发动机材料的故事

我们今天来讲讲发动机材料的故事。

在故事开始前，请先记住一个人，叫做希什金，也就是莫斯科航空航天大学的原材料系主任。

时间回到1941年。彼时，东线战场刚刚开始，正是战火纷飞的时候。

敬爱的斯大林同志了解到外国出现了一种新的高温合金，在700℃工作温度下，在50MPa应力下能扛住100小时不凉，这种东西叫ei435(音译)。

结果1942年的时候，又蹦出了一种新的合金，叫做nimonik-80。它有一种神奇的能力：能够在700℃工作温度，400MPa工作应力下扛住100小时。也就是说，比上一代提高了几倍。

而且，它能够承受800℃工作温度，在200MPa工作压力下扛100小时不坏。

显然，这不是给暖气片用的

显然，高达800℃的工作温度，这玩意不可能是给暖气用的，这种高温合金毫无疑问应该用在未来的喷气式发动机上。

但要说这种合金的来头嘛…全世界没人知道怎么来的。

当时是这样，在某国(不是苏联)的材料研究实验室中，一个设计钢炉子的哥们无意间弄了一种合金出来，他也不知道有啥用，领导听了也不知道有啥用。结果隔壁航空发动机的实验室一听炸了：“你钢炉子用这么好的东西，我们的面子往哪儿搁？”

于是，他们就把这玩意抢走邀功去了，而这就是如今的nimonik-80。

这种合金被苏联买走，斯大林一听那更是炸了：“国外有这东西，我大北极熊居然没有？？？”

尽管时值二战，但是斯大林毕竟是个有科学远见的人。于是他召集了还能找到的所有没在前线的材料学家，一通训话：“做出来，一起得奖；做不出来，一起墙边排好。”

等于就是说：一年时间，要么明年的今天是你们的颁奖日，要么后年的今天是你们的忌日。

当时领头的研究者就是莫航的材料教研室主任，这哥们也不是一般人——一年还真就愣愣地给他试出来了。

我们先说ei435，成分是镍78%，钛1%，铬21%。新研究出来的合金则叫做ei437，成分是镍77%，钛1%，铬21%，还有1%是老相识，铝。这材料系主任希什金大佬认为，3Ni＋Al→Ni₃Al，形成了一种化合物，并命名这东西为γ'相。

这种合金就拥有我刚才说的那些技术参数。

当然，这里我们就需要补充一点关于位错的知识了。

补充一点位错的知识

1921年左右，有学者对理固体承受载荷的能力做出了计算，得到了一个理论值。但很快，科学家们却发现实测的实验值远远低于理论值。然而那年头大部分科学家也不明白这究竟是怎么一回事——直到1956年实验发现了位错的存在，粉碎了对位错理论的一切反对声音之后。[1]

位错理论认为金属变形是通过位错递推式的移动。也就是说，如果有人把位错开上二环，这金属基本坚不可摧——毕竟位错被堵死了。如果再想应变的话，那可就得断键了。

希什金同志是1942年研究的这种合金。在那个时候，位错理论还只是理论，还不完全成熟，也并未被广泛地接纳，而如果等到1956年位错被发现再研究，他已经该过14年忌辰了。[1]

所以传奇的一点来了——他在不了解位错理论的情况下，完全根据经验提出了正确的研发方向。

他提出的方向是什么呢？

首先，既然加铝能提高强度，那就再加点；第二，既然晶界是晶体结构一大弱点，那就加强晶界；第三，往材料里加入难熔化合物。

以今天的观点来看，增加铝的含量是增加了铝镍化合物相的含量。这种相在合金里是散点分布，就像所谓的“满天星”。这些“满天星”的混入就像是你在二环路上撒了包钉子，这下好，直接堵死了，位错开都开不动。

“路面撒钉子”

第二点，加强晶界。晶界是晶体结构一处弱点，就好比二环上给你来个十字路口，车流彻底乱套了的情况。

晶界是对位错移动的一大阻碍，原因就在于晶界处原子排列很不规整。毕竟“位错”虽然名字里有个“错”，那实际上也是一排原子规整地插入晶格结构。

我们知道，遏制混乱的方法之一是制造更大的混乱，这也正是晶界阻碍位错的原因。

同时，晶界又是晶格结构的一大弱点。在低温下，通常我们选择小晶胞结构，利用晶界阻碍位错；但是在高温下，分子的能量很大，晶界的分子开始不老实，所以晶界多了反而影响强度，因此我们往往选择大晶胞结构。

好了，我们再说回希什金。他认为：既然晶界不老实，那我就帮你老实。

所以他往合金里加入了碳和硼。

从化学上来说，碳化钛硼化钛这些个化合物的强度很高。这些东西往晶界里一塞，就像十字路口给倒了一吨502一样，彻底粘牢了。(具体的原理涉及到硼化物碳化物的难熔特点，这里就不多赘述了)

路口倒胶水——彻底粘牢了

于是希什金一琢磨，硼化物碳化物难熔，那钨呢？(钨是熔点最高的金属)

然后他往合金里加了钨，钼，铪等等难熔的合金元素，由此得到的合金叫做rs6，苏27战斗机的发动机用的就是它。

这种合金达到了1000℃工作温度，在200兆帕工作应力下扛100小时的程度，再加上内冷却更是不得了。

然而问题来了，从生活常识也可以知道：金属越硬，变形越难，加工也越难。就好比二环已经堵死了，钉子也撒了，502也灌了，你还跟位错说：“你现在给我开上四环。”一样。

位错已经“堵死了”

这样的事，位错能干？所以这种合金的塑性几乎当场归零。

也就是说：

想锻压？滚

想铣或者车？没门(刀的强度不够)

那么在这种情况下，唯一可用的工艺也就剩下浇铸了。

带着这种想法，希什金到国际大会作报告。他一开始讲如何提高强度，说了要加铝，加碳，加硼，加钨。

这时候底下有个大佬就说：“哥，你给二环堵死了，你让位错咋上四环？你这合金是强，但打算怎么做成发动机叶片呢？”

希什金当然也明白这个问题，但人家是个狠人啊，于是乎，最精彩的地方来了。

这大佬，搞出来ei437之后就从莫航辞职了，跑去专门的材料研究院。搞了一辈子材料，咽气前还抱着材料书。

而这哥们人生最高光的时候就是这两次国际大会。

第一次他提出了这种合金，当着全世界的面说：“是没法用变形方法加工，所以我选择浇铸。”

“所以我选择浇铸”

底下哄堂大笑。

“浇铸零件不能用来做发动机叶片”在那个年代是常识。于是，大会在嘲笑声中结束了。

但希什金这哥们是个狠人啊，他怎么可能不作任何回应呢？

于是他回国就开始搞。5年一次大会，结果这哥们也就花了5年时间，完成了从零到流水线生产的进程。

5年后第二次大会，他先虚着，就坐那儿看笑话。

各国拿着自己的资料上去汇报，基本都900℃顶天了。

然后希什金上台，直接拎着叶片往台上一扔，台下就都傻了。

从此，发动机叶片浇铸反而成了常识。(虽然现在确实也不那么干了)

再简单说一下后事：后来毛子不知道什么个鬼，优势地位没了。今天叶片已经进入了陶瓷时代，剩下的也就都是我们今天要研究的了。

然而，浇铸的这个故事告诉我们：讲道理的人在学者面前用常识显摆，是真的会遭雷劈的。

今天的启示：瞎显摆会遭雷劈的哦（雾）

今天的故事就到这里~

参考文献

[1]钱临照. 晶体缺陷研究的历史回顾[J]. 物理, 1980(04):0-0.