金屬是先進飛行器引擎的基（jī）礎材料。雖然其發展（zhǎn）已趨於成熟，但新興的計算手（shǒu）段、實驗、工藝的創新，又擴大了新（xīn）型（xíng）金屬材料在未來幾（jǐ）代先進推（tuī）進係統中（zhōng）研究（jiū）和運用範圍。Nature Materials官網最近聚焦航空航天材料，邀請了加州（zhōu）大學（xué）聖巴（bā）巴拉（lā）校區的Tresa M. Pollock、布朗大（dà）學Nitin p Padture以（yǐ）及羅羅公司高（gāo）級工程師等眾多學者大牛撰文（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，噴氣式發動機是複雜性最高的工程技術平台——從一開始就（jiù）受（shòu）材料（liào）創新的驅動。自1980以來，商業航空客運量增（zēng）長（zhǎng）約500%，2015年（nián）旅客運輸量超過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（yuán）的燃料。在未來的20年中，預計將（jiāng）產生超過38000架新飛機。除了安全（quán）性和可靠性外，提升燃料效率和降低排放（fàng）量也是未來推進係統發展的優先事項。工程上為了迎合這些要（yào）求以及為了（le）使新引擎的設計部署（shǔ）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（jiǔ）度的新材料的生產。

 

目前的發（fā）動機體係依然是（shì）金屬材料的天下

 

目前商用飛機引擎的重量（liàng）一般在（zài）2000kg到8500kg不等，其（qí）中（zhōng）金屬材料占了（le）發動機重量的85%至95%。由（yóu）於金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環過程中和在發動機（jī）運行（háng）過程中遇到的嚴重（chóng）的氧化性和腐蝕性環（huán）境時，表現出的高耐降解性與良好的表麵穩（wěn）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（měi）一部分都（dōu）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（duì）於風扇（shàn），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複合材料（liào）以及些（xiē）鋁複合材（cái）料頗受青睞，有較大生（shēng）產力。氣流通過壓縮機後（hòu）溫度上升（shēng）到700°C，這部分包括鈦（tài）合金的葉片和（hé）圓盤。在燃燒（shāo）器部分，高溫（wēn）鎳基和鈷基合金（具有中等強度，易於加工）已（yǐ）成為該結構主（zhǔ）要材料。燃燒過後，氣體溫度在1400℃到1500℃的範圍內，隨著它們進（jìn）入到高（gāo）壓渦輪中，旋轉渦輪葉片由此承受發動機中最為劇烈的應力、溫度的（de）組合（hé）考驗。其中渦輪葉片是最特別的氣動熱組件，其薄壁且多（duō）層的結構驅動著（zhe）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（jī）超耐高溫合金基板上，先塗一種抗氧化金屬間的（de）粘結塗層，隨後以（yǐ）多孔、低（dī）電導率的氧（yǎng）化釔穩定的氧化（huà）鋯麵漆（qī）作為熱障製成（chéng）。葉片（piàn）連接到渦輪機圓盤（pán）上，該圓盤由鎳基合金的多（duō）晶形式構成。圓盤作為發動機中最（zuì）安全且關鍵部件之一，往（wǎng）往是由粉末（mò）冶金和（hé）超（chāo）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（lún）的熱氣（qì）體提取，氣體溫度再次下降到低於（yú）800℃的中等水（shuǐ）平。渦輪（lún）後段的旋轉和靜止部件主要是以多晶鑄造的鎳基高溫（wēn）合金為主。而對於發動機軸（zhóu），它必須具有很高的強度和抗疲勞性能，通（tōng）常是由高強度鋼或鎳基高（gāo）溫合金組成。

 

新的挑戰也伴隨著新的機遇，從而不斷加速（sù）領域發展

 

發動機的（de）設計通過結合一係列科學知（zhī）識來優化整體的係統架構，以實現產品功能的最大化。新材料（liào）的使用通常具有一定的風險（xiǎn），但如果能提供實質性（xìng）的係統效益或新型引擎架構，這一冒險（xiǎn）就是有價值的。在設計過（guò）程（chéng）中，人（rén）們總（zǒng）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（jiū）將更耐高溫的材料和塗層運用於發動機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（jīng）促成一係列著（zhe）名的材料科學成就，單晶鎳基合金的渦輪（lún）機葉片的開發就是其中（zhōng）之一。單（dān）晶加工工藝的出現（圖1a–c），使得一代又一代（dài）具有更強高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（yōu）化其體積分數、組（zǔ）成、形態（tài）以及Ni3Al金屬間化合（hé）物強化相的分布，也提升（shēng）了材料（liào）的高溫性（xìng）能。例（lì）如：嵌入高濃度Ni後的固溶矩陣（圖1d），形成了一種高度複雜的合金——包含了8~10種主要的（de）合金元素，且合金分成越複雜高溫性（xìng）能越好。但是隨著難（nán）熔元素強化劑（Re, W, Ru）的含量以及單晶成分的大小和幾何複（fù）雜性的增加，難熔金屬引起的對流不穩定會導（dǎo）致凝固分解傾向。這（zhè）就促使了人們繼續研究“高梯度”晶體生（shēng）長（zhǎng）方法。例如：液態（tài）金屬冷卻法（圖1e）。

 

同時，構（gòu）成這些單晶體的元素豐度（dù）、供（gòng）應風險和價格也（yě）引（yǐn）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（chóng）要成分（高達20wt%~25wt%）。而另一（yī）方麵，Re價格的飆漲也促使新材料（liào）向著低Re或無Re的單晶（jīng）組合物的發展。新一代渦輪葉片材料的投（tóu）入（rù）使用往往需要6–10年的發展期，受到Re供應緊張這一（yī）問題的（de）驅使，一種用於加快合金發展的快速數據（jù）驅動方法首次出（chū）現，它能夠最小化合金研究的實驗量並且隻需要2年就可以使其達標。

 

新材料引（yǐn）入（rù）會給予體係在性能方麵有階段性的提升，但由於（yú）其整體（tǐ）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。同時，這些新材料往往（wǎng）需（xū）要（yào）10年的發展期來建立新的生（shēng）產路（lù）徑才能最終影響商業發動（dòng）機。TiAl基金屬間化合物合金就是克（kè）服了這一挑（tiāo）戰的（de）實（shí）例——TiAl基合金的（de）密度為（wéi）3.9 g cm–3，它是多晶鎳基（jī）合金（≈8.5 g cm–3）在冷卻器（qì）、低壓渦輪部分的理（lǐ）想取代物。該（gāi）化合物從（cóng）20世紀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（nián）代的合金化和性能的研究，20世紀80年代商業合金和工藝的開發以及（jí）1993年第一次引擎測試，終於在2012年（nián）進入商業服務（GEnx用於波音787客機），兩階TiAl扇（shàn）葉的引進降低了400磅機身重量。

 

回首這一過程，各種各樣的原因最終導致了這一材料的發展道路如（rú）此漫（màn）長。首先，這（zhè）些（xiē）合金的拉伸延展性極低（通常在1 - 2%的範圍內（nèi）），這需要設（shè）計（jì）一個全新的發動機框架來適應這（zhè）些（xiē）半脆性材料的開（kāi）發。其次是化學相關相變的複雜性以及由實驗驅動的機械和物理性能的優化方（fāng）法所帶來（lái）的挑戰。第三，需要開發（fā）與在液體狀態下具有高度反（fǎn）應性以及在室溫下具有相對脆性的（de）材料相應的加工、製造和（hé）引擎裝配路徑。最（zuì）後，在承擔了（le）材料這些特性所引（yǐn）起的花費後，還避免不了第一次商業化所帶來的風險。在汲取前人許（xǔ）許（xǔ）多多的經驗教訓後，未（wèi）來的金屬間化合物進入（rù）引擎（qíng）障礙可（kě）能會更（gèng）小一些。

 

計算的參與 顯著降（jiàng）低了開發新型結構材（cái）料的（de）時間和成本

 

首先（xiān）是材料（liào）數據庫的出現，包括（I）豐富、高密度（dù）的實驗（yàn）數據庫（如上文提到的鎳（niè）基（jī）單晶），（II）用於（yú）多組分係統（tǒng）熱力學和動力學計算的數據庫，（III）通過自動化的第一（yī）原理性（xìng）計算（suàn）得到的材料屬性動態數據（jù）庫。例子包括著名的CALPHAD數據庫和最近（jìn）的（de）Materials Project數據庫（目前包含約65000種無（wú）機（jī）化合物及其43650種能帶結構，2270種化合物的彈性張量）。這種知識的（de）快速擴張幾（jǐ）乎（hū）不（bú）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。例（lì）如，分別在2006年（CALPHAD評估期間）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（wù）。數據庫拉開了一個全新的高溫結（jié）構材料發展序幕，它們（men）的高溫性能（néng）有望比鎳基合金更強（qiáng）。對於新型的Co體係（xì），新興的計（jì）算（suàn）工具能夠快速（sù）地搜索（suǒ）多維空間（jiān）中最有前景的維度。如（rú）圖2所示，密（mì）度（dù）泛函計算已經廣泛用來選（xuǎn）擇主要的（de）合金添加物，從而最（zuì）大限度地提了Co–Al–W的穩（wěn）定性和體積分（fèn）數。更有趣（qù）的是，這些（xiē）計算（suàn）表明：與（yǔ）Ni基係統不同是，Re並不能為Co–Al–W體（tǐ）係提供顯著的強化。另外與（yǔ）前幾（jǐ）代鎳基（jī）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的金屬體係減少3~5倍的探索時間。而計算工具集成的擴大可以對高階成（chéng）分空間做出更為係統探索，這就有機（jī）會揭示更（gèng）多有前景（jǐng）的材（cái）料。

 

計算（suàn）能力的快速提升也構（gòu）建（jiàn）了多重物理量的仿真模擬，使其能夠（gòu）預（yù）測在納（nà）米尺（chǐ）度（dù）、微觀尺度以及中尺度（dù）下（xià）的傳輸、結構、缺陷（xiàn）及（jí）性能。這同時也進一（yī）步構建了其他相關現象的模（mó）擬，包括（kuò）擴散、凝固、熱（rè）加工和超塑成（chéng）形操作，以及相形（xíng）態演變和晶粒（lì）結構。然而，對於（yú）材料可塑性的模（mó）擬（nǐ）仍然是一個重大的挑戰，這是由於它們預（yù）測三維塊（kuài）體（tǐ）（特（tè）別是在多相材料）中塑性變形（xíng）的能力有限，因此無法對位錯動力學進行準確的仿真。

 

發動機製造的首要目標是將新興的預測工具在尺寸（cùn）和時間（jiān）上（shàng）進行整合，使其對性能預測的可信度能達到飛機發動機中安全關鍵材料的預測標準。穩（wěn）健的同質化體係以及不確定性量化是屬性（xìng）預測基（jī）礎的（de）關鍵要素。保持實驗與理論/建模之間強大的（de）反饋路徑對（duì）於模型以及提供建模所需信息的關鍵實驗具有重（chóng）要的指導性意義。這也是當前許多研究的動機，可（kě）以粗（cū）略地歸納為綜合計（jì）算材料（科學）和工程(ICME或ICMSE)。

 

先進的表征手段（duàn）必不可少

 

對於飛機發動機所（suǒ）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需要在三維方向上有統計學（xué）意義地測量組織結構信息。現今，隨著體層攝影技術的的（de）巨大進步，我們能夠（gòu）獲得更（gèng）大範圍的三維數據信息。這包括原子級別的探針、納米級的聚焦離子束、實（shí）驗室規模的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。與（yǔ）飛（fēi）機（jī）引（yǐn）擎材料（圖3）相關的就包括鎳基合（hé）金的發動機圓盤上原子探針數據集、晶粒尺度大小的飛秒激光三波束數（shù）據集以及單晶凝（níng）固（gù）前沿樹枝狀結構的自動分段係列（liè）數據集（jí）。與第（dì）一性原理計算相比，變（biàn）形和流體流（liú）動模型輸入（rù）斷層成（chéng）像數據也顯示出（chū）相同的結果。如圖3所示，三維數據信息可以（yǐ）直接（jiē）通過（guò）網狀圖來表示隨後的熱流量，力學或流（liú）體計算結果，或者通過結構特征（zhēng）的數據分布模擬出其虛擬實例以（yǐ）便於進一步分析。這類模型正在迅速發展，在不需要大規（guī）模的（de）實驗表征的（de）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步。

 

材料微觀尺度的塑性變形決定了鎳基合金渦（wō）輪部件和以鈦合金為主的壓縮機部件中的許多關鍵機械（xiè）性能。新型數字（zì）圖像修正（zhèng）技（jì）術可以用於納米尺度的標記和修正樣品的移動以及掃描電（diàn）鏡（jìng）的電磁透鏡偏轉，以便進（jìn）行局部變形過程（chéng）的原位檢（jiǎn）測及（jí）其對微觀結構的依賴性研究。圖4顯示了鎳基和鈦基（jī）合金材料在單向（xiàng）循環應力加載條件下的局部應變對組織結構的影響（xiǎng），這兩（liǎng）種合金分別用於引擎的渦輪圓（yuán）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展（zhǎn），如改變組織結構和引（yǐn）入更多有利於塑性變形。獲得更多複雜塑性變形模型的細（xì）節信息可以使（shǐ）有限元分析（xī）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（jì）算（suàn）性和大數據性的（de）工具能夠讓我們在獲取信（xìn）息的能力（lì）在時間和空間上不斷豐富成熟。預計，全新的材料（liào）和製造（zào）工藝將被以更快的速度和更低的成本部署到引擎的生（shēng）產過程中去。

 

針對具體工程應用，需要（yào）考慮的還很多

 

鎳基單晶材料是目（mù）前發動機中關鍵旋轉組件領（lǐng）域中最耐高溫的（de）材料，可承受（shòu）最高達1100°C，局部甚至達1200°C。值得注意的是，當達到此溫（wēn）度的90%左右時，材料就會出現熔化。新型陶瓷熱障塗層（TBCs）的加入，可在一定程度上提高高溫合金的承受溫度，不過由於基（jī）體和塗層在彈性性能和熱學性能方麵存在的（de）本（běn）質差異，界麵層材料需要謹慎選擇，不斷提高性能。一般來說，塗層和合金基（jī）體的界麵采用金屬和高鋁含（hán）量金屬間化（huà）合物相的混合物（wù），它們除具有（yǒu）較好的機械性能外，還可以通過形成一層Al2O3層來阻（zǔ）止氧擴散進入基體（tǐ）。目前這（zhè）種結合塗層還不能承受很高的（de）高溫強度，新型結（jié）合（hé）塗（tú）層（céng）組（zǔ）份正在研究開發之中。

 

除此外，擁有更高熔點的新型基（jī）體材料也是人們所需求的。上文提到的新型鈷基材料的熔（róng）點相比（bǐ）鎳基材料有望高出100°C ~150°C ，並且有著現有供應基礎的額外優勢。擁有更高潛在熔點的材料還包括（kuò）基於Mo和（hé）Nb的耐火合金以及陶瓷基（jī）複（fù）合材料（liào）(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，不過（guò）多多少少都存在（zài）加工等方麵的巨（jù）大挑戰。結（jié）合先（xiān）前脆硬鈦（tài）鋁金屬間（jiān）化合物的設計、多層設計方法以及目（mù）前正在開發中的先進（jìn）ICMSE工具，這些材料體係發展如（rú）何，現在還為時（shí）過早。

 

铌（ní）基體係（xì）也有不小優勢，其相（xiàng）對較低的密度(純铌（ní）：ρ = 8.56 g cm–3)，原位合成複合材料的能（néng）力強。如成分為Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合金（jīn），其擁有一係列混合物包括固溶強化相如Nb、铌的矽化物Nb5Si3、萊維氏相（xiàng）Cr2Nb。盡管（guǎn）這（zhè）些Nb-Si合金的蠕變性能超過其他Nb基單晶，從而獲得一係列平（píng）衡性能（包括韌性和氧化性能），但（dàn）其（qí）加工工藝還麵臨著巨大挑戰。對於Mo係材料，三元的Mo–Si–B多相合（hé）金最值得研究。這一合金包含了耐高溫的三元（yuán）金屬間化（huà）合物 Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固（gù）溶強化體心（xīn）立方Mo相。在目前工程應用中的鎳基合金（jīn）通常包含鋁元素，其可以（yǐ）在升溫（wēn）過程中選擇性的氧化從而（ér）形成一層致密的氧化鋁層。而在更高的溫度區間（jiān）是Nb、Mo以及陶瓷（cí）基體一起作（zuò）用，此時Si添加物更為理想，因為1300°C時Si的氧化速率常數與鋁相比更低。

 

發動（dòng）機的前端是是直徑超3米（mǐ），長度接近1.5米的幾何形狀複雜的風扇，需要低密度高韌性的材料來承（chéng）受飛機在（zài）跑道或（huò）飛行中的各種衝擊力。在很長時間裏，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製造。近年來，新材料和各種（zhǒng）雜化金屬-複合結（jié）構材料都有著重（chóng）大創新發展，這些材料可以承受極其嚴苛的環境（jìng）考驗，新型的葉片可以被包含（hán）在引擎內（nèi）部（bù），以避免遇到災難性的（de）破（pò）壞。碳纖維環氧（yǎng）樹脂複合材料不僅可以極大的減（jiǎn）輕機體（tǐ）重量，還可以與鈦或新穎鋁-鋰合金複合來提高其使用壽命。

 

增材製（zhì）造技術不失為一把利刃

 

隨著機械（xiè）、航空和（hé）渦輪部件熱學設計的計算工具（jù）的不斷優（yōu）化，開發幾何形狀更加複雜的引擎部（bù）件逐漸成為可能。另外，金屬材料粉末冶金成（chéng）型也極大促進了增材製造（3D打印）工藝（yì）的發展，包括熔煉、激光直接燒（shāo）結以及選區燒結、送粉工藝以及絲（sī）熔化沉積等工藝。層層（céng）累積（jī）之增材製造技術允許從（cóng）3D設計最終一次成型，製造幾何形狀更（gèng）為複雜的部件，且節約材料。激光打印GE LEAP引擎的燃油噴嘴可以減少其25％的重（chóng）量，並將配件數量由18個減少到1個。

 

目前的挑戰主要在於證實（shí）工藝的完整性以及（jí）準（zhǔn）確預（yù）測在苛刻環境下金屬部件（jiàn）及（jí）發動機的安全性要求。此（cǐ）外，收集（jí）分（fèn）析大型傳感器數據、新型非結構性（xìng）破壞評（píng）估，還需要進一步提高來保證結構與性能的完整性和可再生性。

 

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

 

1) 苛刻的服役環境是（shì）挑戰，不過（guò）另一方麵也不斷促進材料的多層化、複合化設計以便獲得更多的功（gōng）能；

2) 有益於開發、設計、表征和性能預測的新型工具的出（chū）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) 工藝創新（例如之前製造渦輪葉片（piàn）的單晶生長工藝）以及（jí）增材製造技術的研究工（gōng）作也將不斷地影（yǐng）響這些領域的飛速（sù）發（fā）展。