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(chǔ)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。Nature Materials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Tresa M. P ollock、布朗大學Nit in p P adture以及羅羅公司高級工程師 等眾多學者大牛撰文評述該領(lǐng)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(jié)構(gòu)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(shù)平 臺一一從一開始就受材料創(chuàng)新的驅(qū)動。自1980以來，商業(yè)航

2、空客運量增長 約500% 2015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(chǎn)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。也不斷刺工程上為了迎合這些要求以及為了使新引擎的設(shè)計部署生產(chǎn)周期更短， 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(chǎn)。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

3、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(guān)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(chǎn)力。氣流通過壓縮機后溫度 上 升到700廢，這部分包括鈦合金的葉片和圓盤。在燃燒器部分，高溫鎳基和鉆基 合金（具有中等強度，易于加工）已成為該結(jié)構(gòu)主要材料。燃燒過后，氣體溫度 在1400C到1500C的范圍內(nèi)，隨著它們進入到高壓渦輪中，旋

4、轉(zhuǎn)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。其中渦輪葉片是最特別的氣動 熱組件，其薄壁且多層的結(jié)構(gòu)驅(qū)動著復雜的內(nèi)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(jié)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(gòu)成。圓盤作為發(fā)動機中最安全且關(guān) 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800C的中等水平。 渦輪后段的 旋轉(zhuǎn)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

5、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)也伴隨著新的機遇，從而不斷加速領(lǐng)域發(fā)展 發(fā)動機的設(shè)計通過結(jié)合一系列科學知識來優(yōu)化整體的系統(tǒng)架構(gòu)， 以實現(xiàn)產(chǎn)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(zhì)性的系統(tǒng)效益 或新型引擎架構(gòu)，這一冒險就是有價值的。在設(shè)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。1"Crutiblec131550 弋 Jiiould heater圖1鎳基單晶的生長和微結(jié)構(gòu)示意圖歷史上，這曾經(jīng)促成一系

6、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1a-c），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(diào)整合金成分來優(yōu)化其體積分 數(shù)、組成、形態(tài)以及Ni3AI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 金一一包含了 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。

7、例 女口：液態(tài)金屬冷卻法（圖1e）o 同時，構(gòu)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(guān)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 6 - 10年的發(fā)展期，受到Re供應緊張 這一問題的驅(qū)使，一種用于加快合金發(fā)展的快速數(shù)據(jù)驅(qū)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(zhì)上是不同的，因此從引進角度來說一直富有挑

8、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(chǎn)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)的實例一一 TiAl基合金的密度為3.9 g cm- 3，它是多晶鎳基合金（Q 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世紀50年代開始成為電子顯微鏡的研究主體，經(jīng)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

9、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(nèi)），這需要設(shè)計 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(guān)相變的復雜性以及由實驗驅(qū)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(jīng)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(jié)構(gòu)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)

10、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CALPHA數(shù)據(jù)庫和最近的Materials Project數(shù)據(jù)庫（目前包含約65000種無機 化合物及其43650種能帶結(jié)構(gòu)，2270種化合物的彈性張量）。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，從而加速新材料的研 發(fā)。例如，分別在2006年（CALPHA評估期間）和2015年發(fā)現(xiàn)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)庫拉開了一個全新的高溫 結(jié)構(gòu)材料發(fā)

11、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(jīng)廣泛用來選擇主要的合金添加物，從而最大限度地提了 Co- Al - W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Co- Al - W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。01006-肛皿 -kIW iG.OOOi-'-*-0 001 l

12、Ttj-OLOQfl-aomifi'十»，- -I- Tod 775 ZaCkO IjT 土ItJTilaffTSC 囲匸4LST1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(gòu)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(jié)構(gòu)、缺陷及性能。這同時也進一步構(gòu)建了 其他相關(guān)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(jié)構(gòu)。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

13、準確的仿真。發(fā)動機制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，使其對性能預測的可信度能達到飛機發(fā)動機中安全關(guān)鍵材料的預測標準。穩(wěn)健的同質(zhì)化體系以及不確定性量化是屬性預測基礎(chǔ)的關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)信息。現(xiàn)今，隨著體層攝影技術(shù)的的巨大進步，我們能夠獲得更

14、大范圍的三維數(shù)據(jù)信息。 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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果，或者通過結(jié)構(gòu)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

15、的特性圖譜帶來巨大的進步。crb圖3層析成像數(shù)據(jù)集和對應的?；褂谩２牧衔⒂^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(guān)鍵機械性能。新型數(shù)字圖像修正技術(shù)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(zhuǎn)， 以便進行局部變形過程的原位檢測 及其對微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

16、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(chǎn)過程中去。fa- b席一 空bn%11.4%S7%3.T?40%>0%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，需要考慮的還很多可承受最咼90%左右時,鎳基單晶材料是目前發(fā)動機中關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)組件領(lǐng)域中最耐高溫的材料， 達1100廢，局部甚至達1200廢。值得注意的是，當達到此溫度的 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

17、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(zhì)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AI2O3層來阻止氧擴散進入基體。目前這種結(jié)合涂 層還不能承受很高的高溫強度，新型結(jié)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。上文提到的新型鉆基材料的熔點相比鎳基材料有望高出100廢-150廢，并且有著現(xiàn)有供應基礎(chǔ)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

18、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(jié)合先前脆硬鈦鋁金屬間化合物的設(shè)計、多層設(shè)計方法以及目前正在開發(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：P = 8.56 g cm - 3），原位合成復合材料的能力強。如成分為 Nb, 19Ti, 4Hf, 13Cr, 2AI, 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Cr2Nbo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

19、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Mo- Si - B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廢時Si的氧化速率常數(shù)與鋁相比 更低。直徑超3米，長度接近1.5米的幾何形狀復雜的風扇，需要低里,發(fā)動機的前端是是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(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)不失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(yōu)化，開發(fā)幾何形狀更加 復雜的引擎部件逐漸成為可能。另外，金屬材料粉末冶金成型也極大促進了增材3D設(shè)計最終一次成GELEAP引擎的燃油制造(3D打印)工藝的發(fā)展，包括熔煉、激光直接燒結(jié)以及選區(qū)燒結(jié)、送粉工 藝