发动机运转的温度越高，它所能输送的功率就越大。由于镍基高温合金的发展和翼型冷却技术的进步，涡轮喷气发动机的功率在过去几十年中显著提高。

发动机

    涡轮叶片是喷气发动机中最热的部件，对其使用的材料有特殊的要求，包括良好的机械强度、良好的蠕变性能、良好的稳定性和抗氧化性能。

发动机叶片

    镍基高温合金因其优良的性能而在汽轮机叶片中得到了重要的应用。由于镍从室温到熔点都保持面心立方结构，因此在循环过程中不会发生因相变引起的应力开裂。由于其扩散系数低，因而具有优良的抗蠕变性能。镍金属还具有良好的韧性和延展性。镍基高温合金利用了镍和合金添加方面的优势，进一步提高了合金的力学性能和抗氧化性能。

一种镍基合金微观组织

February 3, 2011 by George Vander Voort

    然而，鉴于镍的自身熔点和低熔点相的存在，镍基高温合金只能在1150℃以下的温度下工作。Al2O3和Cr2O3氧化层的开裂和相对较快的生长速度也显著地增加了镍基高温合金在1200℃以上的氧化。

    目前，为了绕过镍基高温合金的工作极限，在翼型上设计了复杂的冷却通道。机翼冷却允许发动机在高于镍基高温合金限制的温度下工作，但显著降低了发动机效率。为了提高效率，进一步提高发动机功率，新型高温结构材料的需求量很大。

叶片冷却

    新型高温结构材料必须具有高熔点及高温抗氧化性。为了满足这两个属性，有人很快发现Mo-Si-B材料具有巨大的潜力。在Mo-Si-B中，Mo提供了理想的高熔化温度和韧性，添加硼的硅化物提供了优异的抗氧化性和抗蠕变性。

    事实上，Mo-Si-B早在1950就已被研究，并不断受到广泛的研究关注。最近的效果集中在消除有害的A15（Mo3Si）相、提高高温下的蠕变强度、细化微观结构以改进氧化等。其它含硅化物的材料，包括铌基、钽基、钨基高温合金等，或这些高温合金的组合也是高温结构材料的巨大潜力。

一种Mo-Si-B材料微观组织

2018 by Shiho Yamamoto Kamata

    除了上述新一代高温合金，超高温陶瓷，通常简称为UHTC，在高温结构材料领域也具有十分重要的意义。由于陶瓷的脆性性质，UHTC目前不考虑作涡轮叶片使用。然而，它们对于热障材料的应用，尤其是高超声速飞行器的前缘和前锥体的应用是相当重要的。

    高超声速飞行器经历极端温度和环境要求材料具有高熔化温度、高导热率和良好的抗氧化性，从而保证结构的稳定性和可重复使用性。

高超声速分行器

    ZrB2-SiC等材料目前正受到这类应用的巨大关注。ZrB2具有较高的熔点（3050°C）和较高的热导率（约60 W（MK）-1）。由于B2O3的形成，ZrB2在1100℃以下的氧化性能也很好。

    由于形成致密的二氧化硅氧化层，SiC的加入使得该材料系统在高于1100℃的温度下提高了抗氧化性。为了进一步提高合金的抗氧化性，最近已经研究了诸如AlN、稀土氧化物、Si、ZrO2、TaB2、TaSi2、ZrSi2、MoSi2、TaC、ZrC等合金添加剂以及石墨添加剂。

    新一代硅化物、硼化物等高温结构材料的发展还处于初期阶段。这为研究人员设计这些材料的性能提供了巨大的机会，以满足不断增长的需求。

    对于这些材料，有几个研究课题是当务之急，包括：大量近净成形加工；提高力学性能，特别是高温蠕变；提高超高温抗氧化性；减少对环境的热腐蚀；与其他高温合金连接和调节热膨胀系数；工程其他物理性能，如热导率；在多次循环条件下提高热震抗性。

战斗机

    参考文献：Gaoyuan Ouyang. HighTemperature Structure Materials beyond Nickel Base Superalloy. Journal ofMaterials Science and Nanomaterials, 2017, 1:2.

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责任编辑：殷鹏飞

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