我的身边充满了镁铝，但我只想和Ni在一起
2015年11月2日，一个注定要被载入史册的日子，我国首架C919大型客机总装下线，历经8年光阴蹉跎，C919终于破茧化蝶！
无数鲜花掌声中，有一群小伙伴沉默了，原因很简单，C919配装的是美国GE公司的发动机，C919还缺一个真正的中国心。
·（图片来自于网络）
相比航天和大飞机的硕果累累，航空发动机行业的发展似乎过于缓慢了。周恩来总理在世时曾评论中国飞机的“心脏病”到目前为止仍然是中国航空工业最大的软肋。事实上，由于极高的研制难度，航空发动机被称为“工业之花”、“工业皇冠上的明珠”，而现在，我们的攻城狮们正在用一步步踏实的工作，为我们的大飞机早日装上中国心而努力着。
空口无凭，大家来感受下发动机典型零部件的工作强度：
一个典型的高压涡轮叶片，转速为13000RPM时，给涡轮盘施加的拉力约为11400公斤！
每个涡轮叶片承受的作用力相当于5辆皮卡车或17匹马的重量！
·（图片来自于网络）
一个涡轮盘需要承担70～80个叶片的作用力，大约是6700KN！
涡轮盘的温度可达700℃！高压涡轮盘在工作时通常会变红,所谓的涡轮“冷却空气”也有600℃！
从燃烧室出来的高温气体可以融化普通钢材！
再来看下面的发动机材料分布示意图，这不是一个七彩棒棒糖，不同的颜色代表了发动机不同部位采用的不同材料，看这五颜六色的，就知道大发是有多么复杂了吧！航空发动机被称作“工业之花”，“人类工业皇冠上的明珠”，这个称谓绝不是空得虚名。
在小编心中，她远比明珠要珍贵，也更难得。因为这枚明珠需要千种材料精心调制而成，钢、合金钢、铝合金、钛合金、高温合金、复合材料、高分子材料、陶瓷材料，等等。“获得特殊的材料并正确地加工，对于制造航空发动机以及保证制造成本的竞争力，都极为重要。”而涡扇发动机这顶"工业王冠"，应用了各种新理论、新材料、新工艺。
·发动机材料分布示意图（图片来自于网络）
为了达到温度、强度的高要求，材料攻城狮们绞尽脑汁，在设计发动机选材时根据不同材料所匹配的工作温度和强度来进行选择，选材多达上千种。而材料的多样性也给发动机零件的制造增加了难度。
·发动机材料多样性（图片来自于网络）
还有一点同样很重要，大发要控制体重！这一点，相信很多小伙伴们都感同身受！
接下来就开始航空发动机材料的奇幻之旅吧，各位看官注意了。
[我的身边充满了镁铝，但我只想和Ni在一起]
在此感谢贡献此文的单晶组的小单身狗李寒松童鞋,光棍节刚刚过去，在此打一个广告，欢迎各位有意的菇凉们在下方评论区留言咨询：）
如何来安排航空发动机材料工艺的科普，的的确确难为了小编很久。本来想以材料篇和工艺篇来区分，但是觉得如此简单粗暴实在是对不住这颗明珠的珍贵。所以，第一期首先讲讲发动机中的一种很重要的叶片，单晶叶片。
单晶叶片为啥
这么牛？
航空发动机又叫透平机械，那么透平是什么呢？第一次听说透平是在大学的毕业招聘会上，当时有家企业叫做无锡透平叶片（这算打广告不？！），当时的我很傻很天真的以为这是一家生产眼镜片的公司。后来读研究生的时候接触到了航空发动机叶片，才知道透平就是turbine（亦译作涡轮）的英文音译，可见这个透平在航空发动机中是多么重要。
现在我们说说Turbine Blade（涡轮叶片），论起选材要求的严苛程度来说，这家伙绝对能在发动机所有零组件中排进前三，而最核心的要求，则是要在极高的工作温度下保证叶片的工作寿命。
为了保证涡轮叶片在一千多度的高温下健康工作，我们的材料攻城狮们一直致力于提升相应的材料性能，目前这个家族一共有三兄弟，大哥叫等轴晶、二哥叫定向柱晶、三弟不叫3D打印也不叫张飞，三弟叫单晶。
·（图片来自于网络）
单晶叶片到底是什么呢？
我的一位朋友曾经说过：“我的身边充满了镁铝，但我只想和Ni在一起”，这个Ni就是单晶叶片的基体材料，目前的涡轮叶片以镍基高温合金为主，Ni是Cr、CO、W、Mo、Al等众多合金元素良好的基体，同时价格较钴低廉，但这个低廉也是相对的。
现在来说说这哥仨之间的关系。等轴晶叶片，就是有许许多多等轴晶组成的，每一晶粒之间都有晶界隔开，就像一个地球是有许许多多小国家组成的，晶界就是国与国之间的边境线，那么问题来了，双方有摩擦，最先走火的一定是边境地区，所以等轴晶的晶界也是失效原始区与高发区。
怎么能避免这种摩擦呢？那就是减少国家的数量，众多小国合并成几个大国，这样边境线就小了，擦枪走火的几率也降低了，这就是定向柱晶了，往往一个定向涡轮工作叶片的叶身只有几个沿叶身方向的柱状晶粒，这也造成了涡轮叶片的各向异性，当然了，这几个晶粒最好朝着同一个方向，如果分歧太大，后果比等轴晶失效还要严重。
天下大事分久必合，总有一个超级霸主，整个叶片只有它一个晶粒，这就是单晶叶片，没有晶界!我们都知道涡轮叶片工作过程中叶身寿命受垂直于应力轴的晶界影响，单晶叶片消除了晶界，大大提高了工作能力和自身寿命。下图是三兄弟的全家福。
·三兄弟（图片来自于网络）
下面来说说单晶叶片的身世，没错，它是个小海归。
上世纪60年代，美国率先发明了单晶高温合金，并于上世纪80年代将PWA1480（第一代单晶合金）率先用于JT9D、F100等军用型号上，民用型号中第一个吃螃蟹的是PW2000。
上世纪80年代末、90年代初，第二代单晶合金横空出世，PWA1484、N5、CMSX-4在F100、F110、F119、EJ200等型号上应用，不断提高着涡轮前温度。
我国上世纪80年代研发了第一代单晶高温合金，后续也推出了第二代、第三代单晶高温合金，当然这里面混血不在少数。二代、三代单晶在抗拉、持久、抗氧化、耐腐蚀等性能方面较一代单晶有了较大的提高，有出息的富二代、富三代，它们的富是Re。
Re元素含量的多少，某种程度上决定了它是第几代的身份（就是这么简单粗暴，决定父子关系啊）。Re为什么这么牛？这就又引出了合金强化相γ´，下图是热处理后γ´高倍自拍照，Re在合金中进入基体，形成短程原子集团，细化γ´相，增强合金。
·热处理后γ´高倍自拍照（图片来自于网络）
说完身世，再来聊聊单晶叶片是怎么来的。熔模铸造基本工艺就不再讲了，（如果看官想了解的话请联系美丽的度娘），直奔主题，一般单晶叶片有两种方法：籽晶法和引晶法，也有混合用的。
下图是引晶法示意图，千军万马过独木桥，只能留下一个晶粒继续旅程。籽晶法不需要选晶段，通过在模壳底部加装籽晶生长单晶，江湖传闻某国的籽晶法生长单晶合格率80%以上。
·引晶法示意图（图片来自于网络）
下面来聊聊取向的问题，我说的是晶粒取向，想多了的人面壁去。单晶只有一个晶粒，有着强烈的各向异性，那么问题来了，万一这个独子不走正道肿么办？我们都知道单晶合金择优生长的方向是〈001〉方向，但是往往生长后的单晶叶片都会跑偏，跟穿不穿裤子没有关系。
为什么会跑偏呢？这个原因就多了，可能是初始晶粒就跑偏了，也可能是生长过程中铸造应力导致，还与叶片自身结构有很大关系，当跑偏到一定程度，然后，就没有然后了。一般控制晶粒取向方法较多，可以通过浇注系统的设计、凝固过程中温度场的分布、温度梯度的控制等因素对晶粒取向控制，也可以采用籽晶法，从源头控制晶粒取向。
单晶叶片既然这么好，为什么不大范围的推广使用呢？原因很简单，合格率太低了，不是用不起，是有些时候根本没得用啊，为什么这么低呢？那就不得不说再结晶了——单晶叶片头号杀手。在单晶叶片制造过程中，某些工序可能产生塑性变形：凝固收缩、脱芯、表面吹砂、抛修等，致使叶片产生残余应力，在后续的热处理或高温工况下，就可能发生再结晶，即在原有晶粒基础上形成新晶核并长大成为新晶粒。
含或少量含有晶界强化元素，再结晶晶界成为单晶叶片的薄弱环节，对叶片的高温力学性能和使用寿命产生不利的影响。再结晶分表面再结晶和胞状再结晶，前者比较致命，后者有待进一步住院观察。当然了，合格率低的原因还有很多，比如偏漏芯、大角度晶界、杂晶等等。
目前，攻城狮们正在加班加点的研究如何制造出更加出色、成品率更高的单晶叶片。
孤零零的单晶在等待另一个单晶，相信皇天不负有心人，总有一天，你共我，一起开创美丽生活。
·（图片来自于网络）
闫雪（另外那位同学比较害羞，请自行脑补~）