發動機運轉的溫度越高，它所能輸送的功率就越大。由于鎳基高溫合金的發展和翼型冷卻技術的進步，渦輪噴氣發動機的功率在過去幾十年中顯著提高。

發動機

    渦輪葉片是噴氣發動機中最熱的部件，對其使用的材料有特殊的要求，包括良好的機械強度、良好的蠕變性能、良好的穩定性和抗氧化性能。

發動機葉片

    鎳基高溫合金因其優良的性能而在汽輪機葉片中得到了重要的應用。由于鎳從室溫到熔點都保持面心立方結構，因此在循環過程中不會發生因相變引起的應力開裂。由于其擴散系數低，因而具有優良的抗蠕變性能。鎳金屬還具有良好的韌性和延展性。鎳基高溫合金利用了鎳和合金添加方面的優勢，進一步提高了合金的力學性能和抗氧化性能。

一種鎳基合金微觀組織

February 3, 2011 by George Vander Voort

    然而，鑒于鎳的自身熔點和低熔點相的存在，鎳基高溫合金只能在1150℃以下的溫度下工作。Al2O3和Cr2O3氧化層的開裂和相對較快的生長速度也顯著地增加了鎳基高溫合金在1200℃以上的氧化。

    目前，為了繞過鎳基高溫合金的工作極限，在翼型上設計了復雜的冷卻通道。機翼冷卻允許發動機在高于鎳基高溫合金限制的溫度下工作，但顯著降低了發動機效率。為了提高效率，進一步提高發動機功率，新型高溫結構材料的需求量很大。

葉片冷卻

    新型高溫結構材料必須具有高熔點及高溫抗氧化性。為了滿足這兩個屬性，有人很快發現Mo-Si-B材料具有巨大的潛力。在Mo-Si-B中，Mo提供了理想的高熔化溫度和韌性，添加硼的硅化物提供了優異的抗氧化性和抗蠕變性。

    事實上，Mo-Si-B早在1950就已被研究，并不斷受到廣泛的研究關注。最近的效果集中在消除有害的A15（Mo3Si）相、提高高溫下的蠕變強度、細化微觀結構以改進氧化等。其它含硅化物的材料，包括鈮基、鉭基、鎢基高溫合金等，或這些高溫合金的組合也是高溫結構材料的巨大潛力。

一種Mo-Si-B材料微觀組織

2018 by Shiho Yamamoto Kamata

    除了上述新一代高溫合金，超高溫陶瓷，通常簡稱為UHTC，在高溫結構材料領域也具有十分重要的意義。由于陶瓷的脆性性質，UHTC目前不考慮作渦輪葉片使用。然而，它們對于熱障材料的應用，尤其是高超聲速飛行器的前緣和前錐體的應用是相當重要的。

    高超聲速飛行器經歷極端溫度和環境要求材料具有高熔化溫度、高導熱率和良好的抗氧化性，從而保證結構的穩定性和可重復使用性。

高超聲速分行器

    ZrB2-SiC等材料目前正受到這類應用的巨大關注。ZrB2具有較高的熔點（3050°C）和較高的熱導率（約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層，SiC的加入使得該材料系統在高于1100℃的溫度下提高了抗氧化性。為了進一步提高合金的抗氧化性，最近已經研究了諸如AlN、稀土氧化物、Si、ZrO2、TaB2、TaSi2、ZrSi2、MoSi2、TaC、ZrC等合金添加劑以及石墨添加劑。

    新一代硅化物、硼化物等高溫結構材料的發展還處于初期階段。這為研究人員設計這些材料的性能提供了巨大的機會，以滿足不斷增長的需求。

    對于這些材料，有幾個研究課題是當務之急，包括：大量近凈成形加工；提高力學性能，特別是高溫蠕變；提高超高溫抗氧化性；減少對環境的熱腐蝕；與其他高溫合金連接和調節熱膨脹系數；工程其他物理性能，如熱導率；在多次循環條件下提高熱震抗性。

戰斗機

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

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責任編輯：殷鵬飛

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