【材料课堂】走进高温合金的“前世今生”
想必大家看到飞机在天上飞，就会有一个疑问：飞机的往前飞的动力来自于哪里？别着急，我们先来玩一个气球游戏。先将气球吹满气，然后迅速松开，气球就嗖嗖地如无头苍蝇般在往上乱窜，最终由于里边储存的气体跑光了而掉下来。这就是牛顿第三定律，也就是作用力与反作用力。当气球将气体往外排的同时，气体给气球一个相反的作用力，使得气球往上飞。看似简单，实际上我们玩的烟火，以及火箭就是靠着这个原理获得推力的，不同的是他们用化学反应制造气体。
那么飞机是不是也可以像火箭携带大量的燃料来制造空气，再迅速向后排出从而获得推力？火箭靠着这个可以太空旅行，让飞机往前飞当然不在话下。只不过，采用这种方式，每一张机票很可能会高达几十万块，而且对环境的冲击将是致命的。
这个问题，被英国工程师Frank Whittle爵士所解决。他认为飞机根本无需携带，因为周围本来就充满了空气，为此设计了一种与当时螺旋桨发动机完全不同的发动机，也就是后来所称的涡轮喷气发动机。
上图就是涡轮发动机简单的工作原理图。简单来说，发动机首先吸入空气，然后将空气压缩提高压力，然后压缩空气进入燃烧室与燃料混合点燃，最后将高速气体喷出用以驱动飞机。压缩机就是大家坐飞机时看到的安放在翅膀下的大家伙，看起来像个大风扇。不过，你可能看不到它后面还有十个甚至更多的风扇，一级比一级小。压缩机的任务就是吸气并压缩。再往下走就是燃烧室，被压缩的空气与燃料混合并被点燃，从而产生热气并最终在机器尾部排出。此外，这个设计的巧妙之处在于高速气体排出时的散发的部分能量被用作推动一组涡轮机，而正是涡轮组在推动发动机前端的压缩机。
我们可以看到，涡轮机必须经受住高温气体的冲击。这些高温气体的温度甚至可以超过1500度，这个数字往往比很多金属的熔点还要高。而且，涡轮机每分钟旋转上万次，承受着巨大的机械载荷。
那么问题来了！制造涡轮机的材料是什么呢？显然，Whittle和其他机械工程师们只能寄希望于材料科学家能够回答这个问题。
不锈钢，曾经被看做是一个候选者。它的确能够抵御飞机引擎具有侵蚀性的环境。但是，它跟很多金属一样，在温度升高后性能下降。例如温度超过700度，不锈钢的强度下降了50%以上，其原因在于，合金中的位错在高温下变得容易移动。这种规律，早在千百年前就已经发现并应用了。铁匠将铁块加工成农具或者兵器，首先要将铁块烧红，而不是在常温下直接捶打。
看起来Whittle的问题无法解决。后来人们在1929年公布的一项专利中找到了一种镍基合金，也就是世界上第一种高温合金。这种合金包含镍、铝、钛、铬，能够在高温下保持强度。1939年，德国搭载着Hes3B涡轮喷气发动机的He-178成为了世界上第一款喷气式飞机。由此，航空业进入喷气飞行时代。
早期的喷气式飞机
当时，Superhero——超级英雄漫画正在风靡全球，人们将这种合金称之为"Superalloy"。不过，同虚构的超级英雄谜一般的超能力一样，当时无人知晓为什么高温合金能够在高温下保持性能，平添了部分神秘。直到几十年后，通过电子显微镜才发现合金复杂的微观结构阻碍位错运动，而这种阻碍效果在高温下继续保持。时至今日，还有研究探索高温合金复杂微观结构与其性能之间的谜团（材料人网最近发布了一篇相关科技新闻：高温合金的性能奥秘：分层微观结构）
正是在以高温合金为代表的航空材料的帮助下，从1960年到2010年，飞机的燃油效率提高了55%，推重比也大幅提升。而且，在人们对发动机的性能更高追求的推动下，高温合金的技术也在飞速发展。现在，因为加入了铼、钽、铪等元素，使得原本复杂的合金结构变得更加复杂。涡轮叶片已经由单晶长成，并涂上了陶瓷以抵御超过它们熔点的高温。
那么，回到文章最初的问题，为什么没有高温合金，普通人坐飞机只是一个遥远的梦想？我们可以从民航飞机的载客量发展上看出端倪。
世界上最早的客机是1919年英国制造的DH-16单发动机的4座客机。在后来出现的螺旋桨客机，1935年问世的DC-3被认为是最出色的。甚至在二战结束以前，世界各国乘坐飞机旅行，90%以上是用DC-3，但它也仅仅只能载重30人。
上个世纪50年代以后，喷气式客机的出现，才使民航得到了飞速的发展。最初投入使用商业喷气式客机是英国“彗星”号和随后的苏联“图-104”。这类飞机的载客量普遍在70-100之间。70年代出现的宽机身飞机，将原来的100左右的载客量提高到300人以上。目前，世界上最大的民航飞机——A380一次可搭载555人，如果对内部结构稍加修改，可搭载840人。
显然，如果没有具有强大的推力的喷气发动机的发展，飞机旅行只能是奢华的代名词。事实上，从1960年到2010年，很大程度上得益于高温合金的发展，飞机的燃油效率提高了55%，意味着载客量提升或者成本下降。未来，高温合金技术的进步，会使具有更大推重比的航空发动机问世，民航飞机的载客量还会有提升。
当然，随着发动机的性能越来越优越，飞机所能提供的服务也越来越多，乘坐也越来越舒适。（材料人）
微信品牌推广电话：010-62182512