為什么航空發(fā)動機(jī)還是金屬材料？

1、這么多年了為啥發(fā)動機(jī)還是金屬材料？金屬是先進(jìn)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(jì)算手段、實(shí)驗(yàn)、工藝的創(chuàng)新，又?jǐn)U大了新型金屬材料在未來幾代先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)中研究和運(yùn)用范圍。NatureMaterials官網(wǎng)最近聚焦航空航天材料，邀請了加州大學(xué)圣巴巴拉校區(qū)的TresaM.Pollock、布朗大學(xué)NitinpPadture以及羅羅公司高級工程師羅羅公司高級工程師等眾多學(xué)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

2、讀者。圖0發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖作為20世紀(jì)最主要的工程成就之一，噴氣式發(fā)動機(jī)是復(fù)雜性最高的工程技術(shù)平臺——從一開始就受材料創(chuàng)新的驅(qū)動。自1980以來，商業(yè)航空客運(yùn)量增長約500%，2015年旅客運(yùn)輸量超過35億人次。這些客機(jī)的發(fā)動機(jī)操作可靠，同時(shí)也總計(jì)消耗約1800億美元的燃料。在未來的20年中，預(yù)計(jì)將產(chǎn)生超過38000架新飛機(jī)。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(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)先事項(xiàng)。工程上為了迎合這些要求以及為了使新

3、引擎的設(shè)計(jì)部署生產(chǎn)周期更短，也不斷也不斷刺激著具有更高熔點(diǎn)、更高強(qiáng)度、更低密度以及更長耐久度的新材料的生產(chǎn)。刺激著具有更高熔點(diǎn)、更高強(qiáng)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(jī)體系依然是金屬材料的天下目前的發(fā)動機(jī)體系依然是金屬材料的天下目前商用飛機(jī)引擎的重量一般在2000kg到8500kg不等，其中金屬材料占了發(fā)其中金屬材料占了發(fā)動機(jī)重量的動機(jī)重量的85%85%至95%95%。由于金屬其獨(dú)特的屬性組合，包括高強(qiáng)度、高韌性，在

4、。由于金屬其獨(dú)特的屬性組合，包括高強(qiáng)度、高韌性，在熱機(jī)循環(huán)過程中和在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中遇到的嚴(yán)重的氧化性和腐蝕性環(huán)境時(shí)，熱機(jī)循環(huán)過程中和在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中遇到的嚴(yán)重的氧化性和腐蝕性環(huán)境時(shí)，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(dǎo)地位表現(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(dǎo)地位。熱力學(xué)循環(huán)決定的氣體的溫度和壓力，因此與發(fā)動機(jī)相關(guān)的每一部分都要找到合適的材料——從前端風(fēng)扇一直到壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)。對于風(fēng)扇，優(yōu)先

5、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(fù)合材料以及些鋁復(fù)合材料頗受青睞，有較大生產(chǎn)力。氣流通過壓縮機(jī)后溫圖1鎳基單晶的生長和微結(jié)構(gòu)示意圖歷史上，這曾經(jīng)促成一系列著名的材料科學(xué)成就，單晶鎳基合金的渦輪機(jī)葉片單晶鎳基合金的渦輪機(jī)葉片的開發(fā)就是其中之一的開發(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(qiáng)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?jǐn)?shù)、組成、形態(tài)以及Ni3Al金屬間化

6、合物強(qiáng)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(fù)雜的合金——包含了8~10種主要的合金元素，且合金分成越復(fù)雜高溫性能越好。但是隨著難熔元素強(qiáng)化劑（ReWRu）的含量以及單晶成分的大小和幾何復(fù)雜性的增加，難熔金屬引起的對流不穩(wěn)定會導(dǎo)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。例如：液態(tài)金屬冷卻法（圖1e）。同時(shí)，構(gòu)成這些單晶體的元素豐度、供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格也引起了人們廣泛

7、的關(guān)注。Ru、Re、Ta和W等是影響合金高溫強(qiáng)度的重要成分（高達(dá)20wt%~25wt%）。而另一方面，Re價(jià)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(yīng)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(shí)驗(yàn)量并且只需要2年就可以使其達(dá)標(biāo)。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(shí)質(zhì)上