瓷熱障涂層（TBCs）的加入，可在一定程度上提高高溫合金的承受溫度，不過由于基體和涂層

16、在彈性性能和熱學(xué)性能 方面存在的本質(zhì)差異，界面層材料需要謹(jǐn)慎選擇，不斷提高性能。一般來說，涂層和合金基體的界面采用金屬和高鋁含量金屬間化合物相的混合物，它們除具有較好 的機(jī)械性能外，還可以通過形成一層Al2O3層來阻止氧擴(kuò)散進(jìn)入基體。目前這種結(jié)合涂層還不能承受很高的高溫強(qiáng)度，新型結(jié)合涂層組份正在研究開發(fā)之中。除此外，擁有更高熔點(diǎn)的新型基體材料也是人們所需求的。上文提到的新型鈷基材料的熔點(diǎn)相比鎳基材料有望高出100癈 150癈 ，并且有著現(xiàn)有供應(yīng)基礎(chǔ)的額外優(yōu)勢。擁有更高潛在熔點(diǎn)的材料還包括基于Mo和Nb的耐火合金以及陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)。這些材料同樣擁有獨(dú)特力學(xué)和 環(huán)境性能，如有限的低溫拉

17、伸韌性以及優(yōu)異的高溫氧化性能，不過多多少少都存在加工等方面的巨大挑戰(zhàn)。結(jié)合先前脆硬鈦鋁金屬間化合物的設(shè)計(jì)、多層設(shè)計(jì)方法以 及目前正在開發(fā)中的先進(jìn)ICMSE工具，這些材料體系發(fā)展如何，現(xiàn)在還為時(shí)過早。鈮基體系也有不小優(yōu)勢，其相對較低的密度(純鈮： = 8.56 g cm3)，原位合成復(fù)合材料的能力強(qiáng)。如成分為Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合金，其擁有一系列混合物包括固溶強(qiáng)化相如Nb、鈮的硅化物Nb5Si3、萊維氏相Cr2Nb。盡管這些Nb-Si合金的蠕變性能超過其他 Nb基單晶，從而獲得一系列平衡性能（包括韌性和氧化性能），但其加工工藝還面臨著巨

18、大挑戰(zhàn)。對于Mo系材料，三元的MoSiB多相合金最值得研究。 這一合金包含了耐高溫的三元金屬間化合物Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固溶強(qiáng)化體心立方Mo相。在目前工程應(yīng)用中的鎳基合金通常包含鋁 元素，其可以在升溫過程中選擇性的氧化從而形成一層致密的氧化鋁層。而在更高的溫度區(qū)間是Nb、Mo以及陶瓷基體一起作用，此時(shí)Si添加物更為理想，因?yàn)?1300癈時(shí)Si的氧化速率常數(shù)與鋁相比更低。發(fā)動(dòng)機(jī)的前端是是直徑超3米，長度接近1.5米的幾何形狀復(fù)雜的風(fēng)扇，需要低密度高韌性的材料來承受飛機(jī)在跑道或飛行中的各種沖擊力。在很長時(shí)間 里，不管是實(shí)心葉片或者超塑型成型的空心葉片，一直都是使用鈦合金制造。近年來，新材料和各種雜化金屬-復(fù)合結(jié)構(gòu)材料都有著重大創(chuàng)新發(fā)展，這些材料可以承 受極其嚴(yán)苛的環(huán)境考驗(yàn)，新型的葉片可以被包含在引擎內(nèi)部，以避免遇到災(zāi)難性的破壞。碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料不僅可以極大的減輕機(jī)體重量，還可以與鈦或新穎 鋁-鋰合金復(fù)合來提高其使用壽命。增材制造技術(shù)不失為一把利刃隨著機(jī)械、航空和渦輪部件熱學(xué)設(shè)