金屬是先進飛行器引擎的基礎材料。雖然其發展已趨於成熟，但新興的計算手段、實驗、工藝的創新，又擴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範圍。Nature Materials官網最近（jìn）聚焦航空航天材料，邀請了加州（zhōu）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（děng）眾多學者大牛撰文（wén）評述該領域的現狀與發展。

 

作為20世紀最主要的工程成就之一，噴氣式發動機（jī）是複雜性最高的工程技術平台——從一開始就受材料創新的驅動。自1980以來，商業航空客運量增長約500%，2015年旅客運輸量超（chāo）過35億人次（cì）。這些客機的發動機操作可靠（kào），同時也總計消（xiāo）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（jī）。除了安全性和可（kě）靠性外，提升燃料效率和降低排放量也是未來推進係統發展（zhǎn）的優先事項。工程上為了迎合這些要求以及為了使新引擎（qíng）的設計部署生產周期更短，也不斷刺激著具有更（gèng）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是金屬（shǔ）材料的天下

 

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（shǔ）性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環過程中和在發動機運（yùn）行過程中（zhōng）遇到的嚴重的（de）氧化性（xìng）和（hé）腐蝕性環境時，表現出的（de）高耐降解性與良好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度和壓力，因此與發（fā）動機相關的每一部分都（dōu）要找到合適的材料——從前端（duān）風扇一直到壓縮機、燃燒器和渦輪機。

 

對於風（fēng）扇，優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複合材料以及（jí）些鋁複合材料頗受（shòu）青睞，有較大生產力。氣流通過（guò）壓縮（suō）機後溫度上升（shēng）到700°C，這部分包括鈦（tài）合金的葉（yè）片和圓盤。在燃燒器部（bù）分，高溫（wēn）鎳基和鈷基合金（具有中等強度，易於加工（gōng））已成（chéng）為該結構主要材料。燃（rán）燒過後，氣體溫度在1400℃到1500℃的範圍內，隨（suí）著（zhe）它們進入到高壓渦輪中，旋轉渦輪（lún）葉片由此承受（shòu）發動機中最為劇烈的（de）應力、溫（wēn）度的組合考驗。其中渦輪葉片是最特別的氣動熱組件，其薄壁（bì）且多層的結構驅動著複雜的內部冷卻體係。目前，渦輪葉片主要是通過在單晶鎳基超耐高溫合金基板上，先塗一種抗氧化金（jīn）屬間的粘結塗層，隨後以多孔、低電導率的氧化釔穩定的氧（yǎng）化鋯麵漆（qī）作為熱障製成。葉片連接到渦（wō）輪機圓（yuán）盤上，該圓盤由鎳基合金的多晶形（xíng）式構成。圓（yuán）盤（pán）作為發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（zào）成形，最大限度地提高強度和抗疲勞性能。通（tōng）過渦輪的熱氣體提（tí）取，氣體溫度再次下降到低於800℃的中等水平。渦輪後（hòu）段的（de）旋轉和靜止部件主要是以（yǐ）多晶鑄造的鎳（niè）基（jī）高溫合金（jīn）為主。而對於發動機（jī）軸（zhóu），它必須具（jù）有很高的強度和抗疲勞性能，通常是由高強度鋼或鎳基（jī）高溫（wēn）合金組成。

 

新的挑戰也伴隨著新的機遇，從而不斷加速領域發展

 

發動（dòng）機的設計通過結合一係列科學知識（shí）來優化整體的係統架構，以實現產品功能的最大化。新材料的使用通常具有一定的風險，但如果能提（tí）供實質性（xìng）的係統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（zhōng），人們總是希望（wàng）提升渦輪機的（de）入口溫度，以提高其效率和性能。因此，探（tàn）究將更耐高溫的材料和塗層運用於發動機（jī）的高壓渦輪部分往往是研究和開發工作的重點。

 

 

曆史上，這曾經促成一（yī）係列著名的材（cái）料科學成就（jiù），單晶鎳基合金的渦輪機葉（yè）片的開發就是其中之一。單晶加工工藝的出現（xiàn）（圖1a–c），使得一代又一（yī）代具（jù）有更強高溫性能的鎳基單晶合金（jīn）被開發出（chū）來（lái）。通過調整合金成分來優化其體積分數、組成、形態以及Ni3Al金屬間化（huà）合物強化相（xiàng）的分布（bù），也提（tí）升了材料的高溫性能。例如：嵌入高濃度Ni後的（de）固溶矩陣（圖1d），形成了一種高度複雜的合金——包含了8~10種主要的合金元素，且合金分（fèn）成越複雜高溫性能越好（hǎo）。但是隨著難熔元（yuán）素強化劑（Re, W, Ru）的（de）含量以（yǐ）及單晶成分的大小（xiǎo）和幾何複雜性的增（zēng）加，難熔金屬引（yǐn）起的對流不穩定會導致凝固分解傾向。這就促使了人們繼續研究“高（gāo）梯度”晶體生（shēng）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（děng）是影響合金高溫強度的重要成分（高達20wt%~25wt%）。而另（lìng）一方麵，Re價格的飆漲也促使新材料向著低Re或無Re的單晶（jīng）組合物的發展（zhǎn）。新一代渦輪葉片材料的投入使用往（wǎng）往需要6–10年的發展期，受到Re供應緊（jǐn）張這一問題的驅使，一種用於加快合金發展的（de）快速數據驅動方法首次出現，它能夠最小化合金研究的實驗量並且隻需要2年就（jiù）可以使其達標。

 

新材料引入會（huì）給（gěi）予體係在性能方麵有階（jiē）段性的提升，但由於其整體特性與被取代材料（liào）實（shí）質上是不同的，因此從引進角（jiǎo）度來說（shuō）一直富有挑戰。同時（shí），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（zuì）終影響商業發動機（jī）。TiAl基（jī）金（jīn）屬間化（huà）合物合金就是克服了這一挑戰的實例——TiAl基合金的密度為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（lún）部分的理想取代物。該化合物從20世紀50年代開（kāi）始成為電子顯（xiǎn）微（wēi）鏡的研究主體，經曆了在20世紀70年代的合金化和性能的研（yán）究，20世（shì）紀80年代商業合金（jīn）和工（gōng）藝的開發以及（jí）1993年第一次引擎測試，終於（yú）在2012年進入商業（yè）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（yī）過程，各種各樣的原因最終導致了這（zhè）一材料的發（fā）展道路如此漫長。首先，這些合金的拉伸延（yán）展性極（jí）低（dī）（通常在1 - 2%的範圍內），這需要設計一個全（quán）新的發動機框架來適應這些半脆性材料的開發。其次是化學相（xiàng）關相變的複雜性以及由實驗驅動的機械和（hé）物理性（xìng）能的優化方法（fǎ）所帶來的挑戰。第三，需（xū）要開發與在液體狀態下具有高度反應性（xìng）以及在室溫下具有相對脆性的材（cái）料相應的加工、製造和引擎裝配路徑。最後，在承擔了（le）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。在汲取前人許許多多的經驗教訓後，未來（lái）的金屬間化合（hé）物進入引擎障（zhàng）礙可能會更小一些。

 

計（jì）算的參與 顯著降低了開發新型結構材料的時間和成本（běn）

 

首先是材料數據庫的出現（xiàn），包括（I）豐富、高密度的實驗數據庫（如上（shàng）文提到的鎳基單晶），（II）用於多組分係統熱力學和動力學計算的數據庫，（III）通（tōng）過自動化的第一原理性計（jì）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（zuì）近的Materials Project數據庫（目前包（bāo）含約65000種無機化合物（wù）及其43650種能帶結構，2270種（zhǒng）化合（hé）物的彈性（xìng）張量）。這種知識的快速擴張幾（jǐ）乎不用花費太多時間來探索更高維度的組成空間，從而加（jiā）速（sù）新材料的研發。例如，分別在2006年（nián）（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（xīn）的高溫結（jié）構材料發展序幕，它們的（de）高溫性能有望比鎳基合金更強。對於新（xīn）型的Co體係，新興的計算工具能夠（gòu）快速地（dì）搜索多維空間中最有前景的維度。如（rú）圖2所示，密度泛函計算已經廣（guǎng）泛用來選擇主要的合金添加物，從（cóng）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Ni基係統不同是（shì），Re並不能為Co–Al–W體係提供顯（xiǎn）著的強化。另外與前幾代鎳基合金的早期探索（suǒ）相比，計算工具（jù）的廣泛使用可以幫助大多數的（de）金屬體（tǐ）係（xì）減少3~5倍（bèi）的探（tàn）索時間。而計算工具集成的擴大可（kě）以對高（gāo）階成分空間做出更為係統探索，這（zhè）就有機會揭示更多有前景的材料。

 

計（jì）算能力的快速提升也構建了（le）多重物理量的仿真模擬（nǐ），使其能夠預測（cè）在納米尺（chǐ）度、微觀尺度以及中尺度下的傳輸、結構、缺陷及（jí）性能。這同時也進一步構建了其他相關現（xiàn）象的模擬，包（bāo）括擴散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及相形（xíng）態演變和晶粒結構。然而，對於材料（liào）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（sān）維塊體（特別是在多（duō）相材料）中塑性變（biàn）形的能力有限，因（yīn）此無法對位錯動力學進行（háng）準確的仿真。

 

發動機製造的首（shǒu）要目標（biāo）是將新興的預測工具在尺寸和時間上進行整合，使（shǐ）其對（duì）性能預測的（de）可（kě）信度能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不確（què）定性量化是屬性預測基礎的（de）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供建（jiàn）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（nà）為綜合計算材料（科學（xué））和工程(ICME或ICMSE)。

 

先進的表征手段必不可少

 

對於飛機發動機所用材料來說，性能預（yù）測的（de）期望置信度通常要高於95%，對於某一特（tè）定成分的局部區域需要在三維方向上（shàng）有統計學（xué）意義（yì）地（dì）測量組織結構信息。現今（jīn），隨著（zhe）體層攝影技術的的巨大（dà）進步，我們能夠（gòu）獲得更大範圍（wéi）的三維數據信（xìn）息。這包括原子級別的探針、納米級的聚焦離子束、實驗室規模的X射線同步輻射源以及基於自（zì）動（dòng）控製的飛秒激（jī）光器等一係列部件。與飛機引擎材料（圖3）相關的就包括鎳基合金的發動機圓盤上原（yuán）子探針（zhēn）數據（jù）集、晶粒尺度大小的飛秒激光三波束數據集以及單晶凝固前沿樹枝（zhī）狀結構的自動分（fèn）段係列（liè）數據集。與（yǔ）第一性原（yuán）理計算相比，變形和流（liú）體（tǐ）流動模型輸入斷層成像數（shù）據也顯示出相（xiàng）同的（de）結果。如圖3所示，三維數據信息可以直接通過網狀圖來表示隨後的熱流量，力學或流體（tǐ）計算結果，或者（zhě）通過結構特征的數據（jù）分布模擬（nǐ）出其虛擬實例以便於進一步分（fèn）析。這類模型正在迅速發展，在不需要大規（guī）模的實驗表征的情況下（xià），將為我們的能力來預測的（de）特性圖（tú）譜帶來巨大（dà）的進步。

 

材料微觀尺（chǐ）度的塑性變形決定（dìng）了鎳基合金渦（wō）輪部件和以鈦合金為主（zhǔ）的壓縮機（jī）部件中的許多關鍵機械性能。新型數字圖像修正技術可以用於納米（mǐ）尺度的標記和修正樣品（pǐn）的移動以及掃描電鏡的電磁透鏡偏轉，以便進行局部（bù）變形過程的原位檢測及其對微觀結構的依賴性（xìng）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（bù）應變對組織結構的影響，這兩種合金分別用於引（yǐn）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（cái）料的加工工藝的發展（zhǎn），如改變組織結（jié）構和引入更多有利於塑性變形。獲得更多複雜塑性變形模型（xíng）的（de）細節信息可以使有限（xiàn）元分析更加具體化，而（ér）這在目前仍然是一個巨大挑戰。然而，作為實驗性、計算性（xìng）和大數據性的工具（jù）能（néng）夠讓（ràng）我們在獲取信息的能力在時間和空間上不斷豐（fēng）富成熟。預計，全新的材料和製造工（gōng）藝將被（bèi）以更快的速度和更低（dī）的成本部（bù）署（shǔ）到引擎的生產過程中去。

 

針對具體工程應用，需要考（kǎo）慮的（de）還很（hěn）多（duō）

 

鎳基單晶材料（liào）是目（mù）前發動機中關鍵旋（xuán）轉組件（jiàn）領域中最耐高溫的材料，可承受最高達1100°C，局部甚（shèn）至達1200°C。值得注（zhù）意（yì）的是，當達到此溫（wēn）度的90%左（zuǒ）右時，材料就會出現熔化。新型陶瓷熱障塗層（TBCs）的加入，可（kě）在一定程度上提高高（gāo）溫合金的承受溫度，不過由於基體和塗層在彈性性能和熱學性能方麵（miàn）存在的本質（zhì）差（chà）異，界麵層材（cái）料需要謹慎選擇，不斷（duàn）提高性能。一般來說，塗（tú）層和合（hé）金基體的（de）界麵采用（yòng）金屬（shǔ）和高鋁含量（liàng）金屬間化合物（wù）相的混（hún）合物，它們（men）除具有較好的機械性能外，還可（kě）以通過形成一層Al2O3層來阻止氧擴散進入基體。目前這種結合塗層還不能承受很高的高溫強度，新型結合塗層組份正在研究（jiū）開發之中。

 

除（chú）此外，擁有更高熔點的新型基體材料也是人們所（suǒ）需（xū）求的。上文（wén）提到的新型（xíng）鈷基材（cái）料的熔（róng）點（diǎn）相比鎳基材料有望高出100°C ~150°C ，並且有著現有（yǒu）供應基礎的額外優勢。擁有更高潛在熔點的材料還（hái）包括基於Mo和（hé）Nb的耐（nài）火合金以及陶瓷（cí）基複合（hé）材料(CMCs)。這些材（cái）料同樣擁有（yǒu）獨特力學和環境性能（néng），如（rú）有限的（de）低溫拉伸（shēn）韌性以及優異的高（gāo）溫氧化性能，不（bú）過多多少少都存在加工等方麵的巨大挑戰。結合（hé）先前脆（cuì）硬鈦鋁金屬間化合物的設計、多層設計方法以及目前正在開發中的先進ICMSE工具，這些材料體係發展如何，現在還為時過早。

 

铌（ní）基體係也（yě）有不小優勢，其相對較（jiào）低的密度(純铌：ρ = 8.56 g cm–3)，原位合成複合（hé）材料的能力強。如成分為（wéi）Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合金，其擁有一係列混合物（wù）包括固溶強化相如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（qí）他Nb基單晶，從而獲得一（yī）係列平衡性能（包括韌性和氧化性（xìng）能），但其加工工藝還麵臨著巨大挑戰。對（duì）於Mo係材料，三元的Mo–Si–B多相合金最值得研究。這一合金包（bāo）含了耐高（gāo）溫的三元金屬間化合物 Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固溶強化體心立方Mo相。在（zài）目前工程應用中（zhōng）的鎳基合金通（tōng）常（cháng）包含鋁元素，其可以在升（shēng）溫過程中選（xuǎn）擇性的氧化從而形成一層致密的（de）氧化鋁層（céng）。而在更高的溫度區間是Nb、Mo以及陶瓷基體（tǐ）一起作（zuò）用，此時Si添加物更為理想，因為1300°C時Si的氧化速率常數（shù）與鋁相比更低。

 

發動機的前端是是直徑超3米，長度接近1.5米的（de）幾何形狀複雜的風扇，需要低密（mì）度高韌性的材料（liào）來承受飛機在跑道或飛行中的各種衝擊力。在（zài）很長時間裏，不（bú）管是實心葉片或者超塑型成型的空（kōng）心葉片，一直（zhí）都是使用鈦合金製造。近年來，新（xīn）材料和各種雜化金屬-複合結構材料都有著重大創新發展（zhǎn），這些材料可以承受極其嚴苛的環境考驗，新型（xíng）的葉片（piàn）可（kě）以被包含在引擎內部，以避免遇到（dào）災難性（xìng）的破壞。碳（tàn）纖維環氧樹脂複合材料（liào）不僅可以極大的減（jiǎn）輕機體重量，還可以與鈦（tài）或新穎鋁-鋰合金複合來提高其使用壽命。

 

增（zēng）材製（zhì）造技術不（bú）失（shī）為一把利刃

 

隨著機械、航空和渦輪部件熱學設（shè）計的計算工具的不斷優化，開發幾何形狀更（gèng）加複雜的引擎部（bù）件（jiàn）逐漸成（chéng）為可能。另（lìng）外，金屬材料粉末冶金成型也極大（dà）促進了增材製造（3D打印）工藝的發展，包（bāo）括熔煉、激光直接燒結以（yǐ）及（jí）選區燒結（jié）、送粉工藝以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（cì）成型，製造幾何形狀更為複雜的部件，且節約材料。激光打印（yìn）GE LEAP引擎的燃油噴嘴可以減少其25％的重量，並將配件數量（liàng）由18個減少到（dào）1個。

 

目前的挑戰主要在於證實工（gōng）藝的完整性以（yǐ）及準確預測在苛刻環境下金屬部件及發動機的安全性要求。此外，收（shōu）集分析大型傳感器數據、新型非結（jié）構性破壞評估，還（hái）需要進一步提高來保證（zhèng）結構（gòu）與性能的完整性和可再生性。

 

總（zǒng）體來說，金屬材料擁有優異的機械（xiè）和熱物理學（xué）性能組合，在未（wèi）來（lái）很長一（yī）段時間（jiān）仍然是飛機發動機以及與之相類似的（de）先進能源生產和推（tuī）進係統的主要材（cái）料，特別是安全關（guān）鍵性的旋轉渦輪以及（jí）壓縮機部（bù）件（如渦輪風（fēng）扇葉片）。

 

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

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

3) 工（gōng）藝創新（例如之前（qián）製造渦輪葉片的單晶生長工藝（yì））以及增材製造技術的研究工作（zuò）也將不斷地影響這些（xiē）領域的飛速發展（zhǎn）。