01
發動機渦輪材料備選
最近珠海航展剛結束，從航天到低空，從飛機、導彈到無人裝備、坦克、電子對抗系統應有盡有，尤其是以AES100發動機為代表的國產多型發動機，吸引了眾多客商的注意。
要知道，航空發動機的研製是“研究-設計-試驗-修改設計-再試驗”的反覆迭代過程。研製一臺新型發動機，一般需要10萬小時的零部件試驗、4萬小時的附件試驗和1萬小時的整機試驗；再加上航空發動機的製造涉及合金材料、結構、塗層與特種焊接等眾多難度極高的先進製造技術，才能製造出這麼一個直徑約1米、長度4到5米的“圓筒”，並且能夠持續不斷地產生上萬公斤、相當於自身重量8到10倍的推力……可以說這是一個神奇的大型試驗工程產物。
既然是實驗工程，那也同時意味著多種可能的存在，比如在關鍵材料上的選擇。
發動機通常是由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣裝置等部分構成的，當發動機工作時，空氣透過進氣道進入壓氣機，加壓加速後，在燃燒室中和燃料混合燃燒，產生具有極高能量的高溫氣體，推動後方的渦輪旋轉工作，從而為飛機飛行提供強勁動力。
一般情況下，航空發動機的工作表現與溫度成正比：隨著溫度升高，燃料燃燒的效率也越高，這意味著它們可以用同樣體積的推進劑飛得更遠。但發動機如果太熱，或者超過1150攝氏度時，發動機渦輪中的鎳基高溫合金會開始軟化和彎曲，這會迅速引起發動機故障。
比如波音787的另一款引擎瑞達1000（羅羅公司出品）的總壓比52:1，升溫非常可觀，在高壓渦輪前還有一個燃燒室，是真正惡劣的環境。另外如F22御用發動機的渦前溫度為1703℃（客機渦扇發動機渦前溫度沒有那麼高），絕大部分金屬在這裡就傻眼了。
對此，新 的 冶金材料領域或許可以提供不一樣的解決方法，那就是高熵合金（high-entropy alloy）。
02
顛覆傳統合金
合金大家一定不陌生，早在幾千年前，古代人類學會從礦石中冶煉金屬後，便學會了將銅和錫兩種金屬製作成合金，從而誕生青銅；銅和鋅結合，則創造出黃銅……不斷有新元素金屬被提煉生產，各種合金也就隨之而來。但當新的金屬元素長久地不出現，合金成分設計也就再難有很大突破。
很多研究者嘗試從製程改變合金的材質，比如在鑄造、加工環節，在材料表面上鍍一層不一樣的金屬，或是利用鍛制的手法改變合金形狀等，從後端的製造方式改善材料性質。但就算在製程上改來改去，得到的合金材料也很再有大突破。
“高熵合金”整個思路就跟傳統合金不一樣。傳統合金實際上還是基於經驗主義，透過調整合金中的化學成分（元素種類和比例）來控制其微觀結構，通常以一種或幾種材料為“基底”，新增少量其他元素來提高其高溫強度、抗氧化性等等。
例如鋁合金，就是以鋁為主，加入微量的鎂及矽就能得到容易成型且具有中等強度的鋁門窗材料；若加入適量的鋅、鎂、銅元素，則成高強度鋁合金，可用於飛機、火箭結構體。而鋼鐵材料則以鐵為主，加入碳得到碳鋼，碳越多強度越高，當碳含量超過重量百分比2％時，就成為鑄造性良好的鑄鐵。
但是高熵合金通常可是由五種或五種以上的金屬元素混合，且這些元素的比例接近等原子比，這意味著，高熵合金中A、B、C、D、E五種元素的原子的數量是相等的。如果說傳統合金是單一的威士忌酒，那高熵合金就像調製綜合果汁，在合金設計快要走到盡頭的時候又為材料學找到了一個新領域。
“熵”本來是一個熱力學概念，一個系統越混亂，熵值就越高；反過來，一個系統內部越有規律、結構越清晰，熵值就越低。高熵合金就是要在混亂中發現新材料。
但問題是，這麼多元素混合到一起很容易形成大量脆性化合物。以前不是沒人嘗試過這個路線，只不過元素種類過多很容易讓合金喪失延展性，變得又硬又脆，容易發生斷裂等狀況，所以傳統合金才會把主要金屬的比例控制在80％以上。
如果為了耐高溫去盲目混合多種元素的金屬，晶體中具有強健原子鍵的合金確實能製造出能夠承受更高溫度的金屬，但是力學效能會變差。這種材料用到航空發動機中，如果不小心捲進一隻鴿子，整個發動機都得報廢。
但這也不代表那麼多種金屬元素，都沒辦法組合出接近完美的高熵合金。元素週期表中大概有50種金屬具有理想特性，非金屬材料如氧化物和陶瓷也能用，其中任意五種等比例組合就可能產生超200萬種潛在新材料。再加上高熵合金裡的元素可以增減，濃度也可以變化，所以實際上可能性幾乎無窮盡。
03
好用但貴，只適合高階應用
其實關於高熵合金的研究已經進行了快20年，研究人員發現以前金屬元素一多，合金就脆化的毛病，主要還是因為熵不夠高，而高熵思路之下做出的新型合金已經頗具成果。其中最重要的兩大類，就是難熔高熵合金和輕質高熵合金。
前者有優異的耐高溫、高強度、高硬度、抗輻照效能，被認為是製造高溫渦輪葉片的最佳材料之一，可保證渦輪葉片長期、穩定地工作，提高服役安全性，減少葉片的磨損、腐蝕失效。美國多用途先進渦輪發動機計劃（VAATE）、歐洲先進核心軍用發動機計劃（AC-ME）等都把高熵合金納入到第五代高效能航空發動機的研發中。
如果瞭解汽車，會知道車身機構設計的時候要兼顧耐撞擊性，最好能透過材料變形吸收撞擊能量；同時座艙本身還要具備足夠的鋼性，保護車內乘客所在空間不會潰縮，並讓乘客在撞擊後仍能如常開啟車門。
那為什麼我們平時看不到高熵合金的應用訊息呢？主要還是成本高。國內這個領域的研究團隊並不少，但即使是過渡元素系列的高熵合金，也比傳統鐵基合金，甚至比部分鎳基合金成本高，多數輕質高熵合金和難熔高熵合金的材料不僅貴製造工藝也不夠成熟。
此外，高熵合金可選擇的元素種類眾多，高熵合金體系數量也非常龐大，透過模擬模擬對高熵合金成分進行篩選是一個重要的研究方向。然而，國內對於高熵合金資料庫搭建的重視程度不夠，如開發新型高熵合金所使用到的熱力學資料庫與相圖計算軟體大多來源於美國、瑞典等國家，在一定程度上使高熵合金材料的研發受制於人。
我國高熵合金領域尚缺少行之有效的模擬計算能力，難以精確預測其結構和效能，高熵合金的理論資料庫搭建和模擬能力有待進一步完善。 別人現在都在火箭上用不鏽鋼省錢了，你還能大面積應用高熵合金嗎？
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編輯｜張毅
稽核｜吳新
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