航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 七 ) 波音777|汽车

这些元素是必要的，但对蠕变强度没有帮助。在单晶结构中，没有大角度晶界发生滑动或开裂，因此速率控制机制通过位错的爬升和滑动转移回晶内流动。单晶合金也需要最少或不需要晶界强化添加剂，这也有利于蠕变强度。三种铸造空气箔的宏观结构如图29所示。
图29 三个铸造镍基涡轮叶片的宏观蚀刻照片，以显示凝固过程对晶粒结构的影响。（Courtesy Howmet Corporation提供）。
合金成分对蠕变和氧化行为也有重大影响。合金成分和铸造方法对温度性能的综合影响如图30所示。在该图中，每一代合金（例如N4至N5）都含有较高浓度的缓慢扩散耐火合金元素，这降低了蠕变速率，尤其是在单晶中。图中一个有趣的比较是N4和DS R142 ，这表明成分效应可以和颗粒结构效应一样强大。定向凝固工艺比用于制造单晶的工艺更经济，因此DS翼型仍用于要求较低的应用，如高压涡轮的第二级和低压涡轮。
合金成分对蠕变和氧化行为也有重要影响。合金成分和铸造方法对温度性能的综合影响如图30所示。在这张图中，每一代合金，例如N4到N5 ，都含有高浓度的缓慢扩散的难熔合金元素，这降低了蠕变率，特别是在单晶中。图中一个有趣的对比是N4与DS R142 ，这表明成分效应可以与晶粒结构效应一样强大。定向凝固工艺比单晶制造工艺更经济，因此DS翼型仍然用于要求较低的应用，如高压涡轮的第二阶段和低压涡轮。
图30 八种镍基涡轮叶片合金的蠕变强度比较。温度是指在相同应力下的恒定破裂时间。
这些铸造空气箔通常使用压缩机的排气进行空气冷却。现在，在空气箔表面上涂覆125μm厚的陶瓷涂层已变得司空见惯。该涂层称为热障涂层（TBC），可减少通过空气箔壁的热流，从而在发动机运行期间保持更大的气体-金属温差。现代高性能燃气轮机通常在1450–1500°C燃气轮机入口处的最高燃气温度下运行。这远高于金属容量，但由于使用空气冷却，这是可能的（图31）。
这些铸造的空气箔片通常是空气冷却使用从压缩机的引气。在空气箔表面涂上125 μm厚的陶瓷涂层已成为普遍现象。这种涂层被称为热障涂层(TBC) ，可以减少通过空气箔壁的热流，从而在发动机运行期间保持更大的气体-金属温差。现代、高性能的燃气轮机通常在涡轮进口的最高气体温度1450-1500°C下运行，如图31所示。
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图31 带有TBC的涡轮叶片的横截面，显示了TBC的柱状结构、粘结层和粘结层-基底金属界面中的扩散区。
3.结语
改进材料的可用性使飞机和飞机推进能力不断提高。综合而言，增强的材料性能、改进的材料加工方法和更高效的设计方法是现代飞机能够不间断飞行20000公里以上的原因。同时，当前一代商用飞机的噪音和排放量大大低于以往任何时候。随着现代飞机能力的增强，推进系统的可靠性也随之提高。当前推进系统的高可靠性使得双引擎飞机能够在水上长时间飞行，而这条航线以前是为三引擎和四引擎飞机保留的。这增加了相当大的客户价值。
通过新的计算方法、合金和工艺设计的建模和模拟技术的进步、用于工艺控制的新型传感装置以及根据特定应用定制材料的能力，材料的改进将继续成为可能。结构概念也将发生变化，旨在降低制造成本和减轻重量。这些包括整体加劲/iso和正交网格结构、精密结构铸件、超塑性成形零件和焊接结构。新的制造方法可能需要修改现有材料或开发有利于这些新技术的新材料。经济因素导致当前飞机的运行远远超过其原始设计寿命，从而使材料稳定性、耐腐蚀性、疲劳性能和维护程序成为最重要的问题。用于改装旧飞机或新系统的新材料评估必须包括与其鉴定相关的成本，以及飞机整个生命周期（从制造到维护）的性能和运行成本评估。
虽然本文的重点是飞机和飞机发动机，但许多信息也普遍涉及汽车。在政府和竞争压力的推动下，对提高燃油经济性的需求已经引起了人们对轻型汽车结构的高度兴趣。显然，飞机行业的任何经验都需要根据汽车行业的不同要求来看待。这些差异的核心是预期的产品寿命和成本。减轻飞机重量所增加的成本要在30年以上的使用寿命内摊销，而对于汽车来说，这更像是5-10年。这些显著差异的可能例外，以及最接近飞机要求的产品，是大型公路卡车。
就卡车而言，与飞机相比，差异较小，因为产品寿命更长，占空比更高，且固定最大重量，至少在美国是如此，这为购买更轻的车辆提供了直接的经济激励。如果政府强制执行的燃油经济性标准变得更加严格，汽车也可能出现类似情况。燃料价格正在上涨，但就其本身而言，这已证明不足以激励人们为更轻的汽车支付更多的费用。关于监管压力对产品趋势的影响的推测在历史上一直是无效的，这主要是因为监管趋势没有在正确的时间尺度上引入，也因为它们并不总是表现出目的的一致性。