TiB2/Al复合材料风扇叶片

照片上的这个叶片是一个民用大涵道比涡扇发动机的风扇叶片，这款叶片具有变厚度、大弯掠、高扭转等特点，叶高约720mm，叶尖弦长约374mm，是目前国内最大尺寸的风扇叶片。叶片采用了一种新型的复合材料，该材料是一种新型的轻质、高强复合材料，力学性能优异。西北工业大学张定华、汪文虎教授课题组与商发、上海交通大学特种材料研究所、中航宏远公司合作，突破了该新型材料风扇/压气机叶片的切削变形、表面完整性控制等技术难题，成功试制出了风扇叶片及增压级转、静子叶片。

这种新型复合材料看起来银光闪闪，不像是航空工业常用的碳纤维复合材料，但它确实是一种复合材料，只不过不是我们常见的树脂基复合材料，它是一种金属基复合材料。也就是说它的基体材料是一种金属材料，然后和增强材料复合而成。这里的金属材料是铝合金，而增强材料是陶瓷颗粒，陶瓷颗粒可以是碳化硅、硼化钛等各种陶瓷材料。

铝是一种非常常见的金属材料，我们常用的手机、电脑、平板电脑等经常都选用它来做外壳，但铝的缺点也很明显，虽然韧性不错，但太软，容易变形、也容易断裂。某款国际著名品牌的手机就可以轻易用手掰弯，用的就是某牌号的铝合金。而陶瓷是非常坚硬的材料，但是很容易破碎。如果把陶瓷材料掺到铝里，制作出来的材料能否兼具两者优点？目前国际上传统方法是先把陶瓷制成颗粒或纤维，然后用搅拌铸造或粉末冶金的方法混入铝合金中制备铝基复合材料，这种办法能提高材料的强度和刚度，但是加工成形困难、强度及塑性性能不稳定，严重阻碍了工程应用。

上世纪90年代，我国复合材料的创始人之一、上海交大金属基复合材料国家重点实验室创建者吴人洁教授独辟蹊径，提出了“原位自生”方法，在铝合金中长出陶瓷增强体，制备铝基复合材料。上海交大材料科学与工程学院王浩伟教授团队通过熔体控制自生，陶瓷颗粒的尺寸由几十微米降低到纳米级，突破了外加陶瓷铝基复合材料塑性低、加工难等应用瓶颈。将这一理论设想成功付诸实践，研制成功纳米陶瓷铝基复合材料，成为世界首创。这种新型复合材料被国产大飞机C919总设计师吴光辉称为：纳米陶瓷铝合金。

纳米陶瓷铝合金重量轻，具有高刚度、高强度、抗疲劳、低膨胀、高阻尼、耐高温等特点，其强度是同等重量的钛合金的1.5倍、镁合金的2倍、高强钢的3倍。一代材料，一代飞机，从莱特兄弟的木制飞机，到铝合金飞机，到重量轻、抗腐蚀、耐疲劳的铝锂合金材料，再到“梦想飞机”787之类的碳纤维复合材料，航空技术的发展和航空材料技术进步密不可分。目前，虽然宽体客机更适合用碳纤维复合材料，但像C919这类窄体客机则更需要金属复合材料，纳米陶瓷铝合金作为金属复合材料中的新成员，比其它已有的金属复合材料都要好。所以纳米陶瓷铝合金以其更大的减重潜力，工艺性好、成本低等优点有望成为下一代航空新材料，促进我国航空领域的发展，使国产大飞机更轻更安全，更加环保节能。

目前纳米陶瓷铝合金已经发展成多种金属基复合材料，如SiC/AL、TiB2/Al等各种类型，可以广泛应用在航空发动机上，用于制造风扇叶片和高压压气机的前级叶片。现代民用航空发动机设计指标不断提高，大推力、低油耗、高可靠已经成为新的发展方向，高性能金属基复合材料的广泛应用成为下一代航空发动机的重要特征。以本文开头我们提到的叶片为例，其采用了原位自生TiB2/Al复合材料，因接近Ti合金的力学性能和更高的比强度，成为我国下一代商用大涵道比发动机风扇/压气机叶片的理想材料。用TiB2/Al复合材料制造的叶片，重量相当于空心率为33%的钛合金空心叶片，如采用空心设计，其重量可以达到空心率为45%以上的钛合金空心叶片的技术水平，可有效减轻发动机重量。此外，这种材料耐冰雹、鸟撞冲击等能力比碳纤维环氧树脂复合材料更好，具有7倍于树脂基复合材料的抗冲蚀（沙子、雨水等）能力，且任何损伤易于发现，并使成本下降1/3以上。目前国际航空发动机主承制商已经建立起以钛合金、树脂基复合材料和SiC增强铝基复合材料叶片为基础的专利技术壁垒，而纳米陶瓷铝合金可以使我国有效规避这些技术壁垒。形成具有自主知识产权的下一代航空发动机复合材料叶片设计和制造能力，填补了国内在该领域的空白。

各种纳米陶瓷铝合金3D打印粉体材料

通过把纳米陶瓷颗粒引入到铝合金，提高了材料的刚度、强度，同时保持了铝合金良好的加工制造性能，突破了规模化工程应用的瓶颈。纳米陶瓷铝合金另一个重要优点是具有优良的加工工艺性。可以用传统机加工手段进行加工，也可以采用3D打印技术来加工，并且纳米陶瓷铝合金3D打印构件可以达到锻件的性能。具有这样优良工艺性的原因是因为纳米陶瓷铝合金是各项同性的，不像非金属的复合材料是各项异性的。非金属的复合材料通常是由纤维和树脂复合而成。也就是说，可能沿者纤维方向抗拉性能很好，但是换个方向比如层间方向就不行了，很容易剥离。而且一旦成型最多只能修个边，钻个孔啥的。车、铣、铆、锻等传统机加工工艺手段是绝对不能用的，因为那样直接就把里面的纤维搞乱了，材料等于就报废了。但是纳米陶瓷铝合金却可以采用传统的加工手段，因为里面的陶瓷颗粒是纳米级的，整个材料性能更接近于金属材料。通常的金属基复合材料也是类似于用碳纤维或陶瓷纤维和加热至液态的金属复合而成，但这样做出来的金属基复合材料也会有非金属复合材料一样的缺点。而纳米陶瓷铝合金既有复合材料的优点，又没有所有非金属复合材料的缺点 ，连传统的金属基复合材料的缺点都没有，可以说是非常的完美。

纳米陶瓷铝合金不光可以用在航空技术领域，也可以用在航天领域，目前已用于天宫一号、天宫二号、量子卫星、气象卫星等关键部件上，随着这些卫星成功翱翔于太空。最后们来看看纳米陶瓷铝合金在航天技术领域取得的一些技术成果。

“天宫二号”高性能的SiC颗粒增强铝基复合材料及其构件，包括镜筒、基座、支架、探测器箱、底板、支撑梁、支撑框、组件座等，共计45个品种、200余个实用构件，应用于冷原子钟、激光通讯、光谱仪、量子密钥等4种关键载荷，为以上各种精密仪器和机构的稳定运行提供了保障。

“天宫二号”上应用的原位自生纳米陶瓷铝基复合材料构件