金（jīn）屬（shǔ）是先進飛行器引擎的基礎（chǔ）材（cái）料。雖然其發展已趨於成熟（shú），但新興的（de）計算手（shǒu）段、實驗、工藝的創新，又（yòu）擴（kuò）大了新型金屬材料在未來幾代先進推進係統中研究和運用（yòng）範（fàn）圍。Nature Materials官（guān）網最（zuì）近聚焦航空航天材料，邀請了加州大學聖巴巴拉校區的Tresa M. Pollock、布朗大學Nitin p Padture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狀與發展。

 

作為20世紀最主要的工程成（chéng）就之一，噴氣式發動（dòng）機是複（fù）雜性最高的（de）工程技（jì）術（shù）平台——從一開始就受材料創新的驅動。自1980以來，商業航空客（kè）運量增長（zhǎng）約500%，2015年旅（lǚ）客運輸量超過35億（yì）人次。這些客機的發動機操作可靠，同時也總計消（xiāo）耗約1800億美元的燃料。在未來的20年（nián）中，預計將產生超過38000架新飛機。除了（le）安全性和可靠性外，提升（shēng）燃料效率和降低（dī）排放量也是未（wèi）來推進係統發展（zhǎn）的優先事項。工程上為了（le）迎合（hé）這些要求以及為了使（shǐ）新引（yǐn）擎（qíng）的設計部（bù）署生產周期更短，也不斷刺激（jī）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。

 

目前的發動機體係依然（rán）是金屬材料的（de）天（tiān）下

 

目前商用飛機引擎（qíng）的重量一般在2000kg到8500kg不等，其中金屬材（cái）料占了發動機重量的85%至95%。由於金屬其獨特的屬性組合，包括高強（qiáng）度、高韌性，在熱機循環過程中（zhōng）和在發動機運行過（guò）程（chéng）中遇到的嚴重的氧化性和腐蝕性環境時（shí），表現（xiàn）出的高耐降解（jiě）性與良好（hǎo）的表麵穩定性使之一直占據著主導地位。熱力學循環決定的氣體的溫（wēn）度（dù）和壓力，因此與發動機相關的每一（yī）部分都要找（zhǎo）到合適的材料——從前端風（fēng）扇一直到壓（yā）縮機、燃燒（shāo）器和渦輪機。

 

對於風（fēng）扇，優（yōu）先選擇具有高韌性的低密度材料來作為（wéi）槳葉，鈦合（hé）金和聚合物基（jī）體複合材料以及些鋁複合材料頗受青睞，有（yǒu）較大生產力。氣流通過壓縮（suō）機後（hòu）溫度上（shàng）升到700°C，這部（bù）分包括鈦合金的葉片和圓盤。在燃燒器部分，高（gāo）溫鎳基和鈷基合金（具有中（zhōng）等強（qiáng）度，易於加工）已成為該結構主要材料。燃燒過後，氣（qì）體溫度在（zài）1400℃到1500℃的範圍內，隨著它們（men）進入到高壓渦輪中，旋轉渦輪葉片由此承受發動機中最為劇（jù）烈的應力、溫度的組（zǔ）合考驗。其中渦輪（lún）葉片是最特別的氣動熱組件，其薄壁且多層的結構驅動著複雜的內部冷卻體係。目前，渦輪葉片主要是通（tōng）過在單（dān）晶鎳基超耐高溫合金基板上，先塗一種抗氧化金屬間的粘結塗層，隨後以多孔、低電導率（lǜ）的氧化（huà）釔穩（wěn）定的氧（yǎng）化鋯麵漆作為熱障製成。葉片連接到（dào）渦輪機圓盤上，該圓盤由鎳基合金的多晶形式構成。圓（yuán）盤作為發動機中最安全（quán）且關鍵部件之（zhī）一，往往是由粉末冶金和（hé）超塑（sù）性（xìng）鍛造成形，最（zuì）大限度地提高強度和抗疲勞性能。通（tōng）過渦輪的熱氣體提取，氣體（tǐ）溫度再次下（xià）降（jiàng）到低於800℃的中等水平。渦輪後（hòu）段的旋轉和靜止部件主要（yào）是以多晶鑄造的鎳基（jī）高溫合金為主。而對於發動機軸，它必須具有很高的強度和抗疲勞（láo）性能，通常是由高強度（dù）鋼或鎳（niè）基（jī）高（gāo）溫（wēn）合金組成。

 

新的（de）挑戰也伴（bàn）隨著新的機遇，從而不斷加速領域發展

 

發動機的設計通過結合一係列科學知識來優化整體的係統架構，以實現產品功能的最大（dà）化。新材料的使用通常具有一定的風險，但如（rú）果能（néng）提（tí）供實質性的係統效（xiào）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（lún）機的入口溫度（dù），以提高其（qí）效率和性能。因此，探究將更耐高溫（wēn）的材料和塗層運用於發動機（jī）的高壓（yā）渦輪部分往往是研究和開發工作的重點。

 

 

曆史上，這曾（céng）經（jīng）促成一係（xì）列著（zhe）名的材料科（kē）學成（chéng）就，單晶鎳（niè）基合金的渦輪機（jī）葉片的開發就是其中之一。單晶加（jiā）工工藝的出現（圖1a–c），使（shǐ）得一（yī）代又一代具有更強高溫性能的鎳基單晶合（hé）金被開發出來。通過調整合金成分來優化其體積分（fèn）數、組成、形態以及Ni3Al金（jīn）屬間化合物強化相的分布，也（yě）提升了材料的高溫性能。例如：嵌入高濃度Ni後的固溶矩陣（圖1d），形成了一種（zhǒng）高度複雜的合金——包含了8~10種主要的合金元素，且合金分成越複（fù）雜（zá）高溫性能越好。但是隨著（zhe）難熔元素（sù）強化劑（Re, W, Ru）的（de）含量以及單晶成分的大小（xiǎo）和幾（jǐ）何複雜性的增加，難熔金（jīn）屬引起的對流不穩定會（huì）導致凝（níng）固分解（jiě）傾向（xiàng）。這就促使了人們繼續研究“高梯度”晶體生長方法。例如：液態金（jīn）屬冷卻法（圖1e）。

 

同時，構成這些（xiē）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（wēn）強度的重要成分（高達20wt%~25wt%）。而另一方麵，Re價格的飆漲也促使新材料向著低Re或（huò）無Re的單晶（jīng）組合物的發展。新一代渦輪葉片材料的投入使用往往（wǎng）需要6–10年的發展期，受到Re供（gòng）應緊（jǐn）張這一問題（tí）的驅使，一種用於加快合金發展的快速數據驅動方法首（shǒu）次出現，它能夠最小化合金研究的實驗（yàn）量並且隻需（xū）要2年就可（kě）以使其達標。

 

新（xīn）材料引入會給予體係在性（xìng）能（néng）方麵有階段性的（de）提升，但由於其整體（tǐ）特性與被（bèi）取代材料實（shí）質上是不同的，因（yīn）此（cǐ）從引進角度來說（shuō）一直富有挑戰。同時，這些新材料往往需要10年的發展期來建立新的生產路徑才能最終影（yǐng）響商業發動機。TiAl基金屬間（jiān）化合物合（hé）金就是克服了這一挑戰的實例——TiAl基合（hé）金的密度（dù）為3.9 g cm–3，它是多晶鎳基合金（≈8.5 g cm–3）在冷卻器、低壓渦輪部分的理（lǐ）想取代物。該化合物從20世紀50年代開始成為電（diàn）子顯微（wēi）鏡的研究主體，經曆了在20世紀70年代的合金化（huà）和性能的研究，20世紀80年代商（shāng）業合金和工藝的（de）開發以及1993年第一次引（yǐn）擎測試，終於在2012年進入商業服（fú）務（GEnx用於波音787客機），兩階TiAl扇葉的引進降低了400磅機身重量。

 

回首這一過程（chéng），各（gè）種各樣的原因（yīn）最終導（dǎo）致了（le）這一材料的發（fā）展（zhǎn）道路如（rú）此漫長。首先，這些合金的拉伸（shēn）延展性極低（dī）（通常在1 - 2%的範圍內），這需要設計一個全新的發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複雜性以及由實驗驅（qū）動的機械和物（wù）理性能的（de）優化方法所帶來的挑戰。第三，需要開（kāi）發與在液體狀（zhuàng）態下具有高度反應性以（yǐ）及在室溫下具（jù）有相對脆（cuì）性的（de）材料相應（yīng）的加工、製造和引擎裝配路徑。最（zuì）後，在承擔了材料這些特性所引起的花費後，還避免不了第一次商業化所帶來的風險。在汲取前人（rén）許許多（duō）多的經驗教訓後，未（wèi）來的金屬間（jiān）化合物進入（rù）引擎障礙可能會更小一（yī）些。

 

計算的參與 顯著降低了開（kāi）發新（xīn）型結構材料的時間和成本

 

首先是材料數據庫（kù）的出現，包括（I）豐富、高密度的實驗數據庫（如上文提到的鎳（niè）基單晶），（II）用於多組分係統熱力學和動力學計算的數（shù）據庫，（III）通過自動化的第（dì）一原理性計算得到的材料屬性動態數據庫。例子包括著名的CALPHAD數據庫和最近（jìn）的Materials Project數據庫（目前包含約65000種無機化合物及其43650種能帶結構，2270種化（huà）合物的彈性張量）。這種知識的快速擴張幾乎不用花（huā）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。例如，分別在2006年（CALPHAD評估期間（jiān））和2015年發現的三元Co–Al–W和四元Co–Al–Nb–Mo立方L12金屬間化合物。數據庫拉（lā）開了一個全新的高溫結構材料發展序幕，它們的高溫性能有望比鎳基合金更強。對於新型的（de）Co體係，新興的計算工具能夠快速地搜索多維（wéi）空間中（zhōng）最有前景的維度。如圖2所示，密度泛函（hán）計算（suàn）已經廣泛用來選擇主要（yào）的合金添加物，從而最大限度地提了Co–Al–W的穩定性和體積分數。更有趣的是，這些計算表明：與（yǔ）Ni基係統不同是，Re並不能為Co–Al–W體係提供顯著的強化。另外與前幾代鎳基合金的早期探索相比，計算工具的廣泛使用可以幫助大（dà）多數的金屬體係減少3~5倍的探索時（shí）間。而計算工具集成的擴（kuò）大可以對高階（jiē）成分空間做出更為係（xì）統探索，這就有機會揭示更多有前景的材料（liào）。

 

計（jì）算能力的（de）快（kuài）速提升也構建了多（duō）重物理量的（de）仿真模擬，使其能夠預測在納米（mǐ）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象的模（mó）擬，包括擴散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及（jí）相形（xíng）態（tài）演變和晶（jīng）粒結構。然而，對於材料可塑性的模擬仍然是一個重大的挑戰，這是由於它們預測三維塊體（特別是在多相材料）中（zhōng）塑性變形的能力有限，因此無法對位錯動力學進（jìn）行準確的仿真。

 

發動機（jī）製造的首（shǒu）要（yào）目標是將（jiāng）新興的預測工具在（zài）尺寸和時間上進行整合，使其對性能預測的可信度能（néng）達到飛機發動機中安全關鍵材料的預測標準。穩健的同質化體係以及（jí）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於模型以及提（tí）供建模所需信息的關鍵實驗（yàn）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（nà）為綜合計算材料（科學）和工程(ICME或ICMSE)。

 

先進（jìn）的表征手段必不（bú）可少

 

對（duì）於飛機發動機所用（yòng）材料來說，性（xìng）能預測的期望置信（xìn）度通常要高於（yú）95%，對（duì）於某一特定成分的局部區域（yù）需要（yào）在（zài）三維方向上（shàng）有統計學意義地測（cè）量組織結構信息。現（xiàn）今，隨（suí）著體層攝影技術的的（de）巨大進步，我們（men）能夠獲得更大範（fàn）圍的三維數據信息。這包括原子級別的探針（zhēn）、納米級的聚焦離子束、實驗（yàn）室規模的X射線同步輻射源以及基於自動（dòng）控製的飛秒激（jī）光器等一係列部件（jiàn）。與飛機引擎材料（圖3）相關的就包括鎳基合金的發動（dòng）機圓盤上原子探（tàn）針數據集、晶粒尺度大小的飛秒激光三波束數據集以及單（dān）晶凝固前沿樹枝狀結（jié）構的（de）自動分段係列數據集。與第一性原理計（jì）算相比（bǐ），變形和流體流（liú）動模型輸入斷層成像數據也顯示出相同的結果。如圖3所示，三維數（shù）據信息（xī）可以直接（jiē）通過網狀圖來表示隨後的熱流量，力學或流體計算結果，或（huò）者通過結構特征的數據分布模擬出其虛（xū）擬實例以便於進一步分析。這類模型正在迅速發展，在不需要（yào）大規模的實驗表征的情況下，將為我們的（de）能力來（lái）預測的特性圖譜帶來（lái）巨大的（de）進步。

 

材料微觀尺度的塑性變形決定了鎳基合金渦輪部件（jiàn）和以鈦合金為主的壓縮機部件（jiàn）中的許多關鍵機械性能。新型（xíng）數字圖像修正技術可以用於納米尺（chǐ）度的標記和（hé）修正樣品的移動以及掃描電鏡的電磁透鏡偏（piān）轉，以（yǐ）便進行局部（bù）變形（xíng）過程（chéng）的原位檢測及其對微觀結（jié）構的依賴（lài）性研究。圖4顯示了（le）鎳基和鈦基合金材料在單向循環應力加載條件下的局部應變對組織結構的影響，這兩種合金分別用於引擎的（de）渦輪圓盤以及壓縮機部件（jiàn）中。這些（xiē）信息可以促進替代材料的加工工藝的發展，如改變（biàn）組織結構和（hé）引入更（gèng）多有（yǒu）利於塑性變形。獲得更多複雜（zá）塑性變形模型的細節信息可（kě）以使有限元分析更加具體化，而這在目前仍然是（shì）一個巨大（dà）挑戰。然而，作（zuò）為實驗性、計算性和大數據性的工（gōng）具能夠讓我們在獲取信息的能力在時間和（hé）空間上（shàng）不斷豐富成熟。預（yù）計，全新的材料和製造工藝將被以（yǐ）更快的速度和更低的（de）成本部署到引擎的生產過程中去。

 

針對（duì）具體工程應（yīng）用，需要（yào）考慮的還很多

 

鎳基單晶材（cái）料是目前（qián）發動機中關鍵旋轉組件領域中最耐高溫的材料，可承受最高（gāo）達（dá）1100°C，局（jú）部（bù）甚至達（dá）1200°C。值得注意的是，當（dāng）達到此溫度的90%左右時，材料就會出現熔化。新型（xíng）陶瓷熱障塗層（TBCs）的加（jiā）入，可在一定程度上提高高溫合金的承受溫度，不過由於基體和塗層在彈性性（xìng）能和熱（rè）學性能方麵存在（zài）的本質差異，界（jiè）麵層材料需要謹慎選擇，不斷提高性能（néng）。一般來說，塗層和合（hé）金基體的界麵采用金屬和高鋁含（hán）量金屬間化合物相的混合物（wù），它們除具有較好的機械性能（néng）外，還（hái）可以通過（guò）形成一層（céng）Al2O3層來阻止氧擴散進入基體。目前這種結合塗層還不能承受很（hěn）高的高溫（wēn）強（qiáng）度，新型結合塗層組份正在研究開發之中。

 

除此外，擁有更（gèng）高熔點（diǎn）的新型基體材料也是人們所需求的。上文（wén）提到的新型鈷基材料的熔點相（xiàng）比鎳（niè）基（jī）材料有望（wàng）高出100°C ~150°C ，並且有著現有供應基礎（chǔ）的額外優勢。擁有更高（gāo）潛在熔點的材料還包括基於Mo和Nb的耐火合金以及陶瓷基複合材料(CMCs)。這些材料同樣擁有獨特力學和環境性能，如有限的低溫拉伸韌性以及優異的高溫氧化性能（néng），不過多多少（shǎo）少都存（cún）在加工等方麵（miàn）的（de）巨大挑戰。結合先前脆硬鈦鋁金屬間化合物的設計、多（duō）層設計方法以及目（mù）前正在開發中的先進ICMSE工具，這些材料體係發展（zhǎn）如何，現在還為時過早。

 

铌基體（tǐ）係也有不小優勢，其相（xiàng）對較低（dī）的（de）密（mì）度(純铌：ρ = 8.56 g cm–3)，原位合成複（fù）合材料（liào）的能力強。如成分為Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合金，其擁有一係列混合物包括固溶強（qiáng）化相如Nb、铌的矽化物Nb5Si3、萊維氏相Cr2Nb。盡管這些Nb-Si合金的蠕變性能超過其他（tā）Nb基單晶，從而獲得一係列平衡性能（包括韌性（xìng）和氧化性能），但其加工工藝還麵臨著巨大挑戰（zhàn）。對於Mo係材料，三元（yuán）的Mo–Si–B多相合金最（zuì）值得研究。這（zhè）一合金包含了耐高溫的三元金屬間化合（hé）物 Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固溶強化體（tǐ）心立方（fāng）Mo相。在目前工程應用中的鎳（niè）基合金通常包含鋁元素，其可以在（zài）升溫（wēn）過程中選擇性的氧化從而形成一層致密的（de）氧化鋁層。而在更高的溫度區間是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°C時Si的氧化速率常數與鋁相比更（gèng）低。

 

發動機的前端是是直徑超3米，長度接近1.5米的幾何形狀複（fù）雜（zá）的風扇，需要低密度高韌（rèn）性的材料來承受飛機在跑道或飛行中（zhōng）的各種衝（chōng）擊力。在很長（zhǎng）時間裏，不管是（shì）實心葉片或者超塑型成（chéng）型的空心葉片，一直都是使用鈦合金製造。近年來，新材料（liào）和各種（zhǒng）雜化金（jīn）屬-複合結構材料都有著重大創新發展，這些材料可以承受極其嚴苛的環境考驗，新型的葉片可以被（bèi）包（bāo）含在引擎內部，以（yǐ）避免遇到災（zāi）難性的破壞。碳纖維環氧樹脂複合材料不僅可以極大的減輕機體重量，還（hái）可以與鈦或新穎鋁-鋰合金複合來提高其使用壽命。

 

增材製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算工具的不（bú）斷優化，開發幾何形狀更加複雜的引擎部件逐漸成為可能。另外，金屬材料粉末冶（yě）金成型也極大促進了增（zēng）材製（zhì）造（3D打印）工藝（yì）的發（fā）展，包括熔煉、激光直接燒（shāo）結以及選（xuǎn）區（qū）燒（shāo）結、送粉工藝以（yǐ）及絲熔化沉積等工藝。層層累積之增材製造技術允許從3D設計最終一次成（chéng）型（xíng），製造幾何形狀更為複雜的部件，且節約材料。激光（guāng）打印GE LEAP引擎的（de）燃油（yóu）噴嘴可以減（jiǎn）少其25％的重量，並將配件數量由18個（gè）減少到1個。

 

目前的挑戰（zhàn）主要在於證實工藝的完整性以及準確預（yù）測在苛刻環境下金屬部件及發動機的安（ān）全性要求。此外，收集分析大型傳感器數據、新型非結構性破壞評估，還需要進一步提高（gāo）來（lái）保證結構與性能的完整性和可再生性（xìng）。

 

總體來說，金屬材料擁有優異的機械和熱物理學性（xìng）能組合，在未來很長一段時間仍然是飛機（jī）發動機以（yǐ）及（jí）與（yǔ）之相類似的先進能源生產和推進係統（tǒng）的主要材料，特別是安全關鍵性的旋（xuán）轉渦輪以及壓縮機部件（如渦輪風扇葉片）。

 

1) 苛刻的服役環境是挑戰，不過另一方麵（miàn）也不（bú）斷促進材料的多層化、複合化設計以便獲（huò）得更多的功能（néng）；

2) 有益於（yú）開發、設計、表征和性能預測的新型工具的出現（xiàn）能極大促進和（hé）加速新金屬和金屬間化合（hé）物材料體係的研究發展進程；

3) 工藝創新（例如之（zhī）前製造渦（wō）輪（lún）葉片的單晶生長工藝）以及增材製造技（jì）術的研究工作也將不斷地影響這些領域的飛速發展。