【簡介：】因?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)上面體現(xiàn)出來的，都是人類工業(yè)文明的巔峰技術(shù)，目前世界頂級的航空發(fā)動機(jī)，被譽(yù)為“人類工業(yè)文明皇冠上的明珠”不是沒有道理的，在這里就和大家簡單從航空發(fā)動機(jī)的材

因?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)上面體現(xiàn)出來的，都是人類工業(yè)文明的巔峰技術(shù)，目前世界頂級的航空發(fā)動機(jī)，被譽(yù)為“人類工業(yè)文明皇冠上的明珠”不是沒有道理的，在這里就和大家簡單從航空發(fā)動機(jī)的材料方面來說一下航發(fā)的制造難度，首先先問大家一個問題，你們知不知道航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部工作環(huán)境最惡劣的是哪里么？是渦輪，為什么這么說？主要有兩點(diǎn)，一是渦輪需要承受很高的溫度，二是同時還需要承受極大的離心力，這個離心力有多大？十幾噸以上，因?yàn)楹桨l(fā)在工作時，渦輪的轉(zhuǎn)速高達(dá)10000~20000轉(zhuǎn)/分鐘，所以在這種高速轉(zhuǎn)動下，每一片渦輪葉片需要承受非常大的離心力。下圖中的就是航發(fā)里面的渦輪葉片：

▲沒有巴掌大的渦輪葉片

當(dāng)航空發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，像圖中這個還沒有一個巴掌大的渦輪葉片，就需要承受十幾噸以上的巨大離心力，以及上千攝氏度的高溫，而這種惡劣的工作環(huán)境所帶來的就是，每一片這種小小的渦輪葉片，都可以產(chǎn)生數(shù)百馬力的功率，或許大家對這個數(shù)據(jù)沒什么概念，我舉個例子吧，大家平時開的普通小轎車，其發(fā)動機(jī)功率大概在100~150馬力左右，而即使是那些使用2.5T或者3.0T發(fā)動機(jī)的轎跑、SUV等汽車，它們的發(fā)動機(jī)功率也不過300~400馬力。所以，對于航空發(fā)動機(jī)來說，里面還沒有一個巴掌大的渦輪葉片的輸出功率就已經(jīng)比大部分的汽車發(fā)動機(jī)要大了，至于整個航空發(fā)動機(jī)的功率，比如那些大型客機(jī)上面的航發(fā)，它們的功率則是可以很輕松就達(dá)到數(shù)萬馬力，還是舉個例子，現(xiàn)階段推力最大的航發(fā)GE90系列航空發(fā)動機(jī)，功率就超過了10萬馬力。

▲GE90-115B發(fā)動機(jī)

而跟渦輪推力有密切相關(guān)的就是發(fā)動機(jī)的“熱效率”，所謂的熱效率，就是指在渦輪的尺寸大小保持不變的情況下，噴射在渦輪上的高壓燃?xì)鉁囟鹊脑礁?，其產(chǎn)生的推力就越大，大概有這么一個規(guī)律，高壓燃?xì)獾臏囟让刻岣呒s55℃，渦輪的推力就可以提高10%。所以，想要提高航空發(fā)動機(jī)的推力，那么就需要盡可能的提高高壓燃?xì)獾臏囟龋@樣一來，就導(dǎo)致現(xiàn)在的航空發(fā)動機(jī)里面的渦輪葉片需要承受的燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1600℃（舉個例子，“陣風(fēng)”上面的M88發(fā)動機(jī)的渦輪溫度約為1590℃），而在這種高溫、高壓、高振動的極端環(huán)境面前，用來制造渦輪葉片的材料要求是非常之高的，通常是使用錸、鈷和鉻的鎳基高溫合金，同時還需要通過單晶（SC）和定向凝固（DS）生產(chǎn)工藝來盡可能提高渦輪葉片在極端環(huán)境下的抗蠕變性能。

▲各種晶體結(jié)構(gòu)對比圖

接著再來簡單說一下什么是單晶體結(jié)構(gòu)材料，這種材料又有著怎樣的性能優(yōu)勢？首先，在自然條件下，合金的結(jié)構(gòu)是“小顆粒型”的，這種顆粒狀的東西就叫做“晶粒”，而在晶粒和晶粒之間又普遍存在著“界限”，這種界限就叫做“晶界”，如上圖中的普通等軸晶體和圓柱形晶體所示，注意看圓圈中放大的部分，就是“顆粒狀晶粒”和“柱狀晶?！敝g的晶界。而這個晶界在高溫條件下又是非常脆弱的，所以高溫環(huán)境中金屬的抗疲勞性、抗蠕變性會變差，因此，想要提高金屬材料的整體性能，就需要消除這些脆弱的晶界，而前面說到晶界就是晶粒和晶粒之間的界限，所以只要使材料成為一個完整的“大塊晶?！?，即不存在顆粒狀晶粒的情況下，晶界也就不復(fù)存在了，這個完整的“大塊晶?！币簿褪巧蠄D中的單晶體結(jié)構(gòu)了，它是一個整體，內(nèi)部不存在晶界，所以，單晶體材料在高溫環(huán)境下有更好的抗疲勞性和抗蠕變性?！鴰嵴贤繉樱═BC）的渦輪葉片

除了通過單晶生產(chǎn)工藝（SC）來提高金屬材料在高溫環(huán)境下的抗蠕變性和抗疲勞性之外，還有一種提高渦輪葉片抗高溫性能的技術(shù)就是給它覆蓋一層熱障涂層（TBC），這個TBC工藝的目的就是加強(qiáng)金屬材料在高溫環(huán)境中的抗腐蝕性和抗氧化性，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境溫度越高，材料的抗腐蝕性和抗氧化性要求也就越嚴(yán)格。所以，從上世紀(jì)70年代開始，在航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片就開始使用這種熱障涂層（TBC）工藝了，最開始的隔熱涂層材料是鋁化物，到了后面80年代，效果更好更先進(jìn)的陶瓷隔溫涂層開始面世。而這些熱障涂層可以屏蔽100~200攝氏度左右的燃?xì)鉁囟?，所以加了這些熱障涂層的渦輪葉片，它們的承受高溫能力就上了一個臺階，在一些極端條件下，這種隔熱手段理論上可以把渦輪葉片的使用壽命提高一倍?！鴽_擊冷卻原理見圖

最后一點(diǎn)，其實(shí)想要提高渦輪葉片材料的耐高溫性能，僅僅有熱障涂層（TBC）以及單晶工藝（SC）也是不夠的，為什么？因?yàn)闇u輪材料本身可以承受的極限溫度也就是1100℃左右，即使有了熱障涂層可以隔絕100~200℃左右的燃?xì)鉁囟?，也不過是把渦輪葉片的極限承受溫度提高到1300℃這個級別，而前面已經(jīng)說了，現(xiàn)代的航空發(fā)動機(jī)渦輪溫度可以高達(dá)1600℃。所以，想要保證渦輪葉片能夠在1600℃甚至以上的極限高溫環(huán)境中正常工作，就必須還要有其他的輔助手段來提高其耐高溫性能，這些手段包括沖擊冷卻、氣流冷卻、氣膜冷卻等，不過大同小異的是，這些冷卻手段的共同點(diǎn)就是都得在渦輪葉片的內(nèi)部勾勒出復(fù)雜的氣動通道，通過空氣對流來帶走一部分熱量。這里簡單說一種冷卻方法，像沖擊冷卻，該冷卻手段通常用于渦輪熱負(fù)荷較高的區(qū)域，比如葉片的前端，通過高速氣流撞擊葉片內(nèi)表面，產(chǎn)生冷熱空氣對流，帶走一部分熱量，以此提高渦輪葉片的高溫承受能力，而且這種冷卻方式相對于與常規(guī)氣流冷卻手段來講，可以允許通過更多的熱量傳遞。

▲測試中的軍用F135-PW-100發(fā)動機(jī)

因此，正是因?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)的研發(fā)和制造難度非常大，所以現(xiàn)在全世界范圍內(nèi)有資格在這個領(lǐng)域立足的國家也沒多少個，尤其是在對減重和綜合性能要求更高的軍用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，更是屈指可數(shù)，因?yàn)檐娪煤桨l(fā)是一種小涵道比發(fā)動機(jī)，而民用客機(jī)上的則是大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，其推力主要來自渦輪帶動渦扇，所以，燃?xì)鉄嵝蕦u輪葉片推力的影響沒有那么明顯，這么說吧，全世界能造大推力軍用航發(fā)的國家就4個，分別是美英俄中，為什么沒有法國？因?yàn)榉▏钚碌腗88發(fā)動機(jī)是中推，至于德日等國，不好意思，入不了門，日本汽車發(fā)動機(jī)是很厲害的，但是軍用發(fā)動機(jī)就算了，別說航空發(fā)動機(jī)了，坦克發(fā)動機(jī)日本都造不好，反正爬個坡都會爆缸。