航空發(fā)動機號稱現代工業(yè)“皇冠上的明珠”，而高溫合金的渦輪盤則被稱為飛機發(fā)動機中最核心的部件。目前，在先進的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達80%左右。所以，高溫合金材料也被譽為“先進發(fā)動機基石”。憑借霍尼韋爾在航空高溫合金材料方面的多年積累，其豐富的高溫合金材料寶庫為汽車行業(yè)的應用提供多種可能。
?
高溫合金最先是由英美國家在二戰(zhàn)爆發(fā)前開始研發(fā)的。英國早期研制了Ni3(Al,Ti)強化的Nimonic80系列合金，用作渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片材料。歸納起來，高溫合金按其物理特性大致分為三類：
高強度型如MM247,MM246In100, MM002
耐腐蝕型：in738，in792,Rene80
低密度型：In713
美國則開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金，也是最普遍的合金材料。如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。
近年，隨著定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機械合金化、陶瓷型芯、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度可接近初熔點的90%。目前第四代單晶高溫合金使用溫度已經達到約1100℃。
渦輪高溫合金材料演化
在高溫考驗面前，值得一提的是一位輕量級的后起之秀——耐高溫能力在650℃-750℃的鈦鋁合金Ti-48Al-2Cr-2Nb。鈦鋁合金最大的優(yōu)點是輕巧，僅僅制造了一款發(fā)動機的最后兩級低壓渦輪葉片，就使得單臺發(fā)動機減重約200磅，節(jié)油20%，氮化物排放量減少80%，噪音顯著降低。2007年用于波音787飛機并試飛成功，2009年正式投入商業(yè)運營，成為當時航空與材料領域轟動性的進展。而這一材料也已經應用到汽車渦輪增壓發(fā)動機的葉片上，顯著地提高了汽車發(fā)動機的低速扭矩及加速性能。
雖然從性能表現上能夠替代鎳基高溫合金，但目前，阻礙鈦鋁合金普遍應用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。隨著汽車行業(yè)對排放要求越來越高，排放溫度從900度提高到1050度及以上，將會有更多的航空高溫合金材料應用到汽車渦輪增壓器。
壓輪應用：全能選手“王牌合金”與親民“老司機”
鈦合金和鋁合金可以說是大家耳熟能詳的合金材料，在日常生活中被廣泛采用。前者的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，在苛刻的應用條件下表現出高可靠性，比如在假肢、心臟支架的材料等生物醫(yī)療領域，鈦合金被廣泛使用，也大量應用在航空發(fā)動機上。
鈦合金的應用在汽車行業(yè)也越來越受到重視，例如，在超重型的卡車及礦山機械作業(yè)車中已有大量鈦合金壓輪在運用。
另外值得注意的是，有的手機、眼鏡廠商為了提高產品檔次、宣稱其外殼采用了“鈦合金”，這時建議睜大“鈦合金X眼”, 不要被它的表親“鋁合金”蒙蔽。
壓輪
相對于鈦合金的成本，鋁合金則是一個更親民的選擇。它是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，其比強度高在航空領域中已大量應用。比如，AL2618鋁板可用于形狀復雜的自由鍛件與模鍛件，還可用于工作溫度250~300攝氏度的航天航空器零件，比如飛機蒙皮、航空器發(fā)動機活塞、導風輪、輪盤等。隨著汽車對渦輪增壓器可靠性要求的提高，對工藝要求更為精細，傳統的葉輪鑄造技術已經被五軸機加工技術取代，葉輪的材料正是來自于航空鋁合金材料。
軸承：能磨耐轉真漢紙，氣浮永壽高精尖
除了渦輪壓輪材料，增壓器的另一個核心部件——軸承，對材料也提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
軸承作為各種機械運動的支撐，其工作環(huán)境可能是超高溫，超低溫，強腐蝕，也可能是強沖擊，超高速，強磨損等等。在所有球軸承中，航空發(fā)動機的主軸軸承是對高溫，高速性能要求是最高的，能承載每分鐘30萬轉的高轉速。熱等靜壓的氮化硅陶瓷材料為工作溫度高于550攝氏度帶來希望。目前，陶瓷材料的滾珠軸承已成功的應用在霍尼韋爾的汽車渦輪增壓器上。
球軸承
另一個更加顛覆性的設計就是空氣軸承，又稱為氣浮軸承。它指的是用氣體（通常是空氣，但也有可能是其它氣體）而非潤滑油，作為潤滑劑的滑動軸承。
氣比油粘滯性小，耐高溫，無污染，因而可用于高速機器、儀器及放射性裝置中。目前，霍尼韋爾已經成功地將航空的空氣軸承技術引入到新能源車（氫燃料電池技術）的電子增壓器中，完全避免了任何機油或油脂對燃料電池的腐蝕。
以下是空氣軸承的顯著優(yōu)點：
軸承內部沒有任何金屬與金屬之間的接觸，如果供給的空氣清潔、且沒有油和水，將確保實際上無限的壽命
空氣軸承會從軸承尾部不斷排除空氣，這就形成了阻礙外部有害污染物（如：原料碎片、或者切割液）進入的天然屏障
空氣軸承提供極高的徑向和軸向旋轉精度。由于沒有機械接觸，磨損程度降到了最低，從而確保精度始終保持穩(wěn)定。
空氣軸承內部的低剪切力，能夠在提供極高轉速的同時，將動力損失降到最低，并使產生的熱量非常小。轉速可以超過300,000轉/分鐘
空氣軸承能夠支撐很大的負載，所以使得它們能夠被應用于很多行業(yè)的機械工具中。
空氣主軸運行時，只產生最小幅度的振動和可聞噪音。典型的平衡標準：G0.4或者更高
空氣軸承實物及示意圖
欲了解更多空氣軸承和電動增壓器的設計詳情，請看本期二條推送。
高溫保護涂層——多重防護不能省
盡管高溫合金耐得住真火考驗，但在高溫環(huán)境介質作用下，結構材料通常發(fā)生高溫氧化和腐蝕現象，使得工件的有效截面積減少，并易出現裂紋源，最終造成機器零件在工作狀態(tài)早期破壞。因此，為防護高溫合金結構材料的安全應用，減輕和消除氧化、腐蝕的有害影響，一般均要求進行表面涂層防護。而高推重比發(fā)動機也對高溫合金提出了新的挑戰(zhàn)。推重比10發(fā)動機渦輪前溫度已達1650℃，超過鎳基合金的熔點，而目前較多的高溫合金使用溫度普遍達到1000℃左右，沒有防護涂層或隔熱涂層是不能應用的。
?
高溫合金防護涂層至今已由第一代固體包埋滲鋁發(fā)展到第二代二元或多元共滲，其中Pt-Al涂層最有名。70年代美國研制出第三代MCrAlY（M＝Ni、Fe、Co）涂層。截止20世紀末，第四代隔熱（熱障）涂層研制成功并已開始得到廣泛應用，熱障涂層的隔熱作用，可使金屬基體表面溫度降低200℃左右，即可使渦輪葉片相應提高其使用溫度，從而大大提高發(fā)動機的推力或推重比。同時，在氧化物涂層與合金基體之間的MCrAlY結合層，可以滿足使用部件抗高溫腐蝕性能要求和壽命要求。目前，正在有多種嘗試在渦輪增壓器上使用高溫合金防護涂層，并在努力使之降到汽車廠商可接受的成本范圍。
?