摘要：金属材料是先进航空发动机的基础。尽管人们认为金属材料领域已发展成熟，但新出现的计算、实验和加工创新技术，正在拓宽未来先进推进系统中新型金属材料的发现与应用范围。作为 20 世纪重大工程成就之一，喷气发动机是技术最为复杂的工程平台之一，自其诞生以来，材料创新就一

长三角G60激光联盟导读

金属材料是先进航空发动机的基础。尽管人们认为金属材料领域已发展成熟，但新出现的计算、实验和加工创新技术，正在拓宽未来先进推进系统中新型金属材料的发现与应用范围。作为 20 世纪重大工程成就之一，喷气发动机是技术最为复杂的工程平台之一，自其诞生以来，材料创新就一直是推动其发展的关键因素 。自 1980 年以来，商业航空公司的客运量增长了约 500%，2015 年运送旅客超过 35 亿人次 。这些客机的发动机消耗了 1800 亿美元的燃料，并且运行可靠性极高 。预计在未来 20 年，将生产超过 38000 架新飞机 。除了安全性和可靠性，燃油效率和低排放是未来推进系统的首要考虑因素。这些需求，再加上需要在更短的工程筹备时间内设计和部署新发动机，促使人们研发具有更高熔点、更高强度、更低密度和更好耐用性的新材料，并且要能够快速开发，同时确保对其性能和表现有十足的信心。

当前商用飞机发动机的重量通常在 2000 到 8500 千克之间（参考文献 4、5），其中金属材料占发动机重量的 85% - 95% 。金属材料之所以占据主导地位，是因为其具备独特的性能组合，包括高强度和高韧性，在热机械循环下具有出色的抗退化能力，以及在发动机运行过程中遇到的强氧化和腐蚀性恶劣环境中拥有良好的表面稳定性。热力学循环决定了气体温度和压力，因此也决定了发动机各部分适用的材料种类，从前端的风扇，到压气机、燃烧室和涡轮 。对于风扇而言，优先选择具有高韧性的低密度材料，这促使人们研发用于叶片的钛合金和聚合物基复合材料，并在外部静态结构部件中使用一些铝材料。在压缩过程中，气流温度在压气机内逐渐升高至约 700°C；该部分主要由钛合金叶片和盘组成。在燃烧室部分，高温镍基和钴基薄板合金（具有适度强度以便进行锻造加工）一直是主要的结构材料。燃烧后，气体进入高压涡轮时温度在 1400 - 1500°C 范围内，在这里，旋转的涡轮叶片承受着发动机内最恶劣的应力和温度组合。涡轮叶片是极为特殊的气动热部件，具有薄壁多层结构，能够实现复杂的内部冷却方案 。目前，涡轮叶片由单晶镍基高温合金基底构成，首先会涂覆一层抗氧化金属间化合物 “粘结涂层”，随后再涂覆一层多孔、低导热的氧化钇稳定氧化锆面层作为热障涂层。叶片连接到由多晶镍基合金制成的涡轮盘上。作为发动机中对安全性最为关键的部件之一，涡轮盘通常由粉末制成，这些粉末通过挤压和超塑性锻造进行固结和成型，以最大限度地提高强度和疲劳性能 。随着热气在涡轮中做功，温度再次降至 800°C 以下的中等水平。涡轮后部的旋转和静态部件主要由多晶铸造镍基高温合金制成。发动机轴必须具备极高的强度和抗疲劳性，通常由高强度钢或镍基高温合金组成。

飞机发动机设计融合了众多科学学科，旨在优化整个系统架构，以实现产品性能的最大化。只有当新材料能够带来显著的系统效益或支持新型发动机架构时，其研发风险才值得承担。在设计过程中，始终存在一股驱动力，即通过提高涡轮进口温度来提升效率和性能。因此，用于发动机高压涡轮部分的耐高温材料和涂层往往是研发工作的重点。从历史上看，这推动了一项著名的材料科学成果的诞生，即镍基合金单晶涡轮叶片的生长工艺得以开发 。单晶加工技术的出现（图 1a - c）使得一代代镍基单晶合金不断被研发出来，其耐高温能力也越来越强 。耐高温能力的提升得益于大量的实验研究工作，旨在调整合金成分，以优化嵌入高浓度镍固溶体基体中的 Ni3Al 金属间化合物强化相的体积分数、成分、形态以及分布（图 1d）。最终研发出一系列高度复杂的合金，通常含有 8 - 10 种主要合金元素 。例如，一种已投入使用的第三代合金 René N6，其标称成分为 57.5Ni、12.5Co、7.2Ta、6.0W、5.8Al、5.4Re、4.2Cr、1.4Mo、0.15Hf 和 0.05C（重量百分比）。另一种具有更高耐高温能力（尚未商业化应用）的更复杂合金 TMS - 238（参考文献 8），其成分为 57.8Ni、7.6Ta、6.5Co、6.4Re、5.9Al、5.0Ru、5.0W、4.6Cr、1.1Mo 和 0.1Hf（重量百分比）。随着强效难熔元素强化剂（Re、W、Ru）含量的增加，以及单晶部件尺寸和几何复杂度的提升，因难熔元素引发的对流不稳定而导致凝固过程失效的可能性增大，这促使人们开发新的 “高梯度” 晶体生长方法 。高热梯度工艺的例子包括液态金属冷却法（图 1e），即装有单晶的陶瓷熔模（图 1b）被拉至冷却室，通过循环液态金属（锡或铝）浴或惰性气体的存在来增强热梯度 。

Figure 1: Growth and microstructure of nickel-based single crystals.a–c, Bridgman furnaces (a) are used for single-crystal growth, such as for turbine blades (c) via an investment mould (b). The inset in panel c shows the typical dendritic microstructure at the millimetre scale, with strong segregation of refractory elements W and Re. d, On the micrometre scale, the single crystal is a two-phase mixture of solid-solution-strengthened face-centred cubic nickel (bright, continuous phase) and intermetallic L12 Ni3Al (dark phase). e, A close-up view of the liquid-metal cooling process in a Bridgman furnace, where the investment mould is withdrawn from a 1,550 °C hot zone into a 275 °C liquid-tin bath to maximize thermal gradient and minimize segregation.

这些单晶所含的某些元素在全球的储量、供应风险和价格都令人担忧。这其中包括钌（Ru）、铼（Re）、钽（Ta）和钨（W），它们赋予合金高温强度，在合金成分中所占比例可达 20 - 25%（重量比） 。例如，铼目前的价格为每千克 2500 美元，但在 2008 年，由于铼在飞机发动机以及新型高效发电涡轮中的使用量增加，其价格飙升至每千克 10000 美元以上。这促使人们研发低铼和无铼的单晶成分 。虽然新一代涡轮叶片材料的研发通常需要 6 到 10 年时间，但铼供应问题的紧迫性，首次推动人们采用一种以数据为驱动的快速合金研发方法，仅通过少量实验，在两年内就完成了全面鉴定 。

引入能使性能实现跨越式提升，但整体性能与被替代材料有显著差异的材料，是一个更大的挑战。这些新材料通常需要通过新颖的加工工艺生产，一般需要数十年的研发才能应用于商用发动机。基于钛铝化合物（TiAl）的金属间化合物合金就是成功克服这一挑战的新型材料的典型例子。钛铝合金密度为 3.9 克 / 立方厘米，非常适合在温度较低的低压涡轮部分替代多晶镍基合金（密度约 8.5 克 / 立方厘米）。这种化合物在 20 世纪 50 年代成为电子显微镜研究的对象，70 年代开展了合金化和性能研究，80 年代进行了商用合金和工艺开发，并于 1993 年首次进行发动机测试。直到 2012 年，钛铝合金才最终进入商业应用阶段（用于波音 787 梦想客机的 GEnx 发动机） ，通过采用两级钛铝叶片，实现减重 400 磅。该材料漫长的研发历程 是由多种因素造成的。首先，这类合金的拉伸延展性低且变化大，通常在 1 - 2% 的范围内，这就需要为这些半脆性材料开发全新的发动机设计框架。其次，其相变过程复杂且依赖化学成分，通过实验驱动的方法优化一系列力学和物理性能面临诸多挑战。第三，由于这种材料在液态时化学性质活泼，在室温下又相对较脆，因此需要开发适用于它的加工、制造和发动机装配流程。最后，这种材料本身成本较高，首次商业应用也存在风险。鉴于积累的诸多经验 ，未来金属间化合物应用于发动机的门槛可能会降低。

目前，多种因素共同作用，有望大幅缩短新型先进结构材料的研发时间并降低研发成本 ；这些发展无疑将对航空发动机材料产生积极影响。首先是材料数据库的出现，包括：（i）内容丰富、数据量大的实验数据库（如上文提到的镍基单晶数据库）；（ii）用于多组分体系的计算热力学和动力学数据库；（iii）通过自动第一性原理计算不断扩充材料性能数据的动态数据库。例如著名的 Calphad 数据库 以及较新的 Materials Project 数据库 ，后者目前包含约 65000 种无机化合物，其中 43650 种化合物有能带结构数据，2270 种化合物有弹性张量数据。人们对尚未充分探索的高维成分空间的认知快速扩展，正推动着新材料的发现。例如，三元 Co - Al - W 和四元 Co - Al - Nb - Mo 立方 L12 金属间化合物分别于 2006 年（在一次 Calphad 评估中）和 2015 年被发现 。这开启了一类全新高温结构材料的研发，这类材料相比镍基合金，可能具备更高的耐高温能力 。对于新型钴基合金体系，新兴的计算工具进一步帮助人们快速锁定多维空间中最具潜力的成分范围。如图 2 所示，密度泛函计算已被用于筛选主要合金添加元素，以最大化 Co - Al - W 金属间化合物析出相的稳定性和体积分数，并调整层错能以优化高温力学性能。这些计算有趣地表明，与镍基合金体系不同，铼在钴基合金中不会显著增强合金强度。与前几代镍基合金的早期合金探索工作相比，我们估计，这些计算工具的广泛应用可使大多数金属体系的早期探索时间缩短 3 - 5 倍。对更高阶成分空间进行更系统的研究，很可能会发现更多有潜力的材料，而不断发展的计算工具将助力对这些材料展开深入探索。

Figure 2: New Co-based single-crystal alloys.a, A transmission electron micrograph of a two-phase Co–Al–W alloy containing Co3(Al, W) precipitates embedded in a continuous face-centered cubic, solid-solution-strengthened Co matrix (bright continuous phase). Deformation at high temperature occurs by an unusual mode of precipitate shearing, creating faults in the intermetallic precipitates (indicated by the red arrow). b, Density functional theory calculations17 have been employed to calculate the relative thermodynamic stability and fault energy (both proportional to the energetic term (EL12 − EDO19)/EL12) as a function of composition of the Co3X phase, with the hypothesis that higher stability and higher fault energy will lead to high-temperature strength. Elements predicted to have a positive effect (Ta and Ti) do indeed provide the highest level of strengthening observed to date17,18. Note that Re additions would be detrimental. Part b reproduced with permission from ref. 17, Annual Reviews.

计算能力的快速提升，也让多物理场模拟成为可能，这种模拟能够预测纳米、微米和中观尺度下的物质输运、结构、缺陷及性能 。它使得人们可以对广泛的相关现象进行模拟，包括扩散、凝固、热加工、超塑性成形操作，以及相和晶粒结构的形态演变。然而，塑性变形模拟仍是一大难题，因为位错动力学模拟在预测三维体塑性变形现象（尤其是在多相材料中）方面，能力依然有限。

发动机制造商的一个首要目标，是整合新兴的跨尺度预测工具，以便在飞机发动机关键安全材料所需的置信度水平上，对材料性能进行预测。可靠的均匀化方案和不确定性量化，是性能预测体系的关键要素。在实验与理论 / 建模之间保持良好的反馈循环，对于模型的优化以及为模型构建提供信息的关键实验的指导，都至关重要。这正是当前众多研究工作的动力所在，这些研究大致可归类为集成计算材料（科学）与工程（ICME 或 ICMSE） 。

若要在所需的置信度水平（对于飞机发动机材料，通常要求高于 95%）下，针对部件内特定位置预测材料性能，就需要对微观结构进行具有统计学意义的测量，而且往往需要三维测量。如今，断层扫描技术取得了巨大进步，能够获取大规模的三维数据。这些技术涵盖原子尺度的原子探针、纳米尺度的聚焦离子束、实验室级和同步辐射 X 射线源，以及基于机器人和飞秒激光的连续切片技术 。与飞机发动机材料相关的示例（图 3）包括：镍基涡轮盘合金的原子探针数据集和飞秒激光三束技术获得的晶粒尺度数据集，以及单晶凝固前沿枝晶结构的机器人连续切片数据集。图中还展示了将断层扫描数据作为输入的并行第一性原理、变形和流体流动模型。如图 3 所示，三维数据可直接网格化，用于后续的热学、力学或流体计算；或者用于生成结构特征的统计分布，创建虚拟实例以进行进一步分析。这类模拟方法正在迅速发展，有望大幅提升我们在无需大规模实验表征的情况下，预测各种材料性能的能力。

Figure 3: Tomographic datasets and their corresponding use in modelling.a,b, An atom probe dataset (a), showing partitioning of elements between the γ and γ' phases in a Ni-based alloy, resulting in an accurate simulation cell (b) for density functional theory calculations of fault energies as a function of precipitate chemistry. c,d, A mesoscale TriBeam 3D dataset (c) of the grain structure and orientation (indicated by colour) with annealing twins in a polycrystalline Ni-based turbine disk alloy (200 μm × 250 μm × 150 μm), with (d) being an analysis showing a stress hot spot (in 50 μm3 subvolume) that is a likely fatigue initiation site. e,f, A robotic serial-sectioned single-crystal solid/liquid interface (2.3 × 2.3 × 1.5 mm; panel e), with a resulting meshed model (f) for fluid flow calculations of permeability. Parts e,f, reproduced with permission from ref. 23

涡轮部分的镍合金以及构成压气机主要部分的钛合金，其许多关键力学性能都由微观尺度下的塑性变形所决定。新型数字图像相关技术 采用纳米级标记物，并针对扫描电子显微镜中的样品漂移和透镜畸变进行校正，能够对局部变形过程及其与微观结构的关系进行原位检测。图 4 展示了材料结构对镍基和钛基合金在单调加载和循环加载过程中应变局部化的影响，这两种合金分别用于发动机涡轮和压气机中对安全性至关重要的涡轮盘。此类信息推动了替代材料加工路径的研发，这些路径可改变材料结构，并引发更有利的塑性变形模式。然而，在可用于有限元分析的本构模型中准确描述这些复杂变形模式的细节，仍是一项重大挑战。尽管如此，随着实验、计算和大数据工具在跨尺度信息传递能力方面不断成熟，预计全新类型的材料及其制造工艺将以更快的速度、更低的成本应用于发动机制造 。

Figure 4: Strain maps measured during in situ straining in a scanning electron microscope.a, In a nickel-based polycrystal (the same as shown in Fig. 3c), strains (ɛxx are strongly localized along twin boundaries (during 1% macroscopic straining of the sample). The white arrow also shows strain concentration as a slip band impinges on a grain boundary. The red arrow indicates loading direction (x). b,c, Ti–6Al–4V at a strain below the macroscopic yield point: localized strain processes are strongly influenced by grain texture (b) and deformation is very inhomogeneous (c). Part a reproduced with permission from ref. 27, Springer.

Figure 5: Structure and defects in additively manufactured titanium.a–c, Variation in fracture toughness (in units of MPa √m) (a), grain structure and texture (b), and defect content (c) as a function of build height in as-built Ti–6Al–4V samples fabricated by an electron beam additive manufacturing process. Parts a–c reproduced with permission from ref. 37, Annual Reviews.

Fig. 7: Application of the newly extended model to an industrial single-crystal turbine blade casting.

金属材料凭借其独特的力学性能与热物理性能组合，很可能继续作为航空发动机以及其他相关先进能源生产和推进系统的主要构成部分，尤其是在涡轮和压气机中对安全性至关重要的旋转部件，如涡轮盘和叶片等方面。新兴的材料发现、设计、表征和性能预测工具，将极大地提升并加速新型金属及金属间化合物体系的发现与开发进程。涡轮发动机的严苛工作环境，将愈发推动多层、多材料设计的发展，以增强部件功能。加工创新，就像早期涡轮叶片单晶生长工艺的开发，以及近期增材制造领域的实践成果一样，将持续为这些领域带来积极影响。

Fig. 8: TBCs in aircraft engines threatened with CMAS corrosion.

Fig.9 Ni-based superalloy (Inconel 718) turbine blades for jet engines produced by direct laser metal sintering, a form of metallic additive manufacturing (MAM).

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟