胡诌施佬：“太行”系列（六）：中外高温单晶合金差在哪？
说起当代航空发动机，航空材料的好坏已经是人所共知的一件事情了。什么单晶合金、粉末合金、钛合金整体叶盘什么的，早就成了时髦的名词，成为人们在探讨航空发动机技术的时候必须谈到的东W。
▲ 都搞上航发了，不甩几个装逼词汇怎么显得高级？
而在2017年的时候，另一种名叫“铼”的金属忽然在互联网上成为了先进航发的必备材料。先是一些看起来非常像广告的文章，介绍一家所谓“成都航宇超合金技术有限公司”的企业通过“与湖南有色研究院的合作”，用一年多的时间实现了铼的提纯，并在2010年在陕W省洛南县黄龙铺钼矿区矿山中斟探到铼，储量达到176吨，约占全球储量的7%，仅次于智利、美国、俄罗斯和哈萨克斯坦。
▲ 作为一名文科森，施佬对于70多号元素的特性肯定是不了解的
后来有关这家企业的报道越来越多，甚至连央视都加入到这家企业的报道中，并且不厌其烦地为大家介绍“铼”这种金属元素在航空发动机领域的重要程度。其语气……真的和宣传广告差不多。
▲ 要说也是小时候金坷垃广告看多， 所以对吹牛太狠的东W天然有警惕
不过军迷圈子里倒是一直对这玩意儿情绪稳定。近段时间来施佬看到不少的文章介绍我国的航空发动机材料，也都或多或少地提到“铼。但大多数的声音都认为“铼”虽然能够对发动机性能有点儿帮助，但归根到底只是一种金属元素，这些报道里的内容，对这种产品实在是过誉了。
▲ 你把键盘敲碎了也没用，大家都是聪明人
毕竟在大家的眼里，央视这种媒体虽然正规，但在专业性上往往……不太有信服力。连《科技日报》后来都站出来补充介绍说“航空发动机研制是一个系统工程，不会单靠“铼”就有大的突破”。
▲ 饭要一口一口吃，坑……要一个一个跳
不过在施佬看来，这个消息至少说明了一点，那就是在“太行”上我们遇到过的某种尴尬情况，没准就可以避免了。
▲ “太行”其实身经百战，已经不在乎这种尴尬了
啥情况呢？“太行”作为我国第一款在技术水平上赶上当代军用涡扇发动机主流水平的型号，在材料上也是直奔着W方冷战后期，也就是20世纪80年代中后期水平去的。在单晶高温合金这个领域，“太行”使用的DD6合金也达到了同时期的第二代单晶合金的水平，比之前的DD3、DD8什么的要好很多。虽说直到上世纪90年代末中国才搞定这种10年前的W方技术有点白裤衩，但考虑到第三代单晶合金的研制进展，DD6的研制时间和总体水平应该还是不错的。
▲ 差10年对于中国航发来说，都属于比较不错的领域了
虽然在整体技术上与W方同代合金比如PWA1484（F119/F135上都用）、CMSX-4（瑞达500-800发动机）已经差不太多，甚至是互有胜负，但DD6的化学成分却是这几款合金中最复杂的，不仅好几款元素的含量变化差异较大，还多出一些诸如铌元素这样的特色产品。
▲ 化学好的同学来讲解一下~施佬肯定是不知道的
从某种程度上说，这种复杂其实是不必要的，而“太行”用的DD6之所以要这么做，主要原因是由于——
……
……
……
你们猜对了，就是因为穷。
怎么个穷呢？就是舍不得花钱给合金里添加足够的铼。
W方的二代单晶合金里，铼元素作为一种既能提高合金高温强度、又能提升合金耐热水平的物质，其含量不能低已经成了共识。而我国在研制类似材料时，也考虑到了这一点，因此在DD6里，铼元素的含量也增加了不少。
但是铼的一个突出问题在于，它不仅贵，而且我国长期难以大量生产。虽然按照媒体的报道，铼的价格跟白金价格相仿，一克大概需要两三百块钱。但在一台发动机里，所有的低温和高温涡轮叶片几乎都要用到这种材料，加上从海外进口的价格会更高，如果按照国际标准一样往合金里面加铼，“太行”的价格就会大幅上涨，因此在DD6研制中，为了照顾成本，中国单晶合金里的铼含量比W方同代产品少了1/3。
但是铼含量的降低又会造成合金性能的下降，于是DD6被迫用其他元素进行再次调和以尽力弥补。虽然这看起来基本有效，但是在热稳定性等领域，这种弥补仍然没有完全成功。
这个道理就跟做红烧肉不让放酱油（因为酱油特别贵），于是只能炒糖色，但是为了避免红烧肉太甜，又得往里面放醋掺水加八角和红椒中和差不多。总之为了这1/3铼的减少，咱们是费了老鼻子劲。
▲ 你那不是做菜，你那是折腾人
问题是在第三代单晶合金里，铼的含量不仅没有减少，反而还干脆地翻了一番——谁叫人家性能好的。到了这地步，还想再炒一回糖色儿，就不仅仅是难不难的问题了。
▲ 想要堂堂正正追上去啊~还得靠正道
怎么办呢？自然是要追上去干，别人加铼，我也得加，而且，不能加少。
说到这份上，想必大家对于一家国内企业掌握了铼的提纯和生产，并且找到足够储量的矿的意义就有准确认知了。只有原料来源和工艺都不受制于人，在“太行”上发生的“节铼故事”才会不必二次上演，中国航空发动机才能真正和W方站在同一起跑线上开展竞争。
单晶高温合金能让战机发动机多牛？
一、单晶高温合金在战机发动机中的应用实例
单晶高温合金因其卓越的性能，成为制造战机发动机涡轮叶片的理想材料。在众多先进战机发动机中，都能发现其身影。例如，某型先进的涡扇发动机，其涡轮叶片就采用了单晶高温合金。这种发动机为战机提供了强大的动力，使战机具备了出色的超音速巡航能力和短距起降性能。
在这款发动机中，单晶高温合金涡轮叶片的设计经过了精心的优化。叶片的形状采用了先进的空气动力学设计，以提高进气效率和减少气流阻力。同时，叶片表面还采用了特殊的涂层处理，以进一步提高其耐高温和耐腐蚀性能。在实际运行中，这些叶片能够在极端的工作条件下稳定运行，为发动机提供了可靠的动力输出。
在另一款备受瞩目的战机发动机中，单晶高温合金制成的涡轮叶片能够承受更高的涡轮前温度，从而显著提高了发动机的推力和燃油效率。该发动机装备的战机在作战半径和载弹量方面都有了显著提升，增强了战机的综合作战能力。
这款发动机的单晶高温合金涡轮叶片采用了更为复杂的内部冷却结构。通过在叶片内部设计精细的冷却通道，使得冷却空气能够更有效地带走叶片表面的热量，从而进一步提高了叶片的耐高温性能。此外，叶片的制造工艺也采用了先进的精密铸造技术，确保了叶片的高精度和高质量。
二、单晶高温合金的独特优势
单晶高温合金的厉害之处在于其超越传统高温合金的性能。
首先，其耐温性能大幅提升。相比传统高温合金，单晶高温合金能够在更高的温度下保持稳定的性能。以具体数据为例，传统高温合金在 1100℃左右时性能开始明显下降，而单晶高温合金能够在 1200℃甚至更高的温度下依然保持良好的强度和韧性。这使得发动机能够在更高的温度下工作，提高热效率，增加推力。
单晶高温合金的耐温性能提升主要得益于其独特的晶体结构。传统高温合金通常为多晶结构，晶界处容易成为性能薄弱点，在高温下容易发生晶界滑移和裂纹扩展。而单晶高温合金消除了晶界，使得原子排列更加有序，从而提高了材料的高温稳定性。例如，在一项对比实验中，将传统高温合金和单晶高温合金同时置于 1200℃的环境下持续加热 100 小时，传统高温合金的强度下降了 30%，而单晶高温合金的强度仅下降了 10%。
其次，抗蠕变性能出众。在长时间高温和应力作用下，材料容易发生蠕变变形，影响发动机的性能和寿命。单晶高温合金的抗蠕变性能比传统高温合金高出数倍。例如，在一项持续 1000 小时的高温蠕变实验中，传统高温合金的蠕变变形量达到了 5%，而单晶高温合金的蠕变变形量仅为 1%左右。
单晶高温合金的抗蠕变性能优势源于其微观结构的均匀性和稳定性。由于不存在晶界，减少了位错滑移和扩散的通道，从而有效地抑制了蠕变变形的发生。同时，合金中的强化相分布更加均匀，能够更好地抵抗高温下的应力作用。
再者，单晶高温合金还具有更好的抗氧化和抗腐蚀性能。在发动机内部复杂的化学环境中，其能够有效地抵抗氧化和腐蚀，延长叶片的使用寿命。
发动机内部的高温燃气中含有各种腐蚀性成分，如氧气、硫化物等。传统高温合金在这种环境下容易形成氧化皮和腐蚀坑，导致材料性能下降。而单晶高温合金表面能够形成一层更加致密和稳定的氧化膜，阻止腐蚀性介质的侵入。例如，在模拟发动机内部腐蚀环境的实验中，经过 500 小时的暴露，传统高温合金表面出现了明显的腐蚀坑和剥落现象，而单晶高温合金表面的氧化膜依然完整，腐蚀程度较轻。
三、单晶高温合金战机发动机的性能详解
为了更清晰地了解单晶高温合金在战机发动机中的作用，我们通过具体性能数据来进行分析。
以某型采用单晶高温合金涡轮叶片的发动机为例，其涡轮前温度达到了 1700℃，相比采用传统高温合金叶片的同类型发动机提高了约 150℃。这一温度的提升使得发动机的热效率提高了 8%，推力增加了 12%，燃油消耗率降低了 7%。
在抗疲劳性能方面，经过 10 万次的循环加载实验，单晶高温合金叶片的疲劳寿命比传统高温合金叶片延长了 30%以上。这意味着发动机在长期运行中的可靠性得到了显著提高，减少了维护和更换叶片的频率，降低了使用成本。
此外，由于单晶高温合金的使用，发动机的整体重量也有所减轻。以一组涡轮叶片为例，采用单晶高温合金制造的叶片比传统高温合金叶片轻约 15%，这对于提高战机的机动性和飞行性能具有重要意义。
在实际飞行测试中，装备了采用单晶高温合金涡轮叶片发动机的战机表现出了卓越的性能。在超音速飞行时，发动机的推力稳定，加速性能优异。在长时间的飞行任务中，发动机的可靠性和燃油经济性也得到了充分验证。
例如，在一次长途奔袭任务中，装备该发动机的战机相比装备传统发动机的同类型战机，在相同的燃油载荷下，航程增加了约 20%，大大提高了战机的作战半径和战略投送能力。
四、单晶高温合金在战机发动机领域的最新进展
根据全网最新报道，单晶高温合金在战机发动机领域的研究和应用不断取得新的突破。
科研人员正在致力于进一步提高单晶高温合金的性能。通过优化合金成分和微观结构，研发出具有更高耐温性能和抗蠕变性能的新型单晶高温合金。例如，一种新型单晶高温合金在实验室条件下能够承受 1300℃的高温而不发生明显性能下降，有望在未来的战机发动机中得到应用。
在合金成分优化方面，研究人员通过添加微量的稀土元素和其他特殊元素，改善了单晶高温合金的晶体结构和性能。例如，添加适量的钇元素可以细化晶体结构，提高合金的强度和韧性。同时，通过调整合金中各元素的比例，如增加铼、钌等元素的含量，可以进一步提高合金的耐高温性能。
制造工艺也在不断改进和创新。先进的铸造技术和热处理工艺能够更好地控制单晶高温合金的晶体生长和微观组织，提高叶片的质量和性能一致性。同时，增材制造技术（3D 打印）在单晶高温合金叶片制造中的应用研究也在逐步开展，为制造更复杂形状和更高性能的叶片提供了可能。
先进的定向凝固铸造技术可以使单晶高温合金的晶体生长方向更加一致，减少缺陷和偏析。热处理工艺的优化则可以进一步调整合金的微观结构，提高其性能。例如，采用多级热处理工艺，可以使合金中的强化相分布更加均匀，从而提高材料的综合性能。
此外，与其他先进技术的结合也是当前的研究热点。例如，将单晶高温合金与热障涂层技术相结合，能够进一步提高叶片的耐高温性能和使用寿命。
热障涂层可以有效地降低叶片表面的温度，减少高温对叶片基体材料的影响。目前，新型的热障涂层材料如陶瓷基复合材料正在研发中，与单晶高温合金结合后，有望使发动机的涡轮前温度再提高 50 - 100℃。
综上所述，单晶高温合金在战机发动机领域展现出了巨大的潜力和优势。随着技术的不断进步，其将为战机发动机的性能提升和发展做出更大的贡献。未来，我们可以期待看到更加先进、高效、可靠的战机发动机问世，为航空领域带来新的突破和变革。
清华林峰教授团队综述：镍基单晶高温合金增材制造
导读
单晶镍基高温合金材料的传统制备工艺是定向凝固，随着增材制造技术的快速发展，单晶高温合金制备新工艺已成为可能。综述了近年来单晶镍基高温合金增材制造的研究进展。激光增材制造技术，特别是定向能沉积技术，主要用于修复单晶材料。电子束粉末床熔合是直接制备单晶材料的一种新方法。因此，分析了AM过程中单晶形成的机理，以阐明该工艺路线的潜力。此外还讨论了增材制造在单晶制造中面临的挑战，并对未来的发展趋势进行了展望。
单晶材料具有较好的高温强度和抗蠕变性能，如SX镍基高温合金可以满足航空发动机和燃气轮机叶片的要求。在学术界和工业界的努力下，SX高温合金经历了四代的发展。在保护涂层和冷却技术的帮助下，叶片的工作温度已提高到1 827 ℃。
目前，镍基高温合金SX零件尤其是涡轮叶片的制造工艺主要是定向凝固铸造，其关键问题是在凝固过程中抑制杂散晶粒的形核和控制晶粒的取向。通过严格控制温度场，包括温度梯度和凝固速度，可以抑制成核，从而使枝晶前的过冷度保持在较低的水平，使枝晶难以成核。
此外，增材制造(AM)是制造SX部件的另一种潜在工艺。金属增材制造技术凭借其在制造具有极其复杂金属结构的部件方面的优势，受到工业界的广泛关注。目前，研究人员正在进行镍基高温合金的打印试验，并成功制造了试样和组件。然而，几乎所有产品都是多晶结构，需要寻求一种生产SX镍基高温合金成分的方法。
基于此背景，清华大学林峰教授团队围绕镍基高温合计增材制造，以题为“Review on Additive Manufacturing of Single-Crystal Nickel-based Superalloys” 于期刊《Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers》发表了相关综述。文中总结了SX镍基高温合金的增材制造研究进展，包括SX叶片的修复、SX棒的制备以及机理的假设，同时讨论了该研究领域的潜在发展趋势。
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增材制造作为一项新兴技术，在高温合金SXs的制备中具有广阔的应用前景。目前，相关研究大致可分为激光AM和电子束粉末床熔接两个方面。其中，对于常用于SX修复的LMD和SLM技术，需要SX晶种通过外延生长。EB-PBF技术打破了制造SX所需的SX晶种或螺旋选晶的惯例。通过选晶扫描策略直接制备了SX试样，为AM技术在SX制备中的应用提供了新思路。添加金属粉末的L-PBF或DED只能在SX基底上通过诱导晶粒生长制备SX镍基合金。目前，只有EB-PBF可以在有利的热环境下通过动态选晶机制消除SX基底的使用。
目前，激光增材制造SXs所面临的挑战主要是工艺方法和后处理，并从外延生长和抑制有效成核两个方面解释了相关的机理。然而，EB-PBF技术中单晶选择的机制尚未明晰。阐明SX的籽晶选择过程是该领域研究的挑战之一。对后处理耦合LAM或EB-PBF工艺进行优化，有望获得SX的细晶结构和优异的力学性能。
虽然EB-PBF技术不使用选晶器或SX晶种来制造高温合金SX，其仍能为促进高温合金SX的增材制造提供新选择，即便复杂零件的制造仍然是一个挑战。为了克服这一挑战，电子束、激光、加工或其他工艺相结合的混合增材制造是一种很有前途的方法，也是高温合金SX增材制造后续研究的重要方向。
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