為什么航空發(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。NatureMaterials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TresaM.Pollock、布朗大學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者大牛撰文評述該領域的現(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)動機結構示意圖作為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平臺——從一開始就受材料創(chuàng)新的驅動。自1980以來，商業(yè)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(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。工程上為了迎合這些要求以及為了使新

3、引擎的設計部署生產(chǎn)周期更短，也不斷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(chǎn)。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(chǎn)。目前的發(fā)動機體系依然是金屬材料的天下目前的發(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)其中金屬材料占了發(fā)動機重量的動機重量的85%85%至95%95%。由于金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在

4、。由于金屬其獨特的屬性組合，包括高強度、高韌性，在熱機循環(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，熱機循環(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

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圖1鎳基單晶的生長和微結構示意圖歷史上，這曾經(jīng)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單晶鎳基合金的渦輪機葉片的開發(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高溫性能的鎳基單晶合金被開發(fā)出來。通過調整合金成分來優(yōu)化其體積分數(shù)、組成、形態(tài)以及Ni3Al金屬間化

6、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——包含了8~10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（ReWRu）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。例如：液態(tài)金屬冷卻法（圖1e）。同時，構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

7、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(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使，一種用于加快合金發(fā)展的快速數(shù)據(jù)驅動方法首次出現(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上