航空发动机还是金属材料

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1、.这么多年了为啥发动机还是金属材料？金属是先进飞行器引擎的基础材料。虽然其发展已趋于成熟，但新兴的计算手段、实验、工艺的创新，又扩大了新型金属材料在未来几代先进推进系统中研究和运用范围。NatureMaterials官网最近聚焦航空航天材料，邀请了加州大学圣巴巴拉校区的TresaM.Pollock、布朗大学NitinpPadture以及罗罗公司高级工程师等众多学者大牛撰文评述该领域的现状与发展，材料人几位小编整理出来以飨读者。图0发动机结构示意图作为20世纪最主要的工程成就之一，喷气式发动机是复杂性最高的工程技术平台——从一开始就受材料创新的驱动。自1980以来，商业航空客运量增长约500

2、%，2015年旅客运输量超过35亿人次。这些客机的发动机操作可靠，同时也总计消耗约1800亿美元的燃料。在未来的20年中，预计将产生超过38000架新飞机。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来推进系统发展的优先事项。工程上为了迎合这些要求以及为了使新引擎的设计部署生产周期更短，也不断刺激着具有更高熔点、更高强度、更低密度以及更长耐久度的新材料的生产。目前的发动机体系依然是金属材料的天下目前商用飞机引擎的重量一般在2000kg到8500kg不等，其中金属材料占了发动机重量的85%至95%。由于金属其独特的属性组合，包括高强度、高韧性，在热机循环过程中和在发动机运行过程中遇到

3、的严重的氧化性和腐蚀性环境时，表现出的高耐降解性与良好的表面稳定性使之一直占据着主导地位。热力学循环决定的气体的温度和压力，因此与发动机相关的每一部分都要找到合适的材料——从前端风扇一直到压缩机、燃烧器和涡轮机。对于风扇，优先选择具有高韧性的低密度材料来作为桨叶，钛合金和聚合物基体复合材料以及些铝复合材料颇受青睐，有较大生产力。气流通过压缩机后温度.上升到700癈，这部分包括钛合金的叶片和圆盘。在燃烧器部分，高温镍基和钴基合金（具有中等强度，易于加工）已成为该结构主要材料。燃烧过后，气体温度在1400℃到1500℃的范围内，随着它们进入到高压涡轮中，旋转涡轮叶片由此承受发动机中最为剧烈的应

4、力、温度的组合考验。其中涡轮叶片是最特别的气动热组件，其薄壁且多层的结构驱动着复杂的内部冷却体系。目前，涡轮叶片主要是通过在单晶镍基超耐高温合金基板上，先涂一种抗氧化金属间的粘结涂层，随后以多孔、低电导率的氧化钇稳定的氧化锆面漆作为热障制成。叶片连接到涡轮机圆盘上，该圆盘由镍基合金的多晶形式构成。圆盘作为发动机中最安全且关键部件之一，往往是由粉末冶金和超塑性锻造成形，最大限度地提高强度和抗疲劳性能。通过涡轮的热气体提取，气体温度再次下降到低于800℃的中等水平。涡轮后段的旋转和静止部件主要是以多晶铸造的镍基高温合金为主。而对于发动机轴，它必须具有很高的强度和抗疲劳性能，通常是由高强度钢或镍

5、基高温合金组成。新的挑战也伴随着新的机遇，从而不断加速领域发展发动机的设计通过结合一系列科学知识来优化整体的系统架构，以实现产品功能的最大化。新材料的使用通常具有一定的风险，但如果能提供实质性的系统效益或新型引擎架构，这一冒险就是有价值的。在设计过程中，人们总是希望提升涡轮机的入口温度，以提高其效率和性能。因此，探究将更耐高温的材料和涂层运用于发动机的高压涡轮部分往往是研究和开发工作的重点。.图1镍基单晶的生长和微结构示意图历史上，这曾经促成一系列著名的材料科学成就，单晶镍基合金的涡轮机叶片的开发就是其中之一。单晶加工工艺的出现（图1a–c），使得一代又一代具有更强高温性能的镍基单晶合金被

6、开发出来。通过调整合金成分来优化其体积分数、组成、形态以及Ni3Al金属间化合物强化相的分布，也提升了材料的高温性能。例如：嵌入高浓度Ni后的固溶矩阵（图1d），形成了一种高度复杂的合金——包含了8~10种主要的合金元素，且合金分成越复杂高温性能越好。但是随着难熔元素强化剂（Re,W,Ru）的含量以及单晶成分的大小和几何复杂性的增加，难熔金属引起的对流不稳定会导致凝固分解倾向。这就促使了人们继续研究“高梯度”晶体生长方法。例如：液态金属冷却法（图1e）。同时，构成这些单晶体的元素丰度、供应风险和价格也引起了人们广泛的关注。Ru、Re、Ta和W等是影响合金高温强度的重要成分（高达20wt%~

7、25wt%）。而另一方面，Re价格的飙涨也促使新材料向着低Re或无Re的单晶组合物的发展。新一代涡轮叶片材料的投入使用往往需要6–10年的发展期，受到Re供应紧张这一问题的驱使，一种用于加快合金发展的快速数据驱动方法首次出现，它能够最小化合金研究的实验量并且只需要2年就可以使其达标。.新材料引入会给予体系在性能方面有阶段性的提升，但由于其整体特性与被取代材料实质上是不同的，因此从引进角度来说一直富有挑战。同时，这些新材料