金屬是先進飛行器引擎的基礎材料（liào）。雖然其發（fā）展已趨（qū）於成熟，但新興的計算手段（duàn）、實驗、工藝的創（chuàng）新，又擴大了新型金屬材料（liào）在未（wèi）來幾代先進推進係統中研究和運用範圍。Nature Materials官網最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（jí）工程師（shī）等眾多學者（zhě）大（dà）牛撰文評述該領（lǐng）域的（de）現狀與發展（zhǎn）。

 

作為20世紀最（zuì）主要的工程成就之一，噴氣式發動機是複雜性最高的（de）工程技術（shù）平台——從一開始就受材料創新的驅動。自1980以來，商業航空客運量增長約（yuē）500%，2015年旅（lǚ）客（kè）運輸量超過35億人次。這些客機的發動機操作可靠，同時也總計消耗約1800億（yì）美元的（de）燃料。在未來的（de）20年中，預計將產生超過（guò）38000架新（xīn）飛機。除了安（ān）全性和可靠性外，提升燃料效率和降低排放量也是（shì）未來推進係統發展的優先事項。工程上為了迎合這些要求以及為（wéi）了使新引擎的設計部署生產周期更短，也（yě）不斷刺激著具有更高熔點、更高強度、更（gèng）低密度以及更長耐久度的新材料的生（shēng）產。

 

目（mù）前的發動機體係依（yī）然是金屬材料（liào）的天（tiān）下

 

目前商用飛機引擎的重量一般在2000kg到8500kg不等，其（qí）中金（jīn）屬材料占了發動機重量的85%至95%。由於金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環過程（chéng）中（zhōng）和（hé）在發動機運（yùn）行過程中遇到的嚴（yán）重的氧（yǎng）化性和腐蝕性環境時，表現出（chū）的高耐降解性與良好的表麵穩定性使（shǐ）之一直占據（jù）著主導地位。熱力學循環決定的氣體的溫度和壓力，因此與發動機相關的每一部分都要找（zhǎo）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。

 

對於風扇，優先選擇具有高韌性的低密度材料來作（zuò）為（wéi）槳葉，鈦合金和（hé）聚合物基體複合材料以及些鋁複合材料頗受青睞，有較大（dà）生產力。氣流通過壓縮機（jī）後溫度上升到700°C，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（hé）鈷基合金（具有中（zhōng）等強度，易於（yú）加工）已成為該結構主要材料。燃燒過後，氣體溫度在1400℃到1500℃的範圍（wéi）內，隨著它們進入到高壓渦輪中，旋轉渦輪葉片（piàn）由此承受發動機中最為劇烈的應力、溫度的組合考驗。其中（zhōng）渦輪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（lěng）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（tú）一種抗氧化金屬（shǔ）間的粘結塗層，隨後以多孔、低電導率的氧化釔穩定的氧化鋯麵漆作為熱障製成。葉（yè）片連接到渦輪機圓盤上（shàng），該圓盤由鎳基合金的多晶形式構成。圓盤作為發動機中最安全且關鍵部件之一，往往（wǎng）是由粉（fěn）末冶金（jīn）和超塑性鍛（duàn）造成形，最大（dà）限度地提（tí）高強度和抗疲（pí）勞性能。通（tōng）過（guò）渦輪的熱氣體提取（qǔ），氣體溫度再次（cì）下降到低於800℃的中等水平。渦輪後段的（de）旋轉和靜（jìng）止部件主要是以多晶鑄（zhù）造的鎳基高溫合金為主。而對於發動機軸，它必須具有很高的強度和（hé）抗疲勞性能（néng），通常是由高強度（dù）鋼或鎳基高溫合金組成。

 

新的挑戰也（yě）伴隨著新的機遇，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（néng）的最大化。新材料的（de）使用通常（cháng）具有一定的風險，但如果能提供實質性的係統效益或新型引擎（qíng）架構，這一（yī）冒險就是有價值的。在（zài）設計過程（chéng）中，人們總是（shì）希望提升渦輪機的入口溫度，以提高其效（xiào）率和性（xìng）能。因此，探究將更耐高溫的材料和塗層運用於發動機的（de）高（gāo）壓渦（wō）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）係列著名的材料科學成就，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（gōng）工藝的出現（圖1a–c），使（shǐ）得一代又一代具有更強高（gāo）溫性能的鎳基單晶合金被開發出來。通過調整合金成分來優化其體積分數、組成、形態以及Ni3Al金屬間化合物強化相的（de）分布，也提升了材料的高溫性能。例如：嵌入高（gāo）濃度Ni後的（de）固溶矩陣（圖1d），形成了一種高（gāo）度複雜的合金——包含了8~10種主要的合金元（yuán）素（sù），且合金分成越（yuè）複雜高溫性能越好（hǎo）。但是隨著難熔元素強化劑（Re, W, Ru）的含量以及（jí）單晶成分（fèn）的大小和（hé）幾何複雜性的增加，難熔金屬引起的對（duì）流不穩定會導致（zhì）凝固分解傾向。這就促使了（le）人們繼續研究“高（gāo）梯度”晶體生長方法。例如：液態金屬冷卻法（圖1e）。

 

同時，構成這些單晶體的元素（sù）豐度、供應風險和價格也引起（qǐ）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%）。而另一方麵，Re價格的飆漲也促使新材料向著低Re或無Re的單晶組合（hé）物的發展。新一代渦輪葉片材料的（de）投入使用往往需要（yào）6–10年的發（fā）展期，受到Re供應緊張這（zhè）一問題的驅使，一種用於（yú）加快（kuài）合金發（fā）展的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年就可以（yǐ）使其達標。

 

新材料引入會給予體係在性能方麵有階段性的提升（shēng），但由於其整體特性與被取代材料實質上是（shì）不同的，因此從引進角度來說一直（zhí）富有挑（tiāo）戰。同時（shí），這些新材料往往（wǎng）需要10年的（de）發展期來建立新的（de）生產路徑才能（néng）最終影響商業發動機。TiAl基金（jīn）屬間化合物合金就是（shì）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（jī）合金（jīn）（≈8.5 g cm–3）在冷卻器、低壓渦輪部分的理想取代物。該化合物從20世（shì）紀50年代開始成為電子顯微鏡的研究主體，經曆了在20世紀70年代的合金化和性能的研（yán）究（jiū），20世紀80年代商業合金和工藝的（de）開發以及1993年第（dì）一次引擎測試，終於在2012年進入商業服務（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（guò）程（chéng），各種各樣（yàng）的原因最終導致了這（zhè）一材料的發展道（dào）路如此漫長。首先，這些合金的拉伸延展性極（jí）低（通（tōng）常（cháng）在1 - 2%的範（fàn）圍內），這（zhè）需要設（shè）計一個全新（xīn）的（de）發動機框架（jià）來適應這些半脆性材料的開發。其（qí）次是化學相關相（xiàng）變的複雜性以及由實驗驅動（dòng）的機（jī）械（xiè）和物理性能的優化方法所帶來的挑戰。第三，需要開（kāi）發與在液體狀態下具有高度反應性以及在（zài）室（shì）溫（wēn）下具有相對脆性的材料相應的（de）加工（gōng）、製造和引擎裝配路徑。最後，在承擔了材料（liào）這些特性所引（yǐn）起的花費後，還避免不了第一次商業化所帶（dài）來的風險。在汲取前人許許多多的經驗教訓後，未（wèi）來的金屬間化合物進入引擎（qíng）障礙可能會（huì）更小一些。

 

計算的參與 顯著降低（dī）了開發（fā）新（xīn）型結構材料的時間和成本（běn）

 

首先是材料（liào）數（shù）據庫的出現，包括（I）豐富、高密度的（de）實驗（yàn）數據庫（如上文提到的（de）鎳基單晶），（II）用於多組分係統熱（rè）力學和動力學計算的數據（jù）庫，（III）通過自動（dòng）化的第（dì）一原理性計算得到的材料屬性動態數據庫（kù）。例子包括著（zhe）名的CALPHAD數據庫和最近的Materials Project數據（jù）庫（目前包含約65000種無（wú）機化合物及其43650種能帶結構，2270種化合物的（de）彈性張量）。這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（cái）料的研發。例如，分別在2006年（CALPHAD評估（gū）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（shù）據（jù）庫拉（lā）開了一個全新的高（gāo）溫結（jié）構材料發展序幕，它們的高溫性能有望比鎳基合金更強。對（duì）於新型的Co體係，新興的計算工具能夠快速地搜索多維空間中最有前（qián）景的（de）維度。如圖2所示，密度泛函計算已經（jīng）廣泛用來選擇主要（yào）的合金添加物，從而最（zuì）大限度地提了（le）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（xì）統不同是，Re並（bìng）不（bú）能為（wéi）Co–Al–W體係提供顯著的強化。另外（wài）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多數的金屬體係減少3~5倍的探（tàn）索時間。而計算工具集成的擴大可以對高階成分空間做（zuò）出更為係統探索，這就有機會揭示更多有（yǒu）前景的材料。

 

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（zài）納米尺度、微觀尺度以及（jí）中尺度下的傳（chuán）輸、結構、缺陷及性能。這同時也（yě）進一步構建了其他相關現（xiàn）象的（de）模擬（nǐ），包括擴散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及相形態演（yǎn）變和晶粒（lì）結構。然而（ér），對於材料可塑性的模擬仍（réng）然是一個重（chóng）大的挑戰，這是（shì）由於（yú）它們預測三維塊（kuài）體（特別是（shì）在多相材（cái）料）中塑性變形的能力有限，因此無法對位錯動（dòng）力學（xué）進（jìn）行準（zhǔn）確的仿（fǎng）真。

 

發動機製造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（duì）性能預測的可信度（dù）能達到飛機發動機中安全關（guān）鍵材料的預測標準。穩（wěn）健的同質化體係以及不確定性（xìng）量化是屬性預測（cè）基礎的關（guān）鍵要（yào）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模所需信息的（de）關鍵（jiàn）實驗具有重要的指（zhǐ）導性意義。這也是（shì）當（dāng）前許多研究（jiū）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（xiān）進的表征手段必不可少

 

對於飛機發動機所用材料來說，性能預測的期望置信度通常要高於95%，對於某一特定成分的局部區域（yù）需要在三維方向上有統計學意義地測量組織結構信息（xī）。現（xiàn）今，隨著體層攝影技（jì）術的的巨大進步，我（wǒ）們能夠獲得更大（dà）範圍的三維數（shù）據（jù）信（xìn）息。這包括原子（zǐ）級別的探針、納米級的聚焦離子束（shù）、實驗室規模的X射線同步輻射源以及基於自動控製的飛秒激光器（qì）等一係列部件。與飛機引擎材料（圖（tú）3）相關（guān）的就包括鎳基合金的（de）發動機圓盤上原子探針數據集、晶粒尺度大小的（de）飛秒激光三波束數據集以及單晶凝固前沿樹枝狀結構的自動分段係列數（shù）據（jù）集。與第一性原理計算相比，變形和流體流（liú）動（dòng）模型輸（shū）入斷層成像數（shù）據也顯示出相同（tóng）的結果。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（de）熱流量，力學（xué）或流體計算結果，或者通過結構特征的數據分布（bù）模擬出其虛（xū）擬實例以便於進（jìn）一（yī）步分析。這類（lèi）模型正在迅速發（fā）展，在不需要大規模的實驗表征的情況下，將為我們的能力來預測的（de）特性圖譜帶來巨大的進（jìn）步。

 

材料（liào）微觀尺度的（de）塑性變形決定了鎳基合金渦輪部件和以鈦合金為主（zhǔ）的（de）壓縮機部件中的許多關（guān）鍵機械性能。新型數字圖像修正技術可（kě）以用於納米尺度的標記和修正樣品的移動以（yǐ）及掃描電鏡的（de）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（xìng）研究。圖4顯示了（le）鎳基和鈦基（jī）合金（jīn）材（cái）料在單向循（xún）環應力加載（zǎi）條件下的局部應變對組織結構的影響，這兩種合（hé）金分別用於引擎的渦輪（lún）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（gōng）藝的發展（zhǎn），如改變組織結（jié）構和引入更（gèng）多有（yǒu）利於塑性變形。獲（huò）得更（gèng）多複雜塑性變（biàn）形模（mó）型的細節信息可以使有限元分析（xī）更加具體化，而這在目（mù）前仍（réng）然是一個巨大挑戰。然而，作為實驗（yàn）性、計算性和大（dà）數據性的工（gōng）具能夠讓我們在（zài）獲取信息（xī）的能力在時間和空間上不斷豐富成熟。預計，全新的（de）材料和製（zhì）造工藝將被以更快的速度和更低的成本部署到引擎（qíng）的生產過程中去。

 

針對具體（tǐ）工程應用，需要考慮的還很多

 

鎳基單晶材料是目（mù）前發動（dòng）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1100°C，局部甚至（zhì）達1200°C。值得注意的（de）是，當達到此溫度的90%左右時，材料就會出現熔化。新（xīn）型陶瓷熱障塗層（TBCs）的加入，可在（zài）一定程度（dù）上提高（gāo）高溫合金的承受溫度，不（bú）過由（yóu）於（yú）基體和塗層在彈性性（xìng）能和熱學（xué）性能方麵存（cún）在的本質差異，界麵層材料（liào）需要（yào）謹（jǐn）慎選擇，不斷提高性能。一般來說，塗層和合金基體的界（jiè）麵采用金屬和高（gāo）鋁含量金屬間化合物相（xiàng）的混合（hé）物，它們除具有較好的（de）機械性（xìng）能外，還可以通過形成一層Al2O3層來阻止氧擴散進（jìn）入基體（tǐ）。目前這（zhè）種結（jié）合塗層還不能承受（shòu）很高的高溫強度，新（xīn）型結合塗（tú）層組份正在研（yán）究開（kāi）發之中。

 

除（chú）此外，擁有更高熔點（diǎn）的新型基體材料（liào）也是人們所需求的。上文提到（dào）的（de）新型鈷基（jī）材料的熔點相比鎳基材料有（yǒu）望高（gāo）出100°C ~150°C ，並且有著現有供應基礎的額（é）外優勢。擁有更高潛（qián）在熔點的材料還（hái）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（tóng）樣擁有（yǒu）獨特力學和環境性能，如（rú）有限的（de）低溫拉伸韌性以及優異的高溫氧化性能，不過多多少少都存在（zài）加工（gōng）等方麵的（de）巨大挑戰。結合先（xiān）前脆硬鈦鋁金屬間化合（hé）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（liào）體係發展如何，現（xiàn）在還為時過早。

 

铌基體係也有（yǒu）不（bú）小優勢，其相對較低的密度(純铌：ρ = 8.56 g cm–3)，原位合成複合材（cái）料的能力強。如成分為Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合（hé）金，其擁有一係列混（hún）合物包括固溶強化相如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（néng）超過其他Nb基單晶，從（cóng）而（ér）獲得（dé）一係列平衡性能（包（bāo）括韌性和（hé）氧化性能），但其加工工（gōng）藝還麵臨著巨大挑戰。對於Mo係材料，三元的Mo–Si–B多相合金最值得研究。這一合金（jīn）包含了耐高溫的三元金（jīn）屬間化合物 Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固溶強化體心立方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（shēng）溫過程中選擇性的氧化從而形成一層（céng）致密的氧（yǎng）化鋁層。而在更高的溫度區間是Nb、Mo以（yǐ）及陶瓷基（jī）體一起作用，此（cǐ）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米的幾何形狀複雜的風（fēng）扇，需要低密度高韌性的材料來承受飛機在跑（pǎo）道或飛行中的各種衝擊力。在很長時間裏，不管是實（shí）心葉片或者（zhě）超塑型成型的空心葉（yè）片，一直都是使用鈦（tài）合金製造。近年來，新材料和各種雜化金屬（shǔ）-複合（hé）結構材料（liào）都有著重大創新發展，這些材料（liào）可以承受極其嚴（yán）苛的環境考（kǎo）驗，新型的葉片可以被包（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，還可以（yǐ）與鈦或新穎鋁-鋰合金複合來提（tí）高其（qí）使（shǐ）用壽命。

 

增材製造技術不失（shī）為一（yī）把利（lì）刃

 

隨著機械、航空和渦輪（lún）部件熱學設計的計算工具的不斷優化，開發幾何形狀更加複雜的引擎（qíng）部件逐漸成為可能。另外，金屬材料粉末冶金成型也極（jí）大促進了增（zēng）材製造（3D打印）工藝的發展，包括熔煉、激光直接燒結以（yǐ）及選（xuǎn）區燒結、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（yī）次成型，製造幾何形（xíng）狀更為複雜的部件，且節約材料。激光打印GE LEAP引擎的燃（rán）油噴（pēn）嘴可以減（jiǎn）少其（qí）25％的（de）重量，並將配件數量由18個減少到1個。

 

目前的挑戰主（zhǔ）要在於證實工（gōng）藝的完整性以及準確（què）預測在（zài）苛刻環境下金屬部件及（jí）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（fēi）結構性破壞評估（gū），還需要進一步提高來保證結構與性能的完（wán）整性和可再生性。

 

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

 

1) 苛刻的服役環境是挑戰（zhàn），不過另一方（fāng）麵（miàn）也不斷促（cù）進材料的多層化、複合（hé）化設計以便獲得更多的功能；

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

3) 工（gōng）藝創新（例如之前製造渦輪葉（yè）片的單晶生長工藝）以及增材製（zhì）造技術的研究（jiū）工作也將（jiāng）不斷地影響這些領域的飛速發（fā）展。