實現航天夢 這些材料不可或缺！

近年來，隨著我國航空航天事業的蓬勃發展， “航空航天熱”不斷升溫。恰逢“長征七號”火箭成功發射之際，這股熱浪再次升溫，“航空航天”也成為了人們日常討論的話題，似乎每一個國人心中都有一個“航空航天夢”，這個夢想如影隨形，深埋心底。

作為航空航天工業的基礎，材料工業的發展決定著國防工業所能攀爬的高度，所謂的“一代材料，一層高度”是航空航天科技圈的真實寫照。

通常條件下，航空航天飛行器是在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作，除了依靠優化的結構設計之外，更主要的是依賴于材料所具有的優異特性和功能。由此可見，航空航天材料在航空航天產品發展中的具有極其重要的地位和作用。

單從飛行器在優化結構設計方面講，航空航天產品在追求輕質和減重方向上可以說是斤斤計較，甚至是說成“克克必爭“都不為過。比如對航天飛機來說，每減重1kg的經濟效益將近十萬美元。下圖就是飛行器每減重1kg所取得的經濟效益與飛行速度的關系。

減輕結構所得經濟效益（相對值），飛行器每減重1kg后所得經濟效益與飛行速度的關系

要想實現飛行器的減重，除了優化結構設計外，最主要的途徑是采用新型材料及改型材料。從圖中就可以看出，隨著科技的發展，新型材料和改進型材料與主動載荷控制、顫振抑制、自動化設計及先進結構概念等相比，在飛行器結構減重中占有主導地位，也正因為這個原因，材料的比強度，比模量等這些概念在航空航天領域具有更為重要的現實意義。如我們常見得到鈦合金，金屬復合材料等都是高強輕質材料，很受航空航天領域的青睞。

新型材料及改進型材料在軍機結構減重中的重要性及發展趨勢

對于航空航天飛行器而言，除采用高強輕質合金外，制約其產品性能的另一類關鍵材料是高溫材料。以飛機蒙皮為例，現在航天飛機的蒙皮溫度高達1000℃，而航空發動機渦輪葉片承受的溫度高達2000℃。因此，為了支撐航空航天產品在高溫下的工作要求，許多新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳/碳及各種復合材料正在加速發展之中，目的就是降低飛行器的結構重量，提高飛行器的結構效率、服役的可靠性及延長使用壽命。

但是，隨著近年來在航空航天產品設計中引入損傷容限設計的概念，對材料的韌性提出了更高的要求，這難免會造成用犧牲材料強度來換取材料更高的韌性，以確保航空航天產品的高可靠性、高耐久性和長壽命。尤其是對于航空航天動力裝置而言，更是提出了更高的要求，即超高溫或超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件。為了滿足上述諸多苛刻的工作條件，我們必須最大程度的挖掘結構材料的潛力。現在，滿足使用條件的結構材料包括有新型高溫合金和高溫鈦合金、金屬間化合物及其復合材料、熱障涂層材料、金屬基復合材料、陶瓷基和碳/碳復合材料等。

單晶高溫合金

單晶高溫合金在950-1100℃ 溫度范圍內具有優良的抗氧化、抗熱腐蝕等綜合性能，成為高性能先進航空發動機高溫渦輪葉片的主要材料。我國研制了 DD402、DD406等單晶合金。其中第一代單晶合金DD402在1100℃ 、1300ＭPa應力下持久壽命大于100h ，適合制作工作溫度在1050℃以下的渦輪葉片，是國內使用溫度最高的渦輪葉片材料；第二代單晶合金DD406含2%Re，使用溫度可達800-1100℃ ，正在先進航空發動機上進行使用考核。

鎳基超合金

鎳基超合金具有良好的高溫蠕變特性、高溫疲勞特性以及抗氧化、抗高溫腐蝕等綜合性能，滿足了高推重比先進發動機的使用要求。為了使渦輪機葉片能夠承受遠超過Ni熔點的溫度，除了升高Ni基超合金的使用溫度外，還在基體表面涂敷絕熱層 （TBC），以及采取冷卻措施等降低基體溫度。CMSX-10、Rene N6等含Re為5%-6%的第３代單晶體Ni基超合金，其使用溫度達到1050℃ 。近年來美國通用電氣公司（GE）、法國史奈克馬公司（SENCMA）和日本國家材料科學研究所（NIMS）開發了第4代單晶體Ni基超合金，該合金不僅添加了Re，還添加了2%-3%的Ru，以提高合金組織的穩定性。 NIMS?研制了第 5?代單晶體Ni 基超合金，在第 4?代合金的基礎上增加了 Ru 含量，使合金的耐用溫度達到 1100℃ 。

等軸晶，柱狀晶，單晶

金屬間化合物

金屬間化合物是近幾十年來研究的一類前景廣闊、低密度的高溫材料。目前，金屬間化合物中熔點超過1500 ℃的就有 300多種，其中 Mo₃Si、 Re₃Nb、 W₂Hf_２等金屬間化合物的熔點都超過了2000℃ 。近年來Ti-Al 和 Ni-Al系材料的力學性能及應用研究取得了令人矚目的成就。

難熔金屬材料

難熔金屬（ W、Re 、Mo、Nb等）及其合金具有高熔點、耐高溫和強抗腐蝕能力等優點，應用于固液火箭發動機和航天發動機等場合。其中研究和應用最多的主要是 W、Re 、Mo、Nb等金屬。

金屬陶瓷材料

金屬陶瓷是介于高溫合金和陶瓷之間的一種高溫材料。碳硅化鈦（Ti₃SiC₂）是其中研究最多的一種材料，具有耐高溫、抗氧化能力強、強度高、熱穩定性高的特點，又具有金屬材料的導電、導熱、可加工性、塑性等優異性能，是一種綜合陶瓷材料。碳硅化鈦在1200-1400℃ 高溫下，強度比目前最好的耐熱合金還高，又易加工，故完全可作高溫結構材料用，其高溫強度與抗氧化、抗熱震等性能優于 Si₃N₄ ，有可能用于未來航空發動機制作導向葉片或渦輪葉片。

金屬基復合材料

金屬基復合材料與傳統金屬材料相比，具有更高的比強度、比剛度、耐高溫和結構穩定性等優異性能。鈦基、鈦鋁化合物基和高溫合金基復合材料耐溫能力較強，是航空發動機中溫（650-1000℃）部件的候選材料。

陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料具有密度低、耐高溫、高熱導率、高彈性模量等優異的物理性能，并能在高溫下保持很高的強度、良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率，對減輕發動機渦輪葉片質量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大，是高溫領域最有前途的材料。在2000℃ 以上氧化氣氛中可用的候選材料主要是碳化物和硼化物。

樹脂基復合材料

樹脂基復合材料憑借比強度高、比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好和阻噪能力強等優點，在航空發動機冷端部件（風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等）和發動機短艙、反推力裝置等部件上得到了廣泛應用。樹脂基復合材料已經發展到了耐溫 450℃ 的第四代聚酰亞胺復合材料，形成了從 280-450℃ 涵蓋四代的耐高溫樹脂基復合材料體系。

防護涂層

目前，對于鎳基高溫合金而言，主要使用的防護包括擴散涂層、包覆涂層、熱障涂層及新型高溫涂層。

航空發動機對航空材料發展的需求目標和重點

?液體和固體火箭發動機材料的需求

從前面列舉的航空航天材料可以看出，先進航空航天產品構件越來越多地采用高性能的新型材料以滿足日益提高的性能要求，特別是在承受高溫的構件方面，以金屬間化合物、高溫合金、單晶合金、難熔合金及先進陶瓷材料等為代表的新型材料扮演了日益重要的角色。

當代高性能固航空及航天發動機的主要特征是“高能-輕質-可控”，三者互相關聯，而且是以材料和工藝技術為基礎集成起來。先進的材料及新工藝的全面應用是提高航空及航天固體火箭發動機性能的一項決定性因素。

航空航天未來發動機用材的預測(NASA)

美國航空航天局對先進航空發動機用材趨勢的預測，可以看出，到2020年Ti基復合材料、TiAl及Ni、Fe基金屬間化合物、陶瓷復合材料，難熔合金與Ni基高溫及單晶合金等將占發動機用材料的百分之八十五左右，其中相當一部分關鍵高溫構件要采用凝固和塑性加工制備。就以TiAl基合金來說，GE公司宣布，波音787選用的GENX發動機低壓渦輪后兩級葉片采用TiAl合金可減重200公斤，下表為GE公司TiAl基合金的應用情況與發展計劃。

GE公司等TiAl基合金的應用情況與發展計劃

?2011-2020年我國先進材料與熱工藝技術發展重點

我國在航空航天領域，到2022年，先進材料與熱工藝技術發展重點計劃中也將高性能TiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開發的重點。

編輯：窗前聽雨

參考：科學網

張鵬等，航空發動機用耐高溫材料的研究進展；

高巨龍等，復合材料發動機殼體在航天運載中的應用。