未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式--微叠层复合材料

（一）微叠层体型复合材料
　　 随着航空发动机推重比的提高，对涡轮叶片耐高温材料及冷却设计所提出的要求日益苛刻。60年代高压涡轮叶片的冷却设计结构采用的是等轴晶镍基合金径向对流冷却方式，它标志着涡轮叶片已实现了从非冷却设计向冷却设计的转变，从而使涡轮进口温度达到1100℃。
　　在过去的几十年中，就高压涡轮叶片的冷却设计与高温材料开展了广泛深入的研究工作，出现了诸多技术新进展。其中包括冲击与气膜冷却设计、先进的定向凝固和单晶镍基高温合金等。这些成果使得80及90年代航空发动机的涡轮进口温度提高了300℃。
　　近年来高温合金的发展速度放慢。其中最主要的原因是，虽然单晶工艺可使合金熔点得以部分提高，但其提高的幅度相当有限。
　　高温金属间化合物的出现为解决上述问题提供了希望，在八、九十年代得到广泛重视和迅速发展。如Cr2Nb，Nb5Si3，Nb2Al或Cr3Si在1200℃下能保持其原有强度，且在某些条件下能保持到1400℃。但经研究发现，作为一种单体材料，金属间化合物非常脆，成型工艺性差，难以在发动机上获得实际应用。
　　 近年来，美国GE公司在美国空军实验室材料指导部资助下，开展了将金属间化合物与韧性金属组成微叠层复合材料这一新方案的研究工作，从事这一研究的还有洛马公司、橡树岭国家实验室、加州大学等，加拿大和欧洲也已着手从事该方面的研究工作。因此这种材料已成为目前的一个研究热点。
　　该项研究旨在依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，而利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物脆性这一缺点，使航空发动机涡轮叶片材料这一航空领域最关键的材料展示出光明前景。
　　 与镍基合金及其复合材料相比，以铌基合金韧化的金属间化合物复合材料具有明显的优势，它的工作温度占熔点的百分率较低，因此工作温度较高。
　　 电子束物理气相沉积是生产这种多层冷却结构的一种经济上可承受的方案。其基本过程是：
　　 1 由于梁内部不需要铸出冷却孔，可采用较低成本的方案加工出梁。
　　 2 通过铸造或机加工方法加工出高塑性金属梁中的冷却通孔。
　　 3 在加工出孔的梁表面上填充以临时的填充物，然后对表面进行修整、研磨。
　　 4 采用电子束物理气相沉积法沉积出金属间化合物复合材料的外壳。
　　 5 通过化学浸析，将冷却通孔中的临时填充物析出。
　　 采用这种制备方案生产高压涡轮叶片，可使涡轮进口温度提高300℃，同时保持涡轮叶片的高塑性，并可减少冷却气流的用量。
　　1．叶片材料性能
　　 高压涡轮叶片材料需要满足多种要求，即强度、高温抗蠕变能力、低温断裂强度及断裂韧性、抗氧化性、抗热振能力、高温下的显微组织稳定性，此外还应具备价格优势。在金属间化合物复合材料早期研发阶段，所制备出的复合材料系统只能部分满足上述需求，缺乏综合性能良好的材料系统。
　　抗氧化性是上述综合要求中最关键的性能之一。事实上，所有在高温下长期使用的复合材料系统为防止氧化都需要涂层，但金属间化合物复合材料系统还必须具备足够的固有的抗氧化能力，以防止当涂层发生破坏时出现灾难性氧化。尽管铌基合金较之镍基合金的使用温度更高，但其致命的抗氧化能力差却一直是限制其用于航空发动机的主要原因。近期开发的以Ti, Hf, Al, Cr合金化的铌合金与普通市售铌合金相比，抗氧化性获得显著改进，并在1150～1200℃及其以上温度下的氧化行为接近镍基合金。此外，在同样的温度范围内，高温Nb(Si)－Nb5Si3和Nb(Cr)－Cr2Nb复合材料的抗氧化行为也接近镍基合金。因此可以预期，具有较高抗氧化能力的金属间化合物复合材料将得到发展。
　　 2．韧性金属间化合物基复合材料的合成
　　 目前已制备出的几种微叠层复合材料有具有不同组分和层厚的Nb－Cr2Nb、Nb－Nb5Si3以及Nb－MoSi2等体系。采用的方法有真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法。研究表明，真空热压和铸造法适于制备厚的（>50μm）微叠层复合材料，而物理气相沉积通常用于制备非常薄的（10nm）的微叠层材料。
　　 物理气相沉积的优点是可以制备出各种层厚、体分比以及层组分的金属间化合物复合材料，且间隙元素污染程度低，并具备良好的结构完整性。
　　 GE公司重点进行了Cr2Nb－Nb微叠层复合材料的研究，结论为：
　　 （1）较薄层厚材料的室温断裂强度优于较厚的层，但韧性稍差，因而选择层厚需要在断裂强度和韧性之间求得平衡。
　　 （2）由于金属间化合物层的显微组织为超细晶粒组织，因而高温强度较低，如果金属间化合物的晶粒可以粗化，则高温强度可获改善。目前这种晶粒粗化技术可以通过提高沉积温度，或通过选择具有较宽温度范围的金属间化合物复合材料系统来实现。
　　 （3）微叠层复合材料在1400℃下的稳定性受金属间化合物相向金属层深度穿透这一非平衡态变化过程的影响，因此获得一种在整个工作温度范围内处于平衡态的金属和金属间化合物组分很少变化的复合材料系统，是消除这一现象的基本途径。同时，必须充分了解穿透形成的机理，以预测出穿透现象出现的条件。
　　 （4）Nb基金属韧化层和复合材料系统二者的抗氧化性能得以改善的事实表明，耐高温、抗氧化这一目标是可能实现的。
　　 通过对上述Nb－Cr2Nb系统的一系列分析，可以预期制备叶片的第一步是在高韧性的金属梁上做一个微叠层金属间化合物复合材料外壳（目前定义的微叠层厚度为1mm～100nm），下一步就是用微叠层材料直接制备出叶片。
　　 （二）纳米层状热障涂层
　　 热障涂层（TBC）已有多年的发展历史，近年随着纳米技术的发展，有可能将其用于镍基高温合金的涂层，将来还有可能用其直接制备出叶片。
　　 从传统的单层TBC材料与纳米层状TBC材料导热率的比较中可看出二者的明显差异，纳米层状TBC涂层的导热系数远低于单层的TBC，因而国外预测采用纳米层状热障涂层可将高压涡轮叶片的使用温度提高260℃。
　　 目前的热障涂层主要采用等离子喷涂和电子束物理气相沉积法制备。等离子喷涂法通常用来制备力学性能稍差，但热障效率高的涂层；电子束物理气相沉积技术的特点是生产出的涂层具有较高应变容限、更光滑的表面和更好抗腐蚀性，缺点是热障效率稍差，成本高。总的看来，国外认为由于陶瓷涂层与基体金属物理性质存在很大差异，因而上述两种方法都是不成功的。主要缺点是耐久性不足，限制了它的应用。目前国外开始研究通过溶胶－凝胶法制备微叠层状的热障涂层。该项研究是由美国空军小企业革新研究计划资助的。研究结果表明，采用微叠层陶瓷涂层不仅具有更高的隔热效率，而且抗氧化/抗腐蚀性能更佳。损伤通常发生在局部，其负面影响较之单层材料更小。
　　目前的研究结果表明：采用溶胶－凝胶法，陶瓷涂层与镍基合金的粘结性良好。在氧化钇稳定的氧化锆层（YSZ）上可以涂覆ZrSiO4层作为强化层，以有助于缓解热循环中产生的应力，再在ZrSiO4层上涂覆YSZ，YSZ薄膜在1100℃下保持稳定，该温度接近叶片使用温度。两种材料交替涂覆以形成微叠层复合材料。下一步的研究内容是改进制备方案，尝试除溶胶－凝胶法以外的其他涂覆方案，如浸涂、喷涂、旋涂、辊涂以及刷涂等。采用激光检测技术，探索将TiO2用于热障涂层，并着手进入商业化。
　　种种迹象表明，在微米层次上，界面作用增加，薄层的性质已开始偏离体材料性质而表现出新性质。作为一项新兴技术，它在航空领域蕴藏着巨大应用潜力，潜伏着大好的创新机遇。（一）微叠层体型复合材料
　　 随着航空发动机推重比的提高，对涡轮叶片耐高温材料及冷却设计所提出的要求日益苛刻。60年代高压涡轮叶片的冷却设计结构采用的是等轴晶镍基合金径向对流冷却方式，它标志着涡轮叶片已实现了从非冷却设计向冷却设计的转变，从而使涡轮进口温度达到1100℃。
　　在过去的几十年中，就高压涡轮叶片的冷却设计与高温材料开展了广泛深入的研究工作，出现了诸多技术新进展。其中包括冲击与气膜冷却设计、先进的定向凝固和单晶镍基高温合金等。这些成果使得80及90年代航空发动机的涡轮进口温度提高了300℃。
　　近年来高温合金的发展速度放慢。其中最主要的原因是，虽然单晶工艺可使合金熔点得以部分提高，但其提高的幅度相当有限。
　　高温金属间化合物的出现为解决上述问题提供了希望，在八、九十年代得到广泛重视和迅速发展。如Cr2Nb，Nb5Si3，Nb2Al或Cr3Si在1200℃下能保持其原有强度，且在某些条件下能保持到1400℃。但经研究发现，作为一种单体材料，金属间化合物非常脆，成型工艺性差，难以在发动机上获得实际应用。
　　 近年来，美国GE公司在美国空军实验室材料指导部资助下，开展了将金属间化合物与韧性金属组成微叠层复合材料这一新方案的研究工作，从事这一研究的还有洛马公司、橡树岭国家实验室、加州大学等，加拿大和欧洲也已着手从事该方面的研究工作。因此这种材料已成为目前的一个研究热点。
　　该项研究旨在依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，而利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物脆性这一缺点，使航空发动机涡轮叶片材料这一航空领域最关键的材料展示出光明前景。
　　 与镍基合金及其复合材料相比，以铌基合金韧化的金属间化合物复合材料具有明显的优势，它的工作温度占熔点的百分率较低，因此工作温度较高。
　　 电子束物理气相沉积是生产这种多层冷却结构的一种经济上可承受的方案。其基本过程是：
　　 1 由于梁内部不需要铸出冷却孔，可采用较低成本的方案加工出梁。
　　 2 通过铸造或机加工方法加工出高塑性金属梁中的冷却通孔。
　　 3 在加工出孔的梁表面上填充以临时的填充物，然后对表面进行修整、研磨。
　　 4 采用电子束物理气相沉积法沉积出金属间化合物复合材料的外壳。
　　 5 通过化学浸析，将冷却通孔中的临时填充物析出。
　　 采用这种制备方案生产高压涡轮叶片，可使涡轮进口温度提高300℃，同时保持涡轮叶片的高塑性，并可减少冷却气流的用量。
　　1．叶片材料性能
　　 高压涡轮叶片材料需要满足多种要求，即强度、高温抗蠕变能力、低温断裂强度及断裂韧性、抗氧化性、抗热振能力、高温下的显微组织稳定性，此外还应具备价格优势。在金属间化合物复合材料早期研发阶段，所制备出的复合材料系统只能部分满足上述需求，缺乏综合性能良好的材料系统。
　　抗氧化性是上述综合要求中最关键的性能之一。事实上，所有在高温下长期使用的复合材料系统为防止氧化都需要涂层，但金属间化合物复合材料系统还必须具备足够的固有的抗氧化能力，以防止当涂层发生破坏时出现灾难性氧化。尽管铌基合金较之镍基合金的使用温度更高，但其致命的抗氧化能力差却一直是限制其用于航空发动机的主要原因。近期开发的以Ti, Hf, Al, Cr合金化的铌合金与普通市售铌合金相比，抗氧化性获得显著改进，并在1150～1200℃及其以上温度下的氧化行为接近镍基合金。此外，在同样的温度范围内，高温Nb(Si)－Nb5Si3和Nb(Cr)－Cr2Nb复合材料的抗氧化行为也接近镍基合金。因此可以预期，具有较高抗氧化能力的金属间化合物复合材料将得到发展。
　　 2．韧性金属间化合物基复合材料的合成
　　 目前已制备出的几种微叠层复合材料有具有不同组分和层厚的Nb－Cr2Nb、Nb－Nb5Si3以及Nb－MoSi2等体系。采用的方法有真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法。研究表明，真空热压和铸造法适于制备厚的（>50μm）微叠层复合材料，而物理气相沉积通常用于制备非常薄的（10nm）的微叠层材料。
　　 物理气相沉积的优点是可以制备出各种层厚、体分比以及层组分的金属间化合物复合材料，且间隙元素污染程度低，并具备良好的结构完整性。
　　 GE公司重点进行了Cr2Nb－Nb微叠层复合材料的研究，结论为：
　　 （1）较薄层厚材料的室温断裂强度优于较厚的层，但韧性稍差，因而选择层厚需要在断裂强度和韧性之间求得平衡。
　　 （2）由于金属间化合物层的显微组织为超细晶粒组织，因而高温强度较低，如果金属间化合物的晶粒可以粗化，则高温强度可获改善。目前这种晶粒粗化技术可以通过提高沉积温度，或通过选择具有较宽温度范围的金属间化合物复合材料系统来实现。
　　 （3）微叠层复合材料在1400℃下的稳定性受金属间化合物相向金属层深度穿透这一非平衡态变化过程的影响，因此获得一种在整个工作温度范围内处于平衡态的金属和金属间化合物组分很少变化的复合材料系统，是消除这一现象的基本途径。同时，必须充分了解穿透形成的机理，以预测出穿透现象出现的条件。
　　 （4）Nb基金属韧化层和复合材料系统二者的抗氧化性能得以改善的事实表明，耐高温、抗氧化这一目标是可能实现的。
　　 通过对上述Nb－Cr2Nb系统的一系列分析，可以预期制备叶片的第一步是在高韧性的金属梁上做一个微叠层金属间化合物复合材料外壳（目前定义的微叠层厚度为1mm～100nm），下一步就是用微叠层材料直接制备出叶片。
　　 （二）纳米层状热障涂层
　　 热障涂层（TBC）已有多年的发展历史，近年随着纳米技术的发展，有可能将其用于镍基高温合金的涂层，将来还有可能用其直接制备出叶片。
　　 从传统的单层TBC材料与纳米层状TBC材料导热率的比较中可看出二者的明显差异，纳米层状TBC涂层的导热系数远低于单层的TBC，因而国外预测采用纳米层状热障涂层可将高压涡轮叶片的使用温度提高260℃。
　　 目前的热障涂层主要采用等离子喷涂和电子束物理气相沉积法制备。等离子喷涂法通常用来制备力学性能稍差，但热障效率高的涂层；电子束物理气相沉积技术的特点是生产出的涂层具有较高应变容限、更光滑的表面和更好抗腐蚀性，缺点是热障效率稍差，成本高。总的看来，国外认为由于陶瓷涂层与基体金属物理性质存在很大差异，因而上述两种方法都是不成功的。主要缺点是耐久性不足，限制了它的应用。目前国外开始研究通过溶胶－凝胶法制备微叠层状的热障涂层。该项研究是由美国空军小企业革新研究计划资助的。研究结果表明，采用微叠层陶瓷涂层不仅具有更高的隔热效率，而且抗氧化/抗腐蚀性能更佳。损伤通常发生在局部，其负面影响较之单层材料更小。
　　目前的研究结果表明：采用溶胶－凝胶法，陶瓷涂层与镍基合金的粘结性良好。在氧化钇稳定的氧化锆层（YSZ）上可以涂覆ZrSiO4层作为强化层，以有助于缓解热循环中产生的应力，再在ZrSiO4层上涂覆YSZ，YSZ薄膜在1100℃下保持稳定，该温度接近叶片使用温度。两种材料交替涂覆以形成微叠层复合材料。下一步的研究内容是改进制备方案，尝试除溶胶－凝胶法以外的其他涂覆方案，如浸涂、喷涂、旋涂、辊涂以及刷涂等。采用激光检测技术，探索将TiO2用于热障涂层，并着手进入商业化。
　　种种迹象表明，在微米层次上，界面作用增加，薄层的性质已开始偏离体材料性质而表现出新性质。作为一项新兴技术，它在航空领域蕴藏着巨大应用潜力，潜伏着大好的创新机遇。