發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度越高，它所能輸送的功率就越大。由于鎳基高溫合金的發(fā)展和翼型冷卻技術(shù)的進(jìn)步，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在過去幾十年中顯著提高。

發(fā)動(dòng)機(jī)

    渦輪葉片是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中最熱的部件，對(duì)其使用的材料有特殊的要求，包括良好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的蠕變性能、良好的穩(wěn)定性和抗氧化性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

    鎳基高溫合金因其優(yōu)良的性能而在汽輪機(jī)葉片中得到了重要的應(yīng)用。由于鎳從室溫到熔點(diǎn)都保持面心立方結(jié)構(gòu)，因此在循環(huán)過程中不會(huì)發(fā)生因相變引起的應(yīng)力開裂。由于其擴(kuò)散系數(shù)低，因而具有優(yōu)良的抗蠕變性能。鎳金屬還具有良好的韌性和延展性。鎳基高溫合金利用了鎳和合金添加方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高了合金的力學(xué)性能和抗氧化性能。

一種鎳基合金微觀組織

February 3, 2011 by George Vander Voort

    然而，鑒于鎳的自身熔點(diǎn)和低熔點(diǎn)相的存在，鎳基高溫合金只能在1150℃以下的溫度下工作。Al2O3和Cr2O3氧化層的開裂和相對(duì)較快的生長(zhǎng)速度也顯著地增加了鎳基高溫合金在1200℃以上的氧化。

    目前，為了繞過鎳基高溫合金的工作極限，在翼型上設(shè)計(jì)了復(fù)雜的冷卻通道。機(jī)翼冷卻允許發(fā)動(dòng)機(jī)在高于鎳基高溫合金限制的溫度下工作，但顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。為了提高效率，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，新型高溫結(jié)構(gòu)材料的需求量很大。

葉片冷卻

    新型高溫結(jié)構(gòu)材料必須具有高熔點(diǎn)及高溫抗氧化性。為了滿足這兩個(gè)屬性，有人很快發(fā)現(xiàn)Mo-Si-B材料具有巨大的潛力。在Mo-Si-B中，Mo提供了理想的高熔化溫度和韌性，添加硼的硅化物提供了優(yōu)異的抗氧化性和抗蠕變性。

    事實(shí)上，Mo-Si-B早在1950就已被研究，并不斷受到廣泛的研究關(guān)注。最近的效果集中在消除有害的A15（Mo3Si）相、提高高溫下的蠕變強(qiáng)度、細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)以改進(jìn)氧化等。其它含硅化物的材料，包括鈮基、鉭基、鎢基高溫合金等，或這些高溫合金的組合也是高溫結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力。

一種Mo-Si-B材料微觀組織

2018 by Shiho Yamamoto Kamata

    除了上述新一代高溫合金，超高溫陶瓷，通常簡(jiǎn)稱為UHTC，在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域也具有十分重要的意義。由于陶瓷的脆性性質(zhì)，UHTC目前不考慮作渦輪葉片使用。然而，它們對(duì)于熱障材料的應(yīng)用，尤其是高超聲速飛行器的前緣和前錐體的應(yīng)用是相當(dāng)重要的。

    高超聲速飛行器經(jīng)歷極端溫度和環(huán)境要求材料具有高熔化溫度、高導(dǎo)熱率和良好的抗氧化性，從而保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性。

高超聲速分行器

    ZrB2-SiC等材料目前正受到這類應(yīng)用的巨大關(guān)注。ZrB2具有較高的熔點(diǎn)（3050°C）和較高的熱導(dǎo)率（約60 W（MK）-1）。由于B2O3的形成，ZrB2在1100℃以下的氧化性能也很好。

    由于形成致密的二氧化硅氧化層，SiC的加入使得該材料系統(tǒng)在高于1100℃的溫度下提高了抗氧化性。為了進(jìn)一步提高合金的抗氧化性，最近已經(jīng)研究了諸如AlN、稀土氧化物、Si、ZrO2、TaB2、TaSi2、ZrSi2、MoSi2、TaC、ZrC等合金添加劑以及石墨添加劑。

    新一代硅化物、硼化物等高溫結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展還處于初期階段。這為研究人員設(shè)計(jì)這些材料的性能提供了巨大的機(jī)會(huì)，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。

    對(duì)于這些材料，有幾個(gè)研究課題是當(dāng)務(wù)之急，包括：大量近凈成形加工；提高力學(xué)性能，特別是高溫蠕變；提高超高溫抗氧化性；減少對(duì)環(huán)境的熱腐蝕；與其他高溫合金連接和調(diào)節(jié)熱膨脹系數(shù)；工程其他物理性能，如熱導(dǎo)率；在多次循環(huán)條件下提高熱震抗性。

戰(zhàn)斗機(jī)

    參考文獻(xiàn)：Gaoyuan Ouyang. HighTemperature Structure Materials beyond Nickel Base Superalloy. Journal ofMaterials Science and Nanomaterials, 2017, 1:2.

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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