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，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)低下的時代，這種愿望只能停留在幻想階段。1903年，美國萊特兄弟首次把有動力，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產(chǎn)業(yè)部門所取得的巨大進(jìn)展，對國民經(jīng)濟(jì)的眾多部門和社會生活的諸多方面都產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響，推動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)識和駕馭自然注入新的強(qiáng)大動力，航空航天活動的作用將遠(yuǎn)超科學(xué)領(lǐng)域?qū)φ�治、�?jīng)濟(jì)、軍事乃至人類社會生活都會產(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，除了依靠優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還依賴于材料所具有的優(yōu)異特性和功能。由此可見，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)和減重方面可以說是 克克計較，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，對航天飛機(jī)來說，每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益將近10萬美元。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)展趨勢如圖1-2所示9由圖可見，新型材料和改進(jìn)型材料與主動載荷控制、顫振抑制、自動化設(shè)計及先進(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，也正因為這個原因，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
　　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)動機(jī)的發(fā)展對服役溫度的需求如圖1-3所示9由圖可見，目前飛機(jī)蒙皮的**溫度達(dá)1000、以上，而發(fā)動機(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，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)動機(jī)發(fā)展對服役溫度的需求
　　高性能航空航天結(jié)構(gòu)材料對于減輕結(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。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。近來在航空航天產(chǎn)品設(shè)計中引入損傷容限設(shè)計的概念，意味著對材料的韌性要求更高了，有時寧可犧牲一點強(qiáng)度，也要確保韌性的要求，這是由于對航空航天產(chǎn)品已發(fā)展到高可靠性、高耐久性和長壽命的要求。對航空航天飛行器的動力裝置來說，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力裝置中起到了關(guān)鍵性的作用，如航空發(fā)動機(jī)中的單晶渦輪葉片材料和航天固體發(fā)動機(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)動機(jī)已投入廣泛使用，如美國的/119發(fā)動機(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)平均級壓比和降低油耗是高性能軍用發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向。與軍用發(fā)動機(jī)相比，民用發(fā)動機(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)動機(jī)的1/4~1/3。發(fā)達(dá)國家航空發(fā)動機(jī)的產(chǎn)值已占整個航空工業(yè)產(chǎn)值的25%~30%。液體火箭發(fā)動機(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)動機(jī)性能的一項決定性因素。表1-2列出了液體和固體火箭發(fā)動機(jī)對材料的需求。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為美國航空航天局（NASA）對先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)用材趨勢的預(yù)測
　　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基合金來說，通用電氣公司宣布，波音747選用的GENX發(fā)動機(jī)低壓渦輪后兩級葉片采用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)展計劃。我國在航空航天領(lǐng)域2011~2020年先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點計劃中也將高性能NiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開發(fā)的重點，見表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驗技術(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)展的互動作用推動該技術(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)步是人們對定向凝固理論研究的深化，特別是對定向凝固過程四個基本要素的把握，進(jìn)而在工藝及定向凝固設(shè)備的改進(jìn)上實施從認(rèn)識到實踐的演變過程，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，推動了新型定向凝固材料的開發(fā)，同時也為定向凝固理論研究提出了新課題。
　　定向凝固過程理論研究的出現(xiàn)可以說是在1953年。那時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)，而定向凝固過程的理論研究也就伴隨著定量凝固科學(xué)的萌生、成長與發(fā)展而深化。
　　可以看到，近幾十年來，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)雜的凝固過程簡化為一維凝固過程，使相變的界面行為簡化為一維的推進(jìn)，從而使大量凝固行為的考察研究都能在比較簡化的一維定向凝固條件下進(jìn)行。對定量凝固科學(xué)的各個研究領(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，從而有力地推動了航空工業(yè)發(fā)展。而自20世紀(jì)末以來，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)合邁上一個新的臺階。這種成功促使人們致力于定向凝固過程的理論研究，以完善定向凝固技術(shù)，開拓定向凝固技術(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。
　　縱觀幾十年來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程的熱場、流動場及溶質(zhì)場的動態(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，不僅使人們對定向凝固技術(shù)的工藝過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，這個領(lǐng)域的研究以定向凝固中液-固界面及其生長特性研究為主線，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)和動力學(xué)、定向凝固過程晶體生長行為及微觀組織的演繹等，它豐富充實了定量凝固科學(xué)，并對定量凝固科學(xué)的各個研究領(lǐng)域的深化起到了推動的作用。
　　多年來生產(chǎn)實踐與定向凝固應(yīng)用基礎(chǔ)研究說明，定向凝固過程存在四個基本要素，把握住這四個基本要素是獲得優(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。
　　正是人們對定向凝固技術(shù)的工藝過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)識到生產(chǎn)實踐的演繹過程生動顯示了定向凝固理論研究與定向凝固技術(shù)的互動作用。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

　　……