燃?xì)廨啓C高溫材料的未來

燃?xì)廨啓C是高材料標(biāo)準(zhǔn)的重要工程。如“新材料如何改善燃?xì)廨啓C”中所述，這些發(fā)動機需要使用某些已知的性能最高的材料，以實現(xiàn)更高的效率。通常，提高工作溫度是提高效率的最重要因素，為此，需要使用新材料。在本文中，我們將更深入地研究目前正在探索用于燃?xì)鉁u輪機未來的各種高溫材料。

盡管發(fā)動機的不同部分使用了多種材料（圖1），但在考慮用于燃?xì)廨啓C的新材料時，我們會多次考慮葉片，因為它們是要求最佳材料性能的部件。它們高速旋轉(zhuǎn)。因此，它們需要承受較高的機械負(fù)載，并且需要在超過1000°C的溫度下工作。挑戰(zhàn)在于制造能夠在很大的溫度范圍內(nèi)保持高機械阻力的材料。此外，渦輪葉片的復(fù)雜形狀需要使用易于制造的材料。

通常，高溫合金材料具有足夠的機械性能，但是在高溫下，它們?nèi)菀滓蛉渥兌冃?，并且氧化成為問題。另一方面，在高溫下具有極好的抗氧化性的材料（例如陶瓷）通常對于渦輪機的要求來說太脆。

為了解決這個問題，科學(xué)界提出使用由兩種或多種具有不同特性的成分形成的復(fù)合材料。結(jié)果是可以同時具有耐高溫和良好機械性能的材料。金屬基復(fù)合材料（MMC）就是這類材料之一，它們具有韌性金屬基體，上面分布有耐高溫顆粒或纖維。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）也是一種替代選擇，特別是由于它們的重量輕。

燃?xì)廨啓C用高溫材料

圖1當(dāng)前用于燃?xì)廨啓C不同部位的材料（Engine Alliance GP7000）[1]。

金屬基復(fù)合材料（MMC）

在MMC系列中，具有金屬間相的金屬合金是燃?xì)廨啓C高溫應(yīng)用中最有希望的解決方案。存在多種可應(yīng)用于渦輪機的不同類型和不同部分的合金。

近年來，具有硅化物顆粒的鉬基合金受到了廣泛的關(guān)注，目前正處于最新的發(fā)展階段。鉬由于其高熔點（2617°C）而引起了人們的關(guān)注，并且由道格拉斯·貝奇克[2]于90年代率先開發(fā)的Mo-Si-B合金有望在發(fā)動機中以比當(dāng)前材料高得多的溫度運行[3]。這種合金在高溫下具有非常好的性能。矛盾的是，在低溫下，隨著變脆，會出現(xiàn)問題。這種脆性還給將材料加工成正確的形狀帶來了其他挑戰(zhàn)。

燃?xì)廨啓C中的高溫材料

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機用于海上油氣中央處理平臺。

                              燃?xì)鉁u輪發(fā)動機用于海上油氣中央處理平臺。

正在探索將許多其他MMC應(yīng)用于不同零件和種類的燃?xì)廨啓C。鈮或are是與鉬相似的金屬，也可以與硅或鈷合金化以形成MMC，并且可能在特定情況下使用[4,5]。

鋁化鐵（Fe-Al）基合金是在較低溫度下工作的零件的更便宜和更輕的選擇，也可用于蒸汽輪機。它們可以替代在溫度高達(dá)1000°C的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用的不銹鋼[6]。硅化釩合金還可以在高達(dá)1000°C的溫度下提供高強度甚至更低的密度[7]。鈦合金具有優(yōu)異的機械性能，可廣泛用于航空航天，石油化工和生物醫(yī)學(xué)行業(yè)。

另外，由于它們對各種加工參數(shù)的良好響應(yīng)，它們已經(jīng)通過增材制造進(jìn)行了加工[8]。諸如碳化鈦和硅化鈦的金屬間化合物已被認(rèn)真考慮用于要求低密度的應(yīng)用中，例如航空航天業(yè)，并且鋁化鈦已經(jīng)在商用飛機發(fā)動機的某些零件中使用。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）

CMC已進(jìn)行了數(shù)十年的研究，現(xiàn)在將出現(xiàn)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的高溫部件中。它們具有耐高溫和良好的機械性能。但是，由于它們的重量輕，僅為當(dāng)前鎳基超級合金重量的三分之一，所以它們特別有趣。此外，陶瓷被用作隔熱涂層（TBC），從而增加了對環(huán)境隔熱涂層（EBC）的抵抗力。

基于碳化硅（SiC）的CMC已經(jīng)可以用于商用飛機發(fā)動機，例如LEAP噴氣發(fā)動機和GE9X發(fā)動機。目前，它們用于噴嘴或護(hù)罩，它們是不要求具有高機械性能的零件，但很快它們也可能被引入葉片中[9,10]。SiC基CMC的挑戰(zhàn)之一是它們對燃燒環(huán)境的脆弱性。但是，基于共晶CMC的替代品已經(jīng)在開發(fā)中（圖2）。

高溫材料的未來

圖2燃?xì)廨啓C中使用的材料，涂層和冷卻系統(tǒng)的演變以及CMC在未來的功能[11]。

最后的想法

材料科學(xué)界正在開發(fā)各種用于燃?xì)廨啓C的材料。該品種將使工程師能夠為不同類型的燃?xì)廨啓C或發(fā)動機的每個零件選擇具有定制性能的材料，從而使其更加靈活，高效。此外，新型耐高溫材料將具有更高的整體性能，從而減少對環(huán)境的影響和運營成本。