第1章緒論
　　1.1航空航天先進(jìn)產(chǎn)品與先進(jìn)材料
　　自古以來(lái)，人類就懷有翱翔天空，遨游宇宙的愿望。在生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)低下的時(shí)代，這種愿望只能停留在幻想階段。1903年，美國(guó)萊特兄弟首次把有動(dòng)力，可操縱和可持續(xù)飛行的飛機(jī)送上天空。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上**顆人造衛(wèi)星并隨后在1961年成功發(fā)射了世界上**艘載人飛船，標(biāo)志著航空航天科學(xué)技術(shù)獲得了巨大的成功，揭開(kāi)了人類航空航天事業(yè)的新紀(jì)元。
　　航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展雖然與軍事應(yīng)用密切相關(guān)，但更重要的是人類在這個(gè)產(chǎn)業(yè)部門所取得的巨大進(jìn)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多部門和社會(huì)生活的諸多方面都產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響，推動(dòng)并改變著世界的面貌。進(jìn)入21世紀(jì)之后，航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)將為人類認(rèn)識(shí)和駕馭自然注入新的強(qiáng)大動(dòng)力，航空航天活動(dòng)的作用將遠(yuǎn)超科學(xué)領(lǐng)域?qū)φ�治、�?jīng)濟(jì)、軍事乃至人類社會(huì)生活都會(huì)產(chǎn)生更加廣泛而深遠(yuǎn)的影響，并不斷地創(chuàng)造出嶄新的科技成果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
　　航空航天飛行器在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等**條件下工作，除了依靠?jī)?yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還依賴于材料所具有的優(yōu)異特性和功能。由此可見(jiàn)，航空航天材料在航空航天產(chǎn)品發(fā)展中的極其重要的地位和作用。航空航天產(chǎn)品在追求輕質(zhì)和減重方面可以說(shuō)是 克克計(jì)較，圖1-1為飛行器每減重1kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速率的關(guān)系。例如，對(duì)航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益將近10萬(wàn)美元。新型材料及改型材料在軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢(shì)如圖1-2所示9由圖可見(jiàn)，新型材料和改進(jìn)型材料與主動(dòng)載荷控制、顫振抑制、自動(dòng)化設(shè)計(jì)及先進(jìn)結(jié)構(gòu)概念等相比，在飛行器結(jié)構(gòu)減重中占有主導(dǎo)地位，也正因?yàn)檫@個(gè)原因，比強(qiáng)度和比模量這些概念在航空航天領(lǐng)域具有更為重要的意義。
　　圖1-2，新型材料及改進(jìn)型材料在軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢(shì)
　　高溫材料是制約航空航天產(chǎn)品性能的另一類關(guān)鍵材料。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展對(duì)服役溫度的需求如圖1-3所示9由圖可見(jiàn)，目前飛機(jī)蒙皮的**溫度達(dá)1000、以上，而發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度則高達(dá)近2000、不同的航空航天材料的耐溫性如圖1-4所示9由圖可見(jiàn)，為了支撐航空航天產(chǎn)品提高工作溫度的要求，許多新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳-碳及各種復(fù)合材料正在加速發(fā)展之中。
　　圖1-3，飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展對(duì)服役溫度的需求
　　高性能航空航天結(jié)構(gòu)材料對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役可靠性及延長(zhǎng)壽命具有極為重要的作用，是航空航天材料的主要發(fā)展趨勢(shì)。航空航天結(jié)構(gòu)材料的高性能主要是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、高韌、耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等。近來(lái)在航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入損傷容限設(shè)計(jì)的概念，意味著對(duì)材料的韌性要求更高了，有時(shí)寧可犧牲一點(diǎn)強(qiáng)度，也要確保韌性的要求，這是由于對(duì)航空航天產(chǎn)品已發(fā)展到高可靠性、高耐久性和長(zhǎng)壽命的要求。對(duì)航空航天飛行器的動(dòng)力裝置來(lái)說(shuō)，特別重要的是耐高溫、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等性能要求，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中**的性能要求。高性能材料在新一代飛行器動(dòng)力裝置中起到了關(guān)鍵性的作用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的單晶渦輪葉片材料和航天固體發(fā)動(dòng)機(jī)中的高能推進(jìn)劑材料等。
　　圖1-4，航空航天材料的耐溫性
　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于飛機(jī)的心臟，是確保飛機(jī)使用性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的決定因素。與第四代戰(zhàn)斗機(jī)配套的推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)已投入廣泛使用，如美國(guó)的/119發(fā)動(dòng)機(jī)已裝備了/22戰(zhàn)斗機(jī)。民用大推力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)如GE90、PW4073/4084、Trent800等為B777、A340等大型寬體客機(jī)所選用。提高推重比或功率重量比、提高渦輪前進(jìn)口溫度、提高壓氣機(jī)平均級(jí)壓比和降低油耗是高性能軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。與軍用發(fā)動(dòng)機(jī)相比，民用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比雖增加不大，但其渦輪前溫度、涵道比和總增壓比的增加，已促使耗油率大幅度下降，僅為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的1/4~1/3。發(fā)達(dá)國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)值已占整個(gè)航空工業(yè)產(chǎn)值的25%~30%。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通常以不銹鋼、高溫合金、難熔金屬及合金加抗氧化涂層或者碳-碳復(fù)合材料加涂層材料為主。渦輪泵是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，其中渦輪盤和葉片工作條件*為苛刻，早期曾采用不銹鋼，后來(lái)發(fā)展演化為鐵基、鎳基、鈷基的高溫合金及它們的金屬間化合物。當(dāng)代高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征是：高能-輕質(zhì)-可控，三者互相關(guān)聯(lián)，而且是以材料和工藝技術(shù)為基礎(chǔ)集成起來(lái)的。先進(jìn)的材料及新工藝的全面應(yīng)用是提高固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)決定性因素。表1-2列出了液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的需求。從前面列舉的航空航天材料的發(fā)展歷程和趨向可以看出，先進(jìn)航空航天產(chǎn)品構(gòu)件越來(lái)越多地采用高性能的新型材料以滿足日益提高的性能要求，特別是在承受高溫的構(gòu)件方面，以金屬間化合物、高溫合金、單晶合金、難熔合金及先進(jìn)陶瓷材料等為代表的新型材料扮演了日益重要的角色。
　　圖1-5為美國(guó)航空航天局（NASA）對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材趨勢(shì)的預(yù)測(cè)
　　由圖可以看出，到2020年ti基復(fù)合材料、ni及fe基金屬間化合物、陶瓷復(fù)合材料、難熔合金與ni基高溫及單晶合金等將占發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的45%左右，其中相當(dāng)一部分關(guān)鍵高溫構(gòu)件要采用凝固和塑性加工制備。就以NiAl基合金來(lái)說(shuō)，通用電氣公司宣布，波音747選用的GENX發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后兩級(jí)葉片采用NiAl合金可減重200kg，表1-3為通用電氣公司NiAl基合金的應(yīng)用情況與發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)在航空航天領(lǐng)域2011~2020年先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)計(jì)劃中也將高性能NiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，見(jiàn)表1.2材料凝固加工的先進(jìn)技術(shù)---定向凝固
　　定向凝固技術(shù)在航空渦輪葉片制備上的成功應(yīng)用以及以Chalmers為代表的定量凝固科學(xué)的出現(xiàn)，使定向凝固工藝的實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究逐漸步入材料定向凝固理論研究領(lǐng)域。這種定向凝固理論研究與技術(shù)發(fā)展的互動(dòng)作用推動(dòng)該技術(shù)的更新?lián)Q代和新型定向凝固材料的出現(xiàn)。定向凝固技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步是人們對(duì)定向凝固理論研究的深化，特別是對(duì)定向凝固過(guò)程四個(gè)基本要素的把握，進(jìn)而在工藝及定向凝固設(shè)備的改進(jìn)上實(shí)施從認(rèn)識(shí)到實(shí)踐的演變過(guò)程，定向凝固理論研究成果促進(jìn)了定向凝固技術(shù)的更新?lián)Q代，拓展了定向凝固技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)了新型定向凝固材料的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也為定向凝固理論研究提出了新課題。
　　定向凝固過(guò)程理論研究的出現(xiàn)可以說(shuō)是在1953年。那時(shí)Chalmers與他的同事在定向凝固方法考察液-固界面形態(tài)演繹的基礎(chǔ)上提出了被人們稱為定量凝固科學(xué)里程碑的成分過(guò)冷理論。因此，從某種意義上講，定向凝固技術(shù)催生了定量凝固科學(xué)，而定向凝固過(guò)程的理論研究也就伴隨著定量凝固科學(xué)的萌生、成長(zhǎng)與發(fā)展而深化。
　　可以看到，近幾十年來(lái)，定向凝固理論研究已成為定量凝固科學(xué)領(lǐng)域不可分割的重要組成部分，并且因定向凝固使復(fù)雜的凝固過(guò)程簡(jiǎn)化為一維凝固過(guò)程，使相變的界面行為簡(jiǎn)化為一維的推進(jìn)，從而使大量凝固行為的考察研究都能在比較簡(jiǎn)化的一維定向凝固條件下進(jìn)行。對(duì)定量凝固科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域的深化而言，定向凝固理論研究提供了一種有效的手段。
　　從另一方面來(lái)看，定向凝固理論研究又是與定向凝固技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步緊密聯(lián)系在一起的。20世紀(jì)60年代，定向凝固技術(shù)成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備，大幅度提高了葉片的高溫性能，使其壽命延長(zhǎng)，從而有力地推動(dòng)了航空工業(yè)發(fā)展。而自20世紀(jì)末以來(lái)，廣泛的單晶葉片與晶體取向控制的研究與應(yīng)用更使先進(jìn)航空航天材料與定向凝固技術(shù)的結(jié)合邁上一個(gè)新的臺(tái)階。這種成功促使人們致力于定向凝固過(guò)程的理論研究，以完善定向凝固技術(shù)，開(kāi)拓定向凝固技術(shù)的新領(lǐng)域，并使大量的新型定向凝固材料及新的定向材料的制備技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)。
　　縱觀幾十年來(lái)定向凝固理論研究歷程與內(nèi)容，大體上有兩大類理論研究，**類是定向凝固技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，這個(gè)領(lǐng)域的研究是應(yīng)定向凝固技術(shù)發(fā)展需要而產(chǎn)生的，它主要涉及定向凝固過(guò)程的熱場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)及溶質(zhì)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分析、定向組織及其控制和組織與性能關(guān)系等。定向凝固理論應(yīng)用基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究，不僅使人們對(duì)定向凝固技術(shù)的工藝過(guò)程有更深層次的了解，還為定向凝固技術(shù)的完善及發(fā)展提供了依據(jù)。第二類則歸結(jié)于定量凝固科學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，這個(gè)領(lǐng)域的研究以定向凝固中液-固界面及其生長(zhǎng)特性研究為主線，涉及液-固界面形態(tài)及其穩(wěn)定性、液-固界面相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、定向凝固過(guò)程晶體生長(zhǎng)行為及微觀組織的演繹等，它豐富充實(shí)了定量凝固科學(xué)，并對(duì)定量凝固科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域的深化起到了推動(dòng)的作用。
　　多年來(lái)生產(chǎn)實(shí)踐與定向凝固應(yīng)用基礎(chǔ)研究說(shuō)明，定向凝固過(guò)程存在四個(gè)基本要素，把握住這四個(gè)基本要素是獲得優(yōu)質(zhì)定向組織的必要條件：熱流的單向性或發(fā)散度；熱流密度或溫度梯度；冷卻速率或結(jié)晶生長(zhǎng)速率與晶體取向；結(jié)晶前沿液態(tài)金屬中的形核控制。
　　正是人們對(duì)定向凝固技術(shù)的工藝過(guò)程有了深層次的了解，定向凝固技術(shù)從20世紀(jì)60年代初期功率降低（PD）法逐步發(fā)展成高速凝固(HRS)法，以后出現(xiàn)液態(tài)金屬冷卻法及后來(lái)定向凝固技術(shù)的種種完善改進(jìn)。這都是人們圍繞上述四個(gè)基本要素的控制所進(jìn)行的大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究的結(jié)果。這種從理論認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)實(shí)踐的演繹過(guò)程生動(dòng)顯示了定向凝固理論研究與定向凝固技術(shù)的互動(dòng)作用。定向凝固理論的另一大類就應(yīng)歸于定量凝固科學(xué)的基礎(chǔ)理論研究。其中定向凝固中

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