高溫合金雜質(zhì)控制水平國內(nèi)外對比分析研究

操齊高 馬光 鄭晶

摘要：雜質(zhì)元素種類、含量對高溫合金性能起著決定性的影響。本文對影響高溫合金性能的雜質(zhì)元素進行了分析介紹，并通過對比分析研究了國內(nèi)外高溫合金雜質(zhì)控制水平現(xiàn)狀，綜合考慮高溫合金的雜質(zhì)元素主要來源于原材料，而且許多有害元素在后續(xù)工藝過程中很難去除的現(xiàn)實狀況，建議在高品質(zhì)高溫合金的研制和開發(fā)中采用高純原材料、特別是采用針對合金中的某些元素進行針對性提純后的原材料，通過控制原材料的雜質(zhì)來控制高溫合金中雜質(zhì)元素數(shù)量及含量，提高我國高溫合金的性能水平。

關(guān)鍵詞：高溫合金;雜質(zhì);原材料;對比分析。

中圖分類號：TG13?????文獻標識碼：A??文章編號：1674-098X（2015）010（c）-0000-00

Comparative?Analysis?of?the?Control?of?Impurities?in?Domestic?and?Foreign?Superalloys

CAO?Qigao，?MA?Guang，?ZHENG?Jing

（Northwest?Institute?for?Nonferrous?Metal?Research，?Xian，?Shanxi?710016，?China）

Abstract：?The?performance?of?superalloys?was?affected?heavily?by?the?amount?and?content?of?impurity?elements.?In?this?paper，?the?impurity?elements?affecting?the?properties?of?superalloys?were?analyzed，?and?the?comparative?analysis?of?the?control?of?impurities?in?domestic?and?foreign?superalloys?was?studied.?Considering?that?the?impurity?elements?in?superalloys?were?mainly?derived?from?raw?materials，?though?many?of?them?its?very?difficult?to?remove?in?the?following?process.?It?was?suggested?that?high?purity?raw?materials?should?be?used，?especially?the?raw?materials?purified?with?specific?elements.?To?improve?the?performance?of?the?domestic?superalloys，?the?most?potential?way?is?controlling?the?amount?and?content?of?impurities?in?superalloys?by?controlling?the?impurities?in?the?raw?materials.

Keywords：?Superalloy;?Impurity;?Raw?materials;?Comparative?Analysis。

眾所周知，航空發(fā)動機是制約我國飛機發(fā)展的主要瓶頸。先進的航空發(fā)動機需滿足以下四個重要指標：大的推重比、高可靠性、高工作穩(wěn)定性和低燃油消耗率。要獲得大的推重比，具有先進性能的高溫合金材料是其主要支撐技術(shù)之一。國內(nèi)與國外差距巨大，其重要原因是合金雜質(zhì)元素控制水平低造成的。合金雜質(zhì)元素對高溫合金持久、蠕變等性能會產(chǎn)生嚴重的影響，必須把它們的含量和數(shù)量控制到盡可能低的水平。

高溫合金中除固溶強化和沉淀強化元素外，還含有幾十種微量元素。所謂微量元素就是含量很低，甚至ppm量級就能明顯影響高溫合金力學性能和組織的那些元素。微量元素通常可分為有益的微量元素和有害的微量元素，前者如C、B、Ti、Zr、稀土元素等，而后者即為雜質(zhì)元素。殘留在高溫合金中的雜質(zhì)元素多達五、六十種，它們對高溫合金的影響機理與雜質(zhì)元素種類、數(shù)量和偏析程度以及高溫合金種類有關(guān)。大量研究表明，隨著高溫合金中雜質(zhì)元素含量的增加，高溫合金高溫力學性能會急劇下滑，從而表現(xiàn)出高溫合金性能的巨大差異。[1]

眾所周知，美國等國家的高溫合金的性能十分優(yōu)異，主要是其在合金雜質(zhì)控制方面都達到了很高水平，其雜質(zhì)元素控制數(shù)量多且控制含量低。此外，他們針對鑄造、變形以及粉末等不同類型的高溫合金做出了統(tǒng)一的標準;而我國在這方面沒有統(tǒng)一標準。

1??國外高溫合金雜質(zhì)控制情況

按照GE公司標準P29TF19[2]，鑄造、變形以及粉末高溫合金中雜質(zhì)元素數(shù)量和含量分別需達到P29TF19標準中的A級、B級和C級。如GE公司單晶鑄造高溫合金René?N5標準C50TF87[3]，規(guī)定其微量雜質(zhì)元素數(shù)量和含量需達到P29TF19標準中的A級，即除按照AMS?2280標準[4]控制Bi、Pb、Se、Te、Tl等五害元素的含量在（0.5～5）×10-6以下之外，把Ag也控制在5×10-6以下，而且還要控制其余如Sb、As、Cd、Ga、Ge、In、Sn、Zn、K、Cl、Li等39個元素，這39個元素都要求控制在25×10-6以下，39個元素的總含量不得超過400×10-6;另外，雜質(zhì)元素控制數(shù)量及含量除需滿足P29TF19標準A級要求之外，還需對N、O、S、P、Mn、Si、V等元素含量進行控制。

而實際上美國現(xiàn)有鑄造高溫合金對關(guān)鍵微量雜質(zhì)元素控制水平提出了更高的要求，P29TF19標準中規(guī)定的45個元素含量的總和通常都在100×10-6。由此可見，高品質(zhì)高溫合金對于微量雜質(zhì)元素控制的高要求已成為一種趨勢。

2??國內(nèi)高溫合金雜質(zhì)控制情況

相比于GE公司的標準，目前國產(chǎn)的鑄造高溫合金在雜質(zhì)元素的控制數(shù)量及含量上都還有較大差距。DD5是我國仿照René?N5研制的第二代單晶高溫合金，雖然其五害元素及銀的最低控制含量已達到了AMS?2280標準，但控制雜質(zhì)元素的種類還差得較多。DD6[5]是我國研制的第二代定向凝固單晶高溫合金，其生產(chǎn)采用國產(chǎn)原材料，雜質(zhì)元素控制要求如表2所示，其控制雜質(zhì)數(shù)目僅為19個。雖然其部分有害元素的最低控制含量已達到了AMS?2280標準，但在其它雜質(zhì)元素的數(shù)量和含量控制上較René?N5相比還相去甚遠。在雜質(zhì)元素含量控制上，如René?N5中S、P、Zr、Ti的質(zhì)量百分數(shù)分別需控制在0.003、0.005、0.02、0.04以下，而DD6中S、P、Zr、Ti質(zhì)量百分數(shù)只分別控制到0.004、0.018、0.10、0.10以下。作為要求最高的單晶合金其雜質(zhì)的控制數(shù)量遠低于美國的同類產(chǎn)品的要求，更不要說定向凝固柱晶高溫合金以及等軸晶高溫合金了。

3??結(jié)論

通過以上對比分析，可以得出我國高溫合金在雜質(zhì)控制水平方面與美國還有想當大的差距。要提高我國高溫合金品質(zhì)，降低高溫合金中有害雜質(zhì)的含量最有效的辦法是選擇優(yōu)質(zhì)原材料，嚴格控制冶煉工藝和精鑄工藝，所以，中國高溫合金質(zhì)量水平的提高，在很大程度上還依賴于國產(chǎn)原材料的質(zhì)量水平。建議針對我國先進發(fā)動機用高品質(zhì)高溫合金雜質(zhì)控制的要求，通過濕法化學分離、物理純化等技術(shù)手段，研究國產(chǎn)原材料純凈化方法和理論，獲得原材料痕量元素控制方法。

參考文獻：

[1]?郭建亭.?高溫合金材料學（上冊）[M].?北京：科學出版社.?2008.?168.

[2]?Acceptability?Limits?Trace?Element?in?Superalloys.?美國企業(yè)標準P29TF19.?1993.

[3]?Premium?Quality?ReneN-5?Vacuum?Cast?and?Directionally?Solidified?Single?Crystal?Turbine?Blades?and?Vanes.?美國企業(yè)標準C50TF87.?2005.

[4]?美國宇航標準AMS2280.?1975.

[5]?高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號.?中國國家標準GB/T?14992-2005.