超越金属

采用精密设计的高温合金材料
(David Collins和Bryce Conduit在这里写过)在美国，我们能够制造出能够承受喷气发动机内部极端条件的材料，这些条件的温度通常超过1500摄氏度，材料上的载荷比一辆被抛到三英里高的家用汽车的动量还要大。但使材料坚固耐温并不是全部，因为使它们在化学上耐用也是关键。

在这两篇文章中，材料科学家Bill Clegg和Cathie Rae解释了如何将特殊涂层应用于涡轮叶片，使其能够适应恶劣的高氧化环境，从而延长发动机寿命并提高效率。

剑桥大学材料科学与冶金系的Cathie Rae博士使用了一系列技术来研究涂层与底层合金相互作用的方式，以及这种“相互作用区”如何改变材料的整体性能或寿命……

凯蒂雷:

图1 -底部镍高温合金涡轮叶片与镍铝化物涂层之间的相互作用层。

为了在发动机中生存，叶片需要涂层。叶片内部被设计用来承受涡轮机旋转带来的巨大负荷，而叶片外部则必须承受高温气体，随着时间的推移，高温气体会将金属变成氧化物粉末。一个更普通的例子是处理生锈的问题——未涂覆的铁会很快氧化形成氧化铁，这比原始的、未氧化的铁弱得多。然而，一层油漆可以使金属与氧化气氛分离，防止生锈，并延长材料的使用寿命。

在喷气发动机中，涂层由铝和镍制成，通常还包括铂等贵金属。通过将含有铝的气体传递到高温合金叶片上，将它们沉积在表面。

图1显示了其中一种涂层的一部分:在底部，你可以看到叶片的特征结构——高温合金的小立方体。顶部是涂层的底部。中间是两种不同材料重叠和混合的层。洞，在这种情况下，深色结构看起来像一只小恐龙，是这种混合的结果之一。

“恐龙”从鼻子到脚趾只有20微米(一毫米可以容纳50微米)，位于涂层生长到叶片并改变结构的层中。这可能是一个问题，因为立方体的坚固结构已经消失，取而代之的条纹结构，尽管由相同的元素组成，但要弱得多。如果这一层长得太多，它会严重削弱叶片。

为了更好地了解涂层如何影响叶片的结构以及如何克服这些问题，我们使用了扫描显微镜-材料科学中的重要工具。加上一些附加功能，扫描显微镜可以使用最初为医学扫描仪看到身体内部而开发的软件来观察结构内部。第二张图，图2，是第一张图中间白色条纹的三维重建。这张图片是通过整理一系列切片的扫描显微照片而产生的，这些切片是通过侵蚀每张照片之间的表面滑动而拍摄的。这揭示了它们长成叶片时形成的不同寻常的形状，美丽但却极具破坏性。通过了解这些结构的生长方式，我们可以设计出保护表面但不破坏下面的高温合金结构的涂层。

图2 -涂层与高温合金叶片之间相互作用层(或二次反应区)的三维重建。

剑桥大学陶瓷与无机材料组的比尔·克莱格教授研究了材料的晶体结构如何改变其在高温下的行为……

比尔克莱格：

喷气发动机的推力来自于通过它的空气。为了对气体做功(在压缩机中)并从中提取功(在涡轮中)，移动的空气必须击中旋转涡轮盘上的叶片。从涡轮叶片边缘和叶冠周围逸出的空气是无用的，发动机效率下降。然而，完全停止这种情况的设计会引起摩擦，就像自行车车轮在挡泥板上摩擦一样，这可能会导致发动机卡住。

因此，为了克服这个问题，工程师们想出了许多复杂的设计。有些涉及开发曲折的气体路径，以防止气体泄漏。在其他情况下，插入的材料足够强，可以承受任何气体的通过，但足够弱，它们不会对涡轮机构成障碍，甚至更重要的是，不会磨损涡轮机叶片，否则会产生间隙。为了做到这一点，通常使用由薄条或纤维制成的毛毡和蜂窝等材料。

但主要的挑战来自于涡轮中最热的部分。传统的方法是使用裹尸布——一大块金属，放在涡轮叶片的顶端，保护叶片。它有进一步的优势，它保持叶片更牢固地固定在他们的位置在涡轮盘。

但这也会在叶片旋转时施加巨大的离心力，减少叶片在涡轮盘内的使用寿命——随着高压涡轮内温度的升高，这个问题会变得更糟。为了获得我们所需要的更高的涡轮效率，未来的发动机将需要在更高的温度下运行，因此我们确实需要考虑使用笼罩叶片的替代方案，以最大限度地减少气体从涡轮叶片顶部逸出。

图3:立方态氮化硼的晶体结构，c-BN©Bill Clegg

一种解决方案是使用涡轮叶片本身在多孔陶瓷材料中切割轨道abradable。通过在轨道上旋转，可以逸出的空气量减少了。然而，涡轮叶片的尖端可能会有大量磨损。叶片与磨料的摩擦就像任何两个表面摩擦在一起一样——它们之间的摩擦会产生局部加热。由于旋转的速度和作用力，叶片的尖端可能会变得非常热，以至于融化。表面可以通过涂上一层坚硬的材料来保护，这种材料可以切割可磨耗物，但这需要是不连续的，以避免在刀片周围散发热量。换句话说，涡轮叶片的尖端涂有硬化的磨料。

目前使用的是立方形式的氮化硼(见图3)。它是用镍、钴和铝(Ni、Co)Al合金粘合到涡轮叶片上的，悬浮在镍和钴的固溶体基体中。为了提供额外的抗氧化性(非铁相当于生锈)，然后在称为“掺杂”的过程中添加少量的钇和铬。这些材料有很多种，被称为MCrAlYs,在那里米是镍还是钴。

立方氮化硼通常被用作磨料，尽管它比钻石便宜，但仍按克拉出售，这使它成为一种昂贵的选择。虽然这种方法很有效，但氮化硼在空气中很容易氧化形成氧化硼。它在450°C融化，在1000°C以上迅速蒸发，在1500°C沸腾。为了满足喷气发动机内部的条件，我们需要找到在高温下足够坚硬的替代品，以起到磨料的作用。更复杂的是，mccraly键合材料也达到了其能力的极限。

那么，磨料已经到了使用的终点了吗?在剑桥大学，我们正在努力了解这种磨料系统——磨料和用于将其附着在刀片上的材料——的行为，这样我们就可以确定如果这种磨料系统在未来被使用，我们需要什么特性。