為什么航空發(fā)動機還是金屬材料？

1、這么多年了為啥發(fā)動機還是金屬材料？金屬是先進飛行器引擎的基礎材料。雖然其發(fā)展已趨于成熟，但新興的計算手段、實驗、工藝的創(chuàng)新，又擴大了新型金屬材料在未來幾代先進推進系統(tǒng)中研究和運用范圍。naturematerials官網(wǎng)最近聚焦航空航天材料，邀請了加州大學圣巴巴拉校區(qū)的tresam.pollock、布朗大學nitinppadture以及羅羅公司高級工程師等眾多學者大牛撰文評述該領域的現(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)動機結構示意圖作為20世紀最主要的工程成就之一，噴氣式發(fā)動機是復雜性最高的工程技術平臺從一開始就受材料創(chuàng)新的驅動。自1980以來，商業(yè)航空客運量增長約500%，201

2、5年旅客運輸量超過35億人次。這些客機的發(fā)動機操作可靠，同時也總計消耗約1800億美元的燃料。在未來的20年中，預計將產生超過38000架新飛機。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系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)先事項。工程上為了迎合這些要求以及為了使新引擎的設計部署生產周期更短，也不斷刺激著具有更高熔點、更高強度、更低密度以及更長耐久度的新材料的生產。目前的發(fā)動機體系依然是金屬材料的天下目前商用飛機引擎的重量一般在2000kg到8500kg不等，其中金屬材料占了發(fā)動機重量的85%至95%。由于金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環(huán)過程中和在發(fā)動機運行過程中遇到的嚴重的氧化性

3、和腐蝕性環(huán)境時，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)著主導地位。熱力學循環(huán)決定的氣體的溫度和壓力，因此與發(fā)動機相關的每一部分都要找到合適的材料從前端風扇一直到壓縮機、燃燒器和渦輪機。對于風扇，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合材料以及些鋁復合材料頗受青睞，有較大生產力。氣流通過壓縮機后溫度上升到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（具有中等強度，易于加工）已成為該結構主要材料。燃燒過后，氣體溫度在1400到1500的范圍內，隨著它們進入到高壓渦輪中，旋轉渦輪葉片由此承受發(fā)動機中最為劇烈的應力、溫度的組合考驗。其中渦輪

4、葉片是最特別的氣動熱組件，其薄壁且多層的結構驅動著復雜的內部冷卻體系。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涂層，隨后以多孔、低電導率的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯面漆作為熱障制成。葉片連接到渦輪機圓盤上，該圓盤由鎳基合金的多晶形式構成。圓盤作為發(fā)動機中最安全且關鍵部件之一，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)動機軸，它必須具有很高的強度和抗疲勞性能，通常是由高強度鋼或鎳基高溫合金組成。新的挑戰(zhàn)也伴隨著新

5、的機遇，從而不斷加速領域發(fā)展發(fā)動機的設計通過結合一系列科學知識來優(yōu)化整體的系統(tǒng)架構，以實現(xiàn)產品功能的最大化。新材料的使用通常具有一定的風險，但如果能提供實質性的系統(tǒng)效益或新型引擎架構，這一冒險就是有價值的。在設計過程中，人們總是希望提升渦輪機的入口溫度，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用于發(fā)動機的高壓渦輪部分往往是研究和開發(fā)工作的重點。圖1鎳基單晶的生長和微結構示意圖歷史上，這曾經促成一系列著名的材料科學成就，單晶鎳基合金的渦輪機葉片的開發(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高溫性能的鎳基單晶合金被開發(fā)出來。通過調整合金成分來優(yōu)化其體積分數(shù)

6、、組成、形態(tài)以及ni3al金屬間化合物強化相的分布，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），形成了一種高度復雜的合金包含了810種主要的合金元素，且合金分成越復雜高溫性能越好。但是隨著難熔元素強化劑（re,w,ru）的含量以及單晶成分的大小和幾何復雜性的增加，難熔金屬引起的對流不穩(wěn)定會導致凝固分解傾向。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，構成這些單晶體的元素豐度、供應風險和價格也引起了人們廣泛的關注。ru、re、ta和w等是影響合金高溫強度的重要成分（高達20wt%25wt%）。而另一方面，re價格的飆漲也促使新材料向

7、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供應緊張這一問題的驅使，一種用于加快合金發(fā)展的快速數(shù)據(jù)驅動方法首次出現(xiàn)，它能夠最小化合金研究的實驗量并且只需要2年就可以使其達標。新材料引入會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質上是不同的，因此從引進角度來說一直富有挑戰(zhàn)。同時，這些新材料往往需要10年的發(fā)展期來建立新的生產路徑才能最終影響商業(yè)發(fā)動機。tial基金屬間化合物合金就是克服了這一挑戰(zhàn)的實例tial基合金的密度為3.9gcm3，它是多晶鎳基合金（8.5gcm3）在冷卻器、低壓渦輪部分的理想取代物。該化合物從2

8、0世紀50年代開始成為電子顯微鏡的研究主體，經歷了在20世紀70年代的合金化和性能的研究，20世紀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年進入商業(yè)服務（genx用于波音787客機），兩階tial扇葉的引進降低了400磅機身重量?；厥走@一過程，各種各樣的原因最終導致了這一材料的發(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），這需要設計一個全新的發(fā)動機框架來適應這些半脆性材料的開發(fā)。其次是化學相關相變的復雜性以及由實驗驅動的機械和物理性能的優(yōu)化方法所帶來的挑戰(zhàn)。第三，需要開發(fā)與在液體狀態(tài)下具有高度反應性以及在室溫下具有相對脆性的材料相應

9、的加工、制造和引擎裝配路徑。最后，在承擔了材料這些特性所引起的花費后，還避免不了第一次商業(yè)化所帶來的風險。在汲取前人許許多多的經驗教訓后，未來的金屬間化合物進入引擎障礙可能會更小一些。計算的參與顯著降低了開發(fā)新型結構材料的時間和成本首先是材料數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，包括（i）豐富、高密度的實驗數(shù)據(jù)庫（如上文提到的鎳基單晶），（ii）用于多組分系統(tǒng)熱力學和動力學計算的數(shù)據(jù)庫，（iii）通過自動化的第一原理性計算得到的材料屬性動態(tài)數(shù)據(jù)庫。例子包括著名的calphad數(shù)據(jù)庫和最近的materialsproject數(shù)據(jù)庫（目前包含約65000種無機化合物及其43650種能帶結構，2270種化合物的彈性張量）。這

10、種知識的快速擴張幾乎不用花費太多時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)庫拉開了一個全新的高溫結構材料發(fā)展序幕，它們的高溫性能有望比鎳基合金更強。對于新型的co體系，新興的計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，密度泛函計算已經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)定性和體積分數(shù)。更有趣的是，這些計算表明：與ni基系統(tǒng)不同是，re并不能為coalw體系提供顯著的強化。另外與前幾代鎳基合金的早期探索相比，計算工具

11、的廣泛使用可以幫助大多數(shù)的金屬體系減少35倍的探索時間。而計算工具集成的擴大可以對高階成分空間做出更為系統(tǒng)探索，這就有機會揭示更多有前景的材料。圖2新型co基單晶合金。密度泛函理論計算可用來計算熱力學穩(wěn)定性和損壞能量。計算能力的快速提升也構建了多重物理量的仿真模擬，使其能夠預測在納米尺度、微觀尺度以及中尺度下的傳輸、結構、缺陷及性能。這同時也進一步構建了其他相關現(xiàn)象的模擬，包括擴散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及相形態(tài)演變和晶粒結構。然而，對于材料可塑性的模擬仍然是一個重大的挑戰(zhàn)，這是由于它們預測三維塊體（特別是在多相材料）中塑性變形的能力有限，因此無法對位錯動力學進行準確的仿真。發(fā)動機制造

12、的首要目標是將新興的預測工具在尺寸和時間上進行整合，使其對性能預測的可信度能達到飛機發(fā)動機中安全關鍵材料的預測標準。穩(wěn)健的同質化體系以及不確定性量化是屬性預測基礎的關鍵要素。保持實驗與理論/建模之間強大的反饋路徑對于模型以及提供建模所需信息的關鍵實驗具有重要的指導性意義。這也是當前許多研究的動機，可以粗略地歸納為綜合計算材料（科學）和工程(icme或icmse)。先進的表征手段必不可少對于飛機發(fā)動機所用材料來說，性能預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)計學意義地測量組織結構信息?，F(xiàn)今，隨著體層攝影技術的的巨大進步，我們能夠獲得更大范圍的三維數(shù)據(jù)信息。

13、這包括原子級別的探針、納米級的聚焦離子束、實驗室規(guī)模的x射線同步輻射源以及基于自動控制的飛秒激光器等一系列部件。與飛機引擎材料（圖3）相關的就包括鎳基合金的發(fā)動機圓盤上原子探針數(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構的自動分段系列數(shù)據(jù)集。與第一性原理計算相比，變形和流體流動模型輸入斷層成像數(shù)據(jù)也顯示出相同的結果。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，力學或流體計算結果，或者通過結構特征的數(shù)據(jù)分布模擬出其虛擬實例以便于進一步分析。這類模型正在迅速發(fā)展，在不需要大規(guī)模的實驗表征的情況下，將為我們的能力來預測的特性圖譜帶來巨大的進步。圖3層析成像數(shù)

14、據(jù)集和對應的模化使用。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部件中的許多關鍵機械性能。新型數(shù)字圖像修正技術可以用于納米尺度的標記和修正樣品的移動以及掃描電鏡的電磁透鏡偏轉，以便進行局部變形過程的原位檢測及其對微觀結構的依賴性研究。圖4顯示了鎳基和鈦基合金材料在單向循環(huán)應力加載條件下的局部應變對組織結構的影響，這兩種合金分別用于引擎的渦輪圓盤以及壓縮機部件中。這些信息可以促進替代材料的加工工藝的發(fā)展，如改變組織結構和引入更多有利于塑性變形。獲得更多復雜塑性變形模型的細節(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巨大挑戰(zhàn)。然而，作為實驗性、計算性和大數(shù)據(jù)性的工

15、具能夠讓我們在獲取信息的能力在時間和空間上不斷豐富成熟。預計，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過程中去。圖4在sem下可得到應變譜圖，顯示晶粒邊界處有應力集中。針對具體工程應用，需要考慮的還很多鎳基單晶材料是目前發(fā)動機中關鍵旋轉組件領域中最耐高溫的材料，可承受最高達1100癈，局部甚至達1200癈。值得注意的是，當達到此溫度的90%左右時，材料就會出現(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在彈性性能和熱學性能方面存在的本質差異，界面層材料需要謹慎選擇，不斷提高性能。一般來說，涂層和合金基體的界面采用金屬

16、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械性能外，還可以通過形成一層al2o3層來阻止氧擴散進入基體。目前這種結合涂層還不能承受很高的高溫強度，新型結合涂層組份正在研究開發(fā)之中。除此外，擁有更高熔點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相比鎳基材料有望高出100癈150癈，并且有著現(xiàn)有供應基礎的額外優(yōu)勢。擁有更高潛在熔點的材料還包括基于mo和nb的耐火合金以及陶瓷基復合材料(cmcs)。這些材料同樣擁有獨特力學和環(huán)境性能，如有限的低溫拉伸韌性以及優(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)。結合先前脆硬鈦鋁金屬間化合物的設計、多層設計方法以及目前

17、正在開發(fā)中的先進icmse工具，這些材料體系發(fā)展如何，現(xiàn)在還為時過早。鈮基體系也有不小優(yōu)勢，其相對較低的密度(純鈮：=8.56gcm3)，原位合成復合材料的能力強。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

18、化體心立方mo相。在目前工程應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si添加物更為理想，因為1300癈時si的氧化速率常數(shù)與鋁相比更低。發(fā)動機的前端是是直徑超3米，長度接近1.5米的幾何形狀復雜的風扇，需要低密度高韌性的材料來承受飛機在跑道或飛行中的各種沖擊力。在很長時間里，不管是實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-復合結構材料都有著重大創(chuàng)新發(fā)展，這些材料可以承受極其嚴苛的環(huán)境考驗，新型的葉片可以被包含在引擎內部，以避免遇到災難性的破壞。碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料不僅可以極大的減輕機體重量，還可以與鈦或新穎鋁-鋰合金復合來提高其使用壽命。增材制造技術不失為一把利刃隨著機械、航空和渦輪部件熱學設計的計