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发动机涡轮材料备选

最近珠海航展刚结束，从航天到低空，从飞机、导弹到无人装备、坦克、电子对抗系统应有尽有，尤其是以AES100发动机为代表的国产多型发动机，吸引了众多客商的注意。

要知道，航空发动机的研制是“研究-设计-试验-修改设计-再试验”的反复迭代过程。研制一台新型发动机，一般需要10万小时的零部件试验、4万小时的附件试验和1万小时的整机试验；再加上航空发动机的制造涉及合金材料、结构、涂层与特种焊接等众多难度极高的先进制造技术，才能制造出这么一个直径约1米、长度4到5米的“圆筒”，并且能够持续不断地产生上万公斤、相当于自身重量8到10倍的推力……可以说这是一个神奇的大型试验工程产物。

航空发动机涡轮扇叶的材料有很多选择

既然是实验工程，那也同时意味着多种可能的存在，比如在关键材料上的选择。

发动机通常是由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和排气装置等部分构成的，当发动机工作时，空气通过进气道进入压气机，加压加速后，在燃烧室中和燃料混合燃烧，产生具有极高能量的高温气体，推动后方的涡轮旋转工作，从而为飞机飞行提供强劲动力。

一般情况下，航空发动机的工作表现与温度成正比：随着温度升高，燃料燃烧的效率也越高，这意味着它们可以用同样体积的推进剂飞得更远。但发动机如果太热，或者超过1150摄氏度时，发动机涡轮中的镍基高温合金会开始软化和弯曲，这会迅速引起发动机故障。

比如波音787的另一款引擎瑞达1000（罗罗公司出品）的总压比52:1，升温非常可观，在高压涡轮前还有一个燃烧室，是真正恶劣的环境。另外如F22御用发动机的涡前温度为1703℃（客机涡扇发动机涡前温度没有那么高），绝大部分金属在这里就傻眼了。

对此，新的冶金材料领域或许可以提供不一样的解决方法，那就是高熵合金（high-entropy alloy）。

高熵合金是材料学的研究领域之一

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颠覆传统合金

合金大家一定不陌生，早在几千年前，古代人类学会从矿石中冶炼金属后，便学会了将铜和锡两种金属制作成合金，从而诞生青铜；铜和锌结合，则创造出黄铜……不断有新元素金属被提炼生产，各种合金也就随之而来。但当新的金属元素长久地不出现，合金成分设计也就再难有很大突破。

很多研究者尝试从制程改变合金的材质，比如在铸造、加工环节，在材料表面上镀一层不一样的金属，或是利用锻制的手法改变合金形状等，从后端的制造方式改善材料性质。但就算在制程上改来改去，得到的合金材料也很再有大突破。

“高熵合金”整个思路就跟传统合金不一样。传统合金实际上还是基于经验主义，通过调整合金中的化学成分（元素种类和比例）来控制其微观结构，通常以一种或几种材料为“基底”，添加少量其他元素来提高其高温强度、抗氧化性等等。

例如铝合金，就是以铝为主，加入微量的镁及硅就能得到容易成型且具有中等强度的铝门窗材料；若加入适量的锌、镁、铜元素，则成高强度铝合金，可用于飞机、火箭结构体。而钢铁材料则以铁为主，加入碳得到碳钢，碳越多强度越高，当碳含量超过重量百分比2％时，就成为铸造性良好的铸铁。

高熵合金没有“主要金属”的概念

但是高熵合金通常可是由五种或五种以上的金属元素混合，且这些元素的比例接近等原子比，这意味着，高熵合金中A、B、C、D、E五种元素的原子的数量是相等的。如果说传统合金是单一的威士忌酒，那高熵合金就像调制综合果汁，在合金设计快要走到尽头的时候又为材料学找到了一个新领域。

“熵”本来是一个热力学概念，一个系统越混乱，熵值就越高；反过来，一个系统内部越有规律、结构越清晰，熵值就越低。高熵合金就是要在混乱中发现新材料。

但问题是，这么多元素混合到一起很容易形成大量脆性化合物。以前不是没人尝试过这个路线，只不过元素种类过多很容易让合金丧失延展性，变得又硬又脆，容易发生断裂等状况，所以传统合金才会把主要金属的比例控制在80％以上。

如果为了耐高温去盲目混合多种元素的金属，晶体中具有强健原子键的合金确实能制造出能够承受更高温度的金属，但是力学性能会变差。这种材料用到航空发动机中，如果不小心卷进一只鸽子，整个发动机都得报废。

但这也不代表那么多种金属元素，都没办法组合出接近完美的高熵合金。元素周期表中大概有50种金属具有理想特性，非金属材料如氧化物和陶瓷也能用，其中任意五种等比例组合就可能产生超200万种潜在新材料。再加上高熵合金里的元素可以增减，浓度也可以变化，所以实际上可能性几乎无穷尽。

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好用但贵，只适合高端应用

其实关于高熵合金的研究已经进行了快20年，研究人员发现以前金属元素一多，合金就脆化的毛病，主要还是因为熵不够高，而高熵思路之下做出的新型合金已经颇具成果。其中最重要的两大类，就是难熔高熵合金和轻质高熵合金。

前者有优异的耐高温、高强度、高硬度、抗辐照性能，被认为是制造高温涡轮叶片的最佳材料之一，可保证涡轮叶片长期、稳定地工作，提高服役安全性，减少叶片的磨损、腐蚀失效。美国多用途先进涡轮发动机计划（VAATE）、欧洲先进核心军用发动机计划（AC-ME）等都把高熵合金纳入到第五代高性能航空发动机的研发中。

轻质高熵合金质量轻、强度高，适合汽车行业减重和飞行马赫数特别高的航空器。

如果了解汽车，会知道车身机构设计的时候要兼顾耐撞击性，最好能透过材料变形吸收撞击能量；同时座舱本身还要具备足够的钢性，保护车内乘客所在空间不会溃缩，并让乘客在撞击后仍能如常打开车门。

高熵合金的成本高，是目前阻拦其大规模应用的主要因素

那为什么我们平时看不到高熵合金的应用消息呢？主要还是成本高。国内这个领域的研究团队并不少，但即使是过渡元素系列的高熵合金，也比传统铁基合金，甚至比部分镍基合金成本高，多数轻质高熵合金和难熔高熵合金的材料不仅贵制造工艺也不够成熟。

此外，高熵合金可选择的元素种类众多，高熵合金体系数量也非常庞大，通过模拟仿真对高熵合金成分进行筛选是一个重要的研究方向。然而，国内对于高熵合金数据库搭建的重视程度不够，如开发新型高熵合金所使用到的热力学数据库与相图计算软件大多来源于美国、瑞典等国家，在一定程度上使高熵合金材料的研发受制于人。

我国高熵合金领域尚缺少行之有效的模拟计算能力，难以精确预测其结构和性能，高熵合金的理论数据库搭建和仿真能力有待进一步完善。别人现在都在火箭上用不锈钢省钱了，你还能大面积应用高熵合金吗？