在航空航天領域，沒有容易的解決途徑（發動機合金設計篇）

引語：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系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以及羅羅公司高級工程師等眾多學者大牛撰文評述該領域的現狀與發展，材料人幾位小編整理出來以饗讀者。

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1800億美元的燃料。在未來的20年中，預計將產生超過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發展的優先事項。工程上為了迎合這些要求以及為了使新引擎的設計部署生產周期更短，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度的新材料的生產。

目前的發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，其中金屬材料佔了發動機重量的85%至95%。由於金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環過程中和在發動機運行過程中遇到的嚴重的氧化性和腐蝕性環境時，表現出的高耐降解性與良好的表面穩定性使之一直佔據著主導地位。熱力學循環決定的氣體的溫度和壓力，因此與發動機相關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。

對於風扇，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些鋁複合材料頗受青睞，有較大生產力。氣流通過壓縮機後溫度上升到700°C，這部分包括鈦合金的葉片和圓盤。在燃燒器部分，高溫鎳基和鈷基合金（具有中等強度，易於加工）已成為該結構主要材料。燃燒過後，氣體溫度在1400℃到1500℃的範圍內，隨著它們進入到高壓渦輪中，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，其薄壁且多層的結構驅動著複雜的內部冷卻體系。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，先塗一種抗氧化金屬間的粘結塗層，隨後以多孔、低電導率的氧化釔穩定的氧化鋯面漆作為熱障製成。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成。圓盤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於800℃的中等水平。渦輪後段的旋轉和靜止部件主要是以多晶鑄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。

新的挑戰也伴隨著新的機遇，從而不斷加速領域發展

發動機的設計通過結合一系列科學知識來優化整體的系統架構，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，但如果能提供實質性的系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，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。

圖1 鎳基單晶的生長和微結構示意圖

歷史上，這曾經促成一系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就是其中之一。單晶加工工藝的出現（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分布，也提升了材料的高溫性能。例如：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種主要的合金元素，且合金分成越複雜高溫性能越好。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複雜性的增加，難熔金屬引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丰度、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的單晶組合物的發展。新一代渦輪葉片材料的投入使用往往需要6–10年的發展期，受到Re供應緊張這一問題的驅使，一種用於加快合金髮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，但由於其整體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，這些新材料往往需要10年的發展期來建立新的生產路徑才能最終影響商業發動機。TiAl基金屬間化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年代商業合金和工藝的開發以及1993年第一次引擎測試，終於在2012年進入商業服務（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。

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此漫長。首先，這些合金的拉伸延展性極低（通常在1 - 2%的範圍內），這需要設計一個全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法所帶來的挑戰。第三，需要開發與在液體狀態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、製造和引擎裝配路徑。最後，在承擔了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 顯著降低了開發新型結構材料的時間和成本

首先是材料資料庫的出現，包括（I）豐富、高密度的實驗資料庫（如上文提到的鎳基單晶），（II）用於多組分系統熱力學和動力學計算的資料庫，（III）通過自動化的第一原理性計算得到的材料屬性動態資料庫。例子包括著名的CALPHAD資料庫和最近的Materials Project資料庫（目前包含約65000種無機化合物及其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。例如，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。資料庫拉開了一個全新的高溫結構材料發展序幕，它們的高溫性能有望比鎳基合金更強。對於新型的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的穩定性和體積分數。更有趣的是，這些計算表明：與Ni基系統不同是，Re並不能為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的金屬體系減少3~5倍的探索時間。而計算工具集成的擴大可以對高階成分空間做出更為系統探索，這就有機會揭示更多有前景的材料。

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定性和損壞能量。

計算能力的快速提升也構建了多重物理量的模擬模擬，使其能夠預測在納米尺度、微觀尺度以及中尺度下的傳輸、結構、缺陷及性能。這同時也進一步構建了其他相關現象的模擬，包括擴散、凝固、熱加工和超塑成形操作，以及相形態演變和晶粒結構。然而，對於材料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準確的模擬。

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。穩健的同質化體系以及不確定性量化是屬性預測基礎的關鍵要素。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，可以粗略地歸納為綜合計算材料（科學）和工程(ICME或ICMSE)。

先進的表徵手段必不可少

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需要在三維方向上有統計學意義地測量組織結構信息。現今，隨著體層攝影技術的的巨大進步，我們能夠獲得更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、實驗室規模的X射線同步輻射源以及基於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）相關的就包括鎳基合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據集以及單晶凝固前沿樹枝狀結構的自動分段系列數據集。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據也顯示出相同的結果。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熱流量，力學或流體計算結果，或者通過結構特徵的數據分布模擬出其虛擬實例以便於進一步分析。這類模型正在迅速發展，在不需要大規模的實驗表徵的情況下，將為我們的能力來預測的特性圖譜帶來巨大的進步。

圖3 層析成像數據集和對應的模化使用。

材料微觀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鍵機械性能。新型數字圖像修正技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鏡的電磁透鏡偏轉，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研究。圖4顯示了鎳基和鈦基合金材料在單向循環應力載入條件下的局部應變對組織結構的影響，這兩種合金分別用於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展，如改變組織結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的細節信息可以使有限元分析更加具體化，而這在目前仍然是一個巨大挑戰。然而，作為實驗性、計算性和大數據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，全新的材料和製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過程中去。

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

鎳基單晶材料是目前發動機中關鍵旋轉組件領域中最耐高溫的材料，可承受最高達1100°C，局部甚至達1200°C。值得注意的是，當達到此溫度的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，不過由於基體和塗層在彈性性能和熱學性能方面存在的本質差異，界面層材料需要謹慎選擇，不斷提高性能。一般來說，塗層和合金基體的界面採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開發之中。

除此外，擁有更高熔點的新型基體材料也是人們所需求的。上文提到的新型鈷基材料的熔點相比鎳基材料有望高出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，不過多多少少都存在加工等方面的巨大挑戰。結合先前脆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，這些材料體系發展如何，現在還為時過早。

鈮基體系也有不小優勢，其相對較低的密度(純鈮：ρ = 8.56 g cm–3)，原位合成複合材料的能力強。如成分為Nb，19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 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Cr2Nb。儘管這些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（包括韌性和氧化性能），但其加工工藝還面臨著巨大挑戰。對於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緻密的氧化鋁層。而在更高的溫度區間是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°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扇，需要低密度高韌性的材料來承受飛機在跑道或飛行中的各種衝擊力。在很長時間裡，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，新材料和各種雜化金屬-複合結構材料都有著重大創新發展，這些材料可以承受極其嚴苛的環境考驗，新型的葉片可以被包含在引擎內部，以避免遇到災難性的破壞。碳纖維環氧樹脂複合材料不僅可以極大的減輕機體重量，還可以與鈦或新穎鋁-鋰合金複合來提高其使用壽命。

增材製造技術不失為一把利刃

隨著機械、航空和渦輪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製造（3D列印）工藝的發展，包括熔煉、激光直接燒結以及選區燒結、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設計最終一次成型，製造幾何形狀更為複雜的部件，且節約材料。激光列印GE LEAP引擎的燃油噴嘴可以減少其25％的重量，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工藝的完整性以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，收集分析大型感測器數據、新型非結構性破壞評估，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。

圖5 利用電子束3D列印鈦合金（Ti-6Al-4V）的結構及缺陷示意圖。晶粒結構(a)、質地(b)和缺陷含量(c)與製造高度有很大關係。

總結

總體來說，金屬材料擁有優異的機械和熱物理學性能組合，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系統的主要材料，特別是安全關鍵性的旋轉渦輪以及壓縮機部件（如渦輪風扇葉片）。

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

本文主要譯自Nature Materials官網7月22號聚焦航空航天材料的一期議題。文獻鏈接：Alloy design for aircraft engines（Nat. Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4709）

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