粉末冶金技術在航空發動機中的應用

邱智海 曾維平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.010

摘 要：文章針對粉末冶金進行分析，并對難熔金屬金屬、鈦基合金、氧化物彌散強化合金、超高溫合金以及噴涂合金粉末等多種帶有明顯特征的航空發動機的粉末冶金技術。在這其中，對鈦基合金粉末與高溫合金粉末以及噴涂合金粉末的制造預備的關鍵進行重點的研究和探析。還對噴射成形和熱等靜壓以及注射成形以及迅速成形的工藝特征與發展狀態。最重要的是對粉末冶金技術在航空發動機的使用進行全方位多角度的研究與探析，并做以簡單的論述，為相關人員提供參考意見。

關鍵詞：粉末冶金技術 航空發動機 應用

中圖分類號：V263 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0010-03

粉末冶金技術的特點是對性能高的材料進行制造的技術，并且對航空發動機有直接和緊密的聯系。粉末冶金技術不但可以制作配備出沒有宏觀偏差、晶粒細微、組織非常均衡、各向同性、熱加工性能過硬的復合材料與合金材料，大大提升了粉末冶金材料的疲勞能力與屈服能力，還可以實現零部件的最終成型。粉末冶金技術在航空的發動機的重要熱端零件與別的航空發動機零件的全新材料的優質制造設備科學技術。航空飛機的心臟是航空發動機，而航空發動機性能的好壞會直接影響到飛機的眾多指標和安全性質。伴隨我國航空發動機轉向多元化、多性能以及大型化的角度擴展以及在渦輪之前燃氣的不斷提升，零部件承受更大的負荷壓力，工作的狀況也越來越惡化，與此同時，對航空發動機的重要部件的功能的標準提出了更為嚴峻的要求。另外，渦輪盤與渦輪葉片的重要部件可以承擔的壓縮比與燃燒的溫度更能夠提升航空發動機的燃油的經濟特征，降低排放與延長航空發電機的使用年限。根據以上的陳述，性能較強的航空發動機的發展壯大與粉末冶金技術的提升存在緊密的聯系。文章主要是針對在航空發電機中應用眾多形式不同的粉末冶金材料和粉末冶金設備、粉末成形以及粉末的增強重要技術進行的分析，使粉末冶金技術可以在航空的發動機中得到有效的應用。以下是具體的論述。

1 在航空發動機中使用的粉末冶金材料具體種類

1.1 P/M鈦基合金

鈦基合金的優勢是耐腐蝕性強、強度較高以及熱強的性能強。其最主要應用在對航空發動機的壓氣機的中壓氣機中的機盤、機葉、風扇以及連接環與導航儀。鈦合金取代鋼或者是高溫合金能夠顯著降低發動機的所承受的重量，提升發動機的推重比重。以上零部件的標準是在高溫的狀況下呈現非常強的強度與高溫的蠕變抵抗力，持久的強度與穩定組織性。P/M鈦合金的伸拉所具備的性能可以大大超出熔斷材的質量。但是在P/M鈦合金中出現的雜質所含的數量以及鈦合金的孔隙，這些都會使鈦合金出現疲勞性的減少。在提升密集度與精華工藝程序是P/M鈦合金當前最應該解決的狀況。

鈦合金金屬間的化合物的復合材料主要是由氧化物、碳化物以及二硼化鈦等顆粒當成提升相，其主要的特點是抗氧化的能力非常強、抗蠕變的特性也非常強、密度較低。溫度可以到達816 ℃～982 ℃之間。促使鈦合金能夠在航空發動機應用的位置是從風扇與風壓機變換到渦輪長中，并且合適于制造預備的高壓壓氣的發電機的機片以及低壓渦輪的發電機的也變。鈦鋁合金的基復合的材質是使用粉末冶金、高溫組合、熱壓以及靜壓、放電等離子體的燒結和噴射堆積、沖擊波的固組成法等方式的制作設備。但是鈦鋁合金的基復合的材質會增大熱加工的難度性，整體的功能性也要大力提升，在當前的航空發電技術中還沒有應用此項技術。

1.2 噴涂合金粉末

熱噴涂粉末會應用在航空發電機的抗高溫燒濁涂層、封閉涂層、熱障涂層抗磨抗損中，涂層技術對于航空發電機的重要部位進行高溫的防護，以及封嚴耐磨、高溫零件的阻燃和防止磨損的狀況中，存在非常重要的價值。涂層不僅可以提升發動機重點零件在高溫的影響下抵抗侵蝕的重要性，以及在炎熱的狀況下出現抵抗零件疲勞的能力，以此增加航空發電機的使用年限。熱噴粉末的成分具體是指：氧化物陶瓷粉末、合金粉末、金屬陶瓷粉末以及純金屬粉末。在美國的飛機的發電機中使用的熱噴技術所需的零件數目大概是7 000件除外。熱噴涂粉末和別的冶金所需要的粉末有很多不一樣的地方，它對粉末的要求非常高，具體體現在粉末的顆粒形狀要小而精、要具備高度的球形、良好的流動、顆粒的分布范圍要小、所含的氣體和雜質量一定要低、松裝的密集程度要符合規定的標準。

1.3 氧化物彌漫強化合金

鎳基氧化物彌散強化合金可以當成渦輪噴氣發動機器中的渦輪葉片和導向葉片，這種粉末不僅可以在高溫的狀況下得到有效的使用，還可以忍受帶來的負重疲勞、氣體的蠕變以及氣體受到的氣勢。鎳基ODS合金能夠抵擋強度較大的蠕變性質，其最重要的原因是氧化物存在的彌漫強化的作用和增強晶狀物的移動與滑動。具有代表性的鎳基ODS合金主要有3種，分別是MA754、MA600以及MA760。鎳基ODS合金主要是運用熱擠壓制作方式以及機械合金的制作方式，主要有3個關鍵的步驟，分別是熱擠壓和熱軋制、機械合金化以及進行熱處理。只有提升氧化物彌散強化合金的氧化顆粒形狀才能更好地提升科學技術水平，增添Hf勻速可以促使氧化物的顆粒的尺寸由原來的30 nm減少到5～10 nm（見圖1），與此同時，也為氧化物的根本體積面的掌控創造了全新的方式，在強化晶界降低晶界逃離規定范圍的方向開展工作，并且對柱狀的晶粒所具有的力學性質存在的各異性提供解決方案，尤其是占據橫向方位的晶界的蠕變的村若星的狀況是增大鎳基ODS合金使用的重點。

1.4 難熔金屬

鈮合金、鎢合金、鉬合金以及鉭合金都是難熔的金屬。鉬銅合金可以當成固體火箭發動機的幫襯材料，Ta-10W-2.5H合金主要應用于液體火箭噴管中的噴嘴，Ta-10W合金在火箭發動機中的噴管的阿波羅以及燃氣的擾流片的實驗燃燒的實驗室中。在這些難熔的金屬中，密度系數最小的是鈮合金，并且強度呈現1 100 ℃～1650 ℃中，仍然具有較強的焊接能力和對室內溫度有效控制的能力，還能在薄板的制作以及制成外形非常繁瑣的發動機的零件。鎢合金可以打造成不需要進行冷卻工作的火箭噴管、噴氣葉片、熱然器的反射器、用于離子火箭發射需要的離子環以及燃氣舵。鎢取代鉬當成固體火箭發動機的喉管和喉襯，進口套管，可以把材料的運用所需的溫度在1 760 ℃的基礎上提升到3 320 ℃之上。如，美國的聯合飛機企業就把鎢銅兩種材料進行融合，以此當成火箭發動機中的噴管隔板，鎢銅融合的材質完全可以承受超出鎢的熔點值3 400 ℃。在當前的粉末冶金技術的發展中，難熔金屬的高溫氧化與高溫形成的強度，以及高溫材料的重量化是面臨的最根本的挑戰。

2 粉末冶金的工藝

2.1 鎳基高溫合金粉末

進行鎳基合金粉末要具備含氧量低、制作預備的顆粒的形狀要小還要具備較強的純度的特點，是依據制作預備較強性質功能的粉末的渦輪盤的主要技術。當今存在兩種方式都是十分重要的，一種是氨氣霧化法制成AA粉；另一種是等離子旋轉電極法的制粉。如，俄羅斯主要選用是等離子旋轉電極法制粉，而等離子旋轉電極法制粉的主要特點是夾雜物的尺寸過大、而等離子旋轉電極法制粉的顆粒的形狀又非常的大。在進行高溫后的合金粉末正邁進無污染、沒有陶瓷的狀況下邁進。粉末的顆粒的徑長的分類會阻礙粉末中不是金屬融合的尺寸，還會合理科學提升聲渦輪盤的使用年限和可靠性質，降低出現疲勞壽命的機率。另外，在針對粉末開展顆粒界面韌化與熱處理強韌化的處理工作以及進行真空脫皮工作，可以提升材料的塑性與強度。

為解決VIM惰性氣霧化德體系中存在的熔化金屬和陶瓷資料從而出現的“陶瓷狀況”。在最近幾年中，我國已經研發了眾多的制粉措施和純凈熔煉技術（見圖2）。在ELGA的工藝施工中，預合金棒是電極，在電極逐漸旋轉到達環形感應線圈的中間位置時，電極會發生熔化的變化，熔滴在準確進入惰性的氣體中開展霧化工作。PIGA法主要是根據等離子弧在水冷的銅坩堝中開展熔煉工作，水冷銅坩堝的最底層要和感應器的加熱漏嘴相互連接，沒有陶瓷漏嘴系統要把熔化掉的金屬溶液倒入氣體的霧化噴嘴中開展霧化工作。在進行冷壁坩堝熔煉的氣體霧化體系中，坩堝要具備一個最底端的澆筑體系，并且冷坩堝的底端澆注的方位和冷壁感應領導體系的相互連接，這個體系也可以使用在活性的金屬中。如，在進行碳合金或者是TiAL的金屬上的化合物熔煉工作中，在電渣進行重新的熔爐冷璧感應的導向工作中，要對電極的格式以及霧化的材料進行整體的創新，在電源頭和熔渣的接觸面積的開展熔化工作時，要把熔煉的金屬溶液貫穿于具有活性性質的熔渣層，然后在融入到銅金屬制成的水冷坩堝中。

2.2 噴涂粉末

不一樣的制作設備的工藝會促使粉末的顆粒形狀、顆粒分布、顆粒狀態以及顆粒的化學成分都會發生非常大地改變，這也會對涂層的能力產生一定的影響。制作設備使用道德噴涂粉末常用的方式主要有機械研磨、氣體霧化、制造噴霧干燥顆粒以及水霧化。伴隨科學技術的不斷發展，噴涂的合金粉也研究出了全新的技術。

首先是等離子體球化的問題上，等離子體球化指的是運用等離子弧促使形態不一的原始粉末進行快速地加工并且使之熔化，使熔化的顆粒在基礎的作用下產生非常高的球狀度的液體，在非常高的溫度中使滴液得到快速地凝固，以此使球狀粉末得到有效保存。這也是一項制備非常的密實、解決純度較高的熱噴涂抹粉末的方式，圖3是運用氣流磨分級和分散以及與等離子球化星湖融合的工藝，制成的球狀的鎢粉。

2.3 納米粉體進行再次的造粒

納米粉體是熱障涂層的主要原材料。主要優勢是有較強的抗熱震能力和較強的隔熱性能。可是納米粉末不可以進行直接噴涂工作，必須借助噴霧干燥劑和之后的處理制作而成微米級別的團聚體的粉末。納米粉體二次造粒的主要步驟是：第一，運用球磨混合一級超聲把納米結構所具有的信息，合理有序地分布在液體的介質中，并且要添加有機的粘合劑；第二，要把所得到的溶液使用噴霧干燥劑制成納米結構的聚集體；第三，要把納米結構團聚集在一起，使之能夠快速去除水分，還要去除吸附在化學附氧，為更好地推進一些燒結或者是加熱內部整合的溫度，以此獲得納米結構的噴涂的粉末數據，使之可以在以往的熱噴涂噴槍上得到有效的應用。

2.4 噴射成形

噴射成形的技術主要是把液態金屬的快速凝固與熔滴動態致密固化相互融合，并且這也是流程在快完成階段而飛速凝固的固體材料的全新技術。噴射成形的優勢是較高的整體致密度、較低的氧含量以及組織細小勻稱。可以提升完善高溫合金中的熱加工的塑性，提升材料的整體力學的功能和能力，合理改善合金的加工，使之更加與預制設備的高溫合金性融合，還能夠節省眾多和壓制相關聯的工藝環節。

3 結語

總而言之，要把粉末冶金技術科學、合理、有效地應用在我國的發動機中，并且使其發揮最大限度的價值和重要意義。促進我國航天發動機得到更好地發展，為我國的航天事業奉獻更多的力量。

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