自吹自擂！伊丽莎白号航母甲板使用钛合金涂层，可耐1500度高温？
作为英国皇家海军历史上吨位最大的战舰，排水量超6万吨的“伊丽莎白女王”号航空母舰一直受到各界关注。自2017年服役以来，这艘新航母的众多设计a参数也一一得以公布。特别是在关键的飞行甲板设计方面，根据英国军方的官方介绍，由于采用了以铝钛合金为主的新型耐高温涂层，“伊丽莎白女王”号航空母舰甲板可耐1500度高温，达到了世界一流水平。不过，考虑到航母舰载机F-35B的动力性能以及铝钛合金的材料特性，所谓的耐1500度高温，基本可以断定是英国军方的自吹自擂。
?众所周知，航母甲板由于要承受舰载机高频率的起降，对于材料工艺的要求非常高。特别是自二战以来，已经成为主流的喷气式战斗机在启动后，发动机尾部产生的高温尾焰以及起降瞬间带来的强烈冲击，对于飞行甲板的承受能力来说是一个巨大的考验。因此，在航母飞行甲板上铺设特殊材料涂层，用于抵御高温、减小摩擦和抗压，已经成为了标准化设计。特别是近年来，包括环氧树脂涂层、硅氧烷基防滑涂层、等离子喷射等新型涂层材料技术都得到了飞速发展。目前，包括美国海军的“尼米兹”级航母以及中国海军的“辽宁舰”、“山东舰”等，均在耐高温涂层领域进行了深度探索。
?英国皇家海军的“伊丽莎白女王”号航空母舰服役以后，已经进行了多次海上测试，并且实现了F-35B战机的起降实验。从此前媒体公布的高清图片可以明显看到，“伊丽莎白女王”号航空母舰飞行甲板上，有清晰可见的烧蚀痕迹。而按照英国军方的说法，这种损伤对于拥有新型耐高温涂层的“伊丽莎白女王”号航空母舰而言，完全在可控范围。因为以铝钛合金为主要成分的这种新型金属热障涂层，在接触战机尾喷高温时，会以10000℃的等离子体电弧融化出一种金属粉末，从在飞行甲板表层铺展并与空气产生化学反应急速固化。在这样的化学反应中，“伊丽莎白女王”号航空母舰的飞行甲板表层，就会拥有厚达2.5毫米的防护涂层，可以有效抵御战机尾喷高温侵蚀。
?事实上，美国海军很早就对F-35B战机进行舰上起降实验。从实验结果来看，这款垂直起降战斗机在启动瞬间，其发动机尾喷产生的高温气流对于舰船甲板的灼烧时间一般在18秒-36秒之间。测试数据显示，F-35B战机起降的尾喷气流温度，也根本达不到所谓的1500度，仅有900多度。
?除了耐1500度高温之外，英国军方还公开表示，这种钛合金耐高温涂层可以多次反复使用，一次涂装后使用寿命可达数十年。事实上，即便是在甲板涂层技术领域傲视群雄的美国，目前也无法从根本解决甲板涂层使用寿命过短的问题。按照美国海军的设计标准，航母甲板涂装一次，可以承受10000架次飞机起降。不过，由于海水以及战机起降长时间的侵蚀，航母甲板耐高温涂层时效性并不长，经常需要进行返工维护。因此，英国军方幻想通过长期耐用的隐身涂层以减少军费开支，其实只是一厢情愿而已。尽管“伊丽莎白女王”号航空母舰在很多设计领域依然可圈可点，但在具有超高技术壁垒的飞行甲板设计领域，显然还有很长的路要走。（舍娃）
航空发动机温度超过2000℃，机体却不会熔化，高温合金材料是关键
战斗机所使用的都是燃气涡轮发动机，其主要原理就是从通过进气口压气机吸入空气，而后空气进入燃烧室与喷射入内的燃油发生燃烧，最后再膨胀做工经过涡轮机喷射出去。现代航空发动机的燃烧室温度最高可以达到2000℃以上，涡轮温度在1500度左右，尾喷口燃气虽然已经经过了一定冷却，但是温度也普遍超过500℃。在如此高温之下，普通材料早就承受不住，高空发动机之所以不熔化，主要是采用了特殊的高温耐热材料以及多种降温结构设计的综合运用。
涡轮承受高温的最主要部分为涡轮叶片，涡轮叶片分为改变气流方向的静子叶片和直接让气流反喷的转子叶片，其中的静子叶片位于转子叶片前方，是直接承受燃烧室喷射高温气体的部位，其温度最高。目前涡轮叶片多采用烧结成单一奥氏体的耐高温稳定镍基合金、铁基合金、钴基合金。涡轮叶片采用中空结构，让气流产生对流、在叶片上形成空气保护膜，并且叶片表面有有集自润滑和耐高温为一体的复合材料热障涂层，这样一整套措施下来，可以将静子叶片温度下降300到600℃，足以保证金属合金材料的稳定运转。
航空发动机涡轮叶片，镂空设计
镂空设计所带来的降温效果
涡轮盘相对于涡轮叶片而言，承受的温度相对较低，但是往往也在700℃以上，由于处于长久的旋转运动之中，对于耐高温持久性的要求也比较高。制造涡轮盘的材料也多为镍基高温合金，早期多采用变形高温材料和铸造高温工艺制造，八十年代后逐步发展出单晶高温合金和凝固高温合金。现在多采用镍基粉末高温合金，在惰性气体的保护下，进行热态成型和快速凝固工艺，可使镍合金的抗高温和强度性能进一步提高，我国已经开发出800℃以上高温合金粉末，用于新式航空发动机之上。
航空发动机涡轮盘
航空发动机涡轮盘
航空发动机的燃烧室是温度最高的部位，早期通常采用与涡轮片相同的镍基合金材料，但是随着高性能发动机不断采用超高温燃烧的方式来提高发动机推重比，现有金属合金材料已经越来越难以满足要求，新型超高温陶瓷材料日渐成为高性能航空发动机标配。陶瓷基复合材料重量只有镍合金的1/3到1/5，但是最高工作温度可以超过1500℃，持续在1200%以上温度工作也具有良好的抗疲劳性能，是目前四代战斗机发动机最主流的材料，美国已经开发出工作温度在1538℃的陶瓷基复合材料，并且助力F35战斗机的普惠F135发动机成为了世界最强发动机。
发动机尾喷管温度较低，制造起来相对简单，使用镍铁合金完全可以胜任，但是为了最大限度的减重，尾喷管已经越来越多的采用重量轻、强度大、耐高温性能在500℃以上的阻燃钛合金材料。美国自行开发的600℃级Ti-V-Cr系阻燃钛合金Alloy-C，已经运用在 F119发动机的尾喷管，强大的推力加上轻质的钛合金大量运用，让这款发动机的推重比达到了10以上，成为了F22战斗机的标配动力！
我国航空高温合金材料经过五十年代仿制苏联，六七十年代在内外封锁中自力更生，再到新时期的大力追赶，目前虽然已经达到一个较高水平，但是与国外仍旧差距不小。航空发动机工作温度每提高100℃，推力就将增加20%以上，要制造出更高性能的航空发动机，我们就必须在基础材料研究、结晶冶金工艺、粉末冶金工艺上继续努力完善和提高。随着涡扇15和涡扇20等高性能发动机的不断涌现，相信我国高温合金材料必将在一次次的前进中最终登上世界之巅！