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在航空航天领域,没有容易的解决途径(发动机合金设计篇)
王强 2016-08-12
导语

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。本文译自Nature Materials官网7月22号聚焦航空航天材料的一期议题。

编者按:本文转载自材料牛网站;授权转载。

引语: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。Nature Materials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Tresa M. Pollock、布朗大学Nitin p Padture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%,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°C,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%~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,这些新材料往往需要10年的发展期来建立新的生产路径才能最终影响商业发动机。TiAl基金属间化合物合金就是克服了这一挑战的实例——TiAl基合金的密度为3.9 g cm–3,它是多晶镍基合金(≈8.5 g cm–3)在冷却器、低压涡轮部分的理想取代物。该化合物从20世纪50年代开始成为电子显微镜的研究主体,经历了在20世纪70年代的合金化和性能的研究,20世纪80年代商业合金和工艺的开发以及1993年第一次引擎测试,终于在2012年进入商业服务(GEnx用于波音787客机),两阶TiAl扇叶的引进降低了400磅机身重量。

回首这一过程,各种各样的原因最终导致了这一材料的发展道路如此漫长。首先,这些合金的拉伸延展性极低(通常在1 - 2%的范围内),这需要设计一个全新的发动机框架来适应这些半脆性材料的开发。其次是化学相关相变的复杂性以及由实验驱动的机械和物理性能的优化方法所带来的挑战。第三,需要开发与在液体状态下具有高度反应性以及在室温下具有相对脆性的材料相应的加工、制造和引擎装配路径。最后,在承担了材料这些特性所引起的花费后,还避免不了第一次商业化所带来的风险。在汲取前人许许多多的经验教训后,未来的金属间化合物进入引擎障碍可能会更小一些。

计算的参与 显著降低了开发新型结构材料的时间和成本

首先是材料数据库的出现,包括(I)丰富、高密度的实验数据库(如上文提到的镍基单晶),(II)用于多组分系统热力学和动力学计算的数据库,(III)通过自动化的第一原理性计算得到的材料属性动态数据库。例子包括著名的CALPHAD数据库和最近的Materials Project数据库(目前包含约65000种无机化合物及其43650种能带结构,2270种化合物的弹性张量)。这种知识的快速扩张几乎不用花费太多时间来探索更高维度的组成空间,从而加速新材料的研发。例如,分别在2006年(CALPHAD评估期间)和2015年发现的三元Co–Al–W和四元Co–Al–Nb–Mo立方L12金属间化合物。数据库拉开了一个全新的高温结构材料发展序幕,它们的高温性能有望比镍基合金更强。对于新型的Co体系,新兴的计算工具能够快速地搜索多维空间中最有前景的维度。如图2所示,密度泛函计算已经广泛用来选择主要的合金添加物,从而最大限度地提了Co–Al–W的稳定性和体积分数。更有趣的是,这些计算表明:与Ni基系统不同是,Re并不能为Co–Al–W体系提供显著的强化。另外与前几代镍基合金的早期探索相比,计算工具的广泛使用可以帮助大多数的金属体系减少3~5倍的探索时间。而计算工具集成的扩大可以对高阶成分空间做出更为系统探索,这就有机会揭示更多有前景的材料。

图2 新型Co基单晶合金。密度泛函理论计算可用来计算热力学稳定性和损坏能量。

计算能力的快速提升也构建了多重物理量的仿真模拟,使其能够预测在纳米尺度、微观尺度以及中尺度下的传输、结构、缺陷及性能。这同时也进一步构建了其他相关现象的模拟,包括扩散、凝固、热加工和超塑成形操作,以及相形态演变和晶粒结构。然而,对于材料可塑性的模拟仍然是一个重大的挑战,这是由于它们预测三维块体(特别是在多相材料)中塑性变形的能力有限,因此无法对位错动力学进行准确的仿真。

发动机制造的首要目标是将新兴的预测工具在尺寸和时间上进行整合,使其对性能预测的可信度能达到飞机发动机中安全关键材料的预测标准。稳健的同质化体系以及不确定性量化是属性预测基础的关键要素。保持实验与理论/建模之间强大的反馈路径对于模型以及提供建模所需信息的关键实验具有重要的指导性意义。这也是当前许多研究的动机,可以粗略地归纳为综合计算材料(科学)和工程(ICME或ICMSE)。

先进的表征手段必不可少

对于飞机发动机所用材料来说,性能预测的期望置信度通常要高于95%,对于某一特定成分的局部区域需要在三维方向上有统计学意义地测量组织结构信息。现今,随着体层摄影技术的的巨大进步,我们能够获得更大范围的三维数据信息。这包括原子级别的探针、纳米级的聚焦离子束、实验室规模的X射线同步辐射源以及基于自动控制的飞秒激光器等一系列部件。与飞机引擎材料(图3)相关的就包括镍基合金的发动机圆盘上原子探针数据集、晶粒尺度大小的飞秒激光三波束数据集以及单晶凝固前沿树枝状结构的自动分段系列数据集。与第一性原理计算相比,变形和流体流动模型输入断层成像数据也显示出相同的结果。如图3所示,三维数据信息可以直接通过网状图来表示随后的热流量,力学或流体计算结果,或者通过结构特征的数据分布模拟出其虚拟实例以便于进一步分析。这类模型正在迅速发展,在不需要大规模的实验表征的情况下,将为我们的能力来预测的特性图谱带来巨大的进步。

图3 层析成像数据集和对应的模化使用。

材料微观尺度的塑性变形决定了镍基合金涡轮部件和以钛合金为主的压缩机部件中的许多关键机械性能。新型数字图像修正技术可以用于纳米尺度的标记和修正样品的移动以及扫描电镜的电磁透镜偏转,以便进行局部变形过程的原位检测及其对微观结构的依赖性研究。图4显示了镍基和钛基合金材料在单向循环应力加载条件下的局部应变对组织结构的影响,这两种合金分别用于引擎的涡轮圆盘以及压缩机部件中。这些信息可以促进替代材料的加工工艺的发展,如改变组织结构和引入更多有利于塑性变形。获得更多复杂塑性变形模型的细节信息可以使有限元分析更加具体化,而这在目前仍然是一个巨大挑战。然而,作为实验性、计算性和大数据性的工具能够让我们在获取信息的能力在时间和空间上不断丰富成熟。预计,全新的材料和制造工艺将被以更快的速度和更低的成本部署到引擎的生产过程中去。

图4  在SEM下可得到应变谱图,显示晶粒边界处有应力集中。

针对具体工程应用,需要考虑的还很多

镍基单晶材料是目前发动机中关键旋转组件领域中最耐高温的材料,可承受最高达1100°C,局部甚至达1200°C。值得注意的是,当达到此温度的90%左右时,材料就会出现熔化。新型陶瓷热障涂层(TBCs)的加入,可在一定程度上提高高温合金的承受温度,不过由于基体和涂层在弹性性能和热学性能方面存在的本质差异,界面层材料需要谨慎选择,不断提高性能。一般来说,涂层和合金基体的界面采用金属和高铝含量金属间化合物相的混合物,它们除具有较好的机械性能外,还可以通过形成一层Al2O3层来阻止氧扩散进入基体。目前这种结合涂层还不能承受很高的高温强度,新型结合涂层组份正在研究开发之中。

除此外,拥有更高熔点的新型基体材料也是人们所需求的。上文提到的新型钴基材料的熔点相比镍基材料有望高出100°C ~150°C ,并且有着现有供应基础的额外优势。拥有更高潜在熔点的材料还包括基于Mo和Nb的耐火合金以及陶瓷基复合材料(CMCs)。这些材料同样拥有独特力学和环境性能,如有限的低温拉伸韧性以及优异的高温氧化性能,不过多多少少都存在加工等方面的巨大挑战。结合先前脆硬钛铝金属间化合物的设计、多层设计方法以及目前正在开发中的先进ICMSE工具,这些材料体系发展如何,现在还为时过早。

铌基体系也有不小优势,其相对较低的密度(纯铌:ρ = 8.56 g cm–3),原位合成复合材料的能力强。如成分为Nb,19Ti, 4Hf, 13Cr, 2Al, 4B, 16Si (at%)的合金,其拥有一系列混合物包括固溶强化相如Nb、铌的硅化物Nb5Si3、莱维氏相Cr2Nb。尽管这些Nb-Si合金的蠕变性能超过其他Nb基单晶,从而获得一系列平衡性能(包括韧性和氧化性能),但其加工工艺还面临着巨大挑战。对于Mo系材料,三元的Mo–Si–B多相合金最值得研究。这一合金包含了耐高温的三元金属间化合物 Mo5SiB2(T2),MoSi3(T1)以及固溶强化体心立方Mo相。在目前工程应用中的镍基合金通常包含铝元素,其可以在升温过程中选择性的氧化从而形成一层致密的氧化铝层。而在更高的温度区间是Nb、Mo以及陶瓷基体一起作用,此时Si添加物更为理想,因为1300°C时Si的氧化速率常数与铝相比更低。

发动机的前端是是直径超3米,长度接近1.5米的几何形状复杂的风扇,需要低密度高韧性的材料来承受飞机在跑道或飞行中的各种冲击力。在很长时间里,不管是实心叶片或者超塑型成型的空心叶片,一直都是使用钛合金制造。近年来,新材料和各种杂化金属-复合结构材料都有着重大创新发展,这些材料可以承受极其严苛的环境考验,新型的叶片可以被包含在引擎内部,以避免遇到灾难性的破坏。碳纤维环氧树脂复合材料不仅可以极大的减轻机体重量,还可以与钛或新颖铝-锂合金复合来提高其使用寿命。

增材制造技术不失为一把利刃

随着机械、航空和涡轮部件热学设计的计算工具的不断优化,开发几何形状更加复杂的引擎部件逐渐成为可能。另外,金属材料粉末冶金成型也极大促进了增材制造(3D打印)工艺的发展,包括熔炼、激光直接烧结以及选区烧结、送粉工艺以及丝熔化沉积等工艺。层层累积之增材制造技术允许从3D设计最终一次成型,制造几何形状更为复杂的部件,且节约材料。激光打印GE LEAP引擎的燃油喷嘴可以减少其25%的重量,并将配件数量由18个减少到1个。
目前的挑战主要在于证实工艺的完整性以及准确预测在苛刻环境下金属部件及发动机的安全性要求。此外,收集分析大型传感器数据、新型非结构性破坏评估,还需要进一步提高来保证结构与性能的完整性和可再生性。

图5 利用电子束3D打印钛合金(Ti-6Al-4V)的结构及缺陷示意图。晶粒结构(a)、质地(b)和缺陷含量(c)与制造高度有很大关系。

总结

总体来说,金属材料拥有优异的机械和热物理学性能组合,在未来很长一段时间仍然是飞机发动机以及与之相类似的先进能源生产和推进系统的主要材料,特别是安全关键性的旋转涡轮以及压缩机部件(如涡轮风扇叶片)。

1) 苛刻的服役环境是挑战,不过另一方面也不断促进材料的多层化、复合化设计以便获得更多的功能;
2) 有益于开发、设计、表征和性能预测的新型工具的出现能极大促进和加速新金属和金属间化合物材料体系的研究发展进程;
3) 工艺创新(例如之前制造涡轮叶片的单晶生长工艺)以及增材制造技术的研究工作也将不断地影响这些领域的飞速发展。

本文主要译自Nature Materials官网7月22号聚焦航空航天材料的一期议题。

文献链接:

Tresa M. Pollock, "Alloy design for aircraft engines," Nat. Mater., 2016, DOI: 10.1038/nmat4709

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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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