高溫合金材料特性及加工技術(shù)進(jìn)展

白婷婷 張睿晗

摘? 要：高溫合金是一類能夠抗機(jī)械和化學(xué)侵蝕尤其是耐高于800度以上溫度的材料，已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電的渦輪系統(tǒng)中。而由于高溫合金材料諸多特性，使其被廣泛關(guān)注。文章重點(diǎn)就高溫合金材料特性及加工技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行研究分析，以供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高溫合金;材料特性;加工技術(shù);進(jìn)展

引言

高溫合金又叫熱強(qiáng)合金，按基體組織材料可分為三類，即鐵基、鎳基和鉻基，按生產(chǎn)方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金，它是航空航天領(lǐng)域中不可或缺的原材，它是航天航空制造發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部分的關(guān)鍵材料，主要用于制造燃燒室，渦輪葉片，導(dǎo)向葉片，壓氣機(jī)與渦輪盤，渦輪機(jī)匣等部位，使用溫度范圍在600-1200℃，受力與環(huán)境條件隨使用零件所在部分不同而異，對(duì)合金的力學(xué)、物理和化學(xué)性能有嚴(yán)格的要求，是發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性與壽命的決定性因素，因此高溫合金是各發(fā)達(dá)國(guó)家航空航天和國(guó)防領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)項(xiàng)目之一。

1高溫合金材料簡(jiǎn)介

相對(duì)于鐵基和鈷基高溫合金，鎳基高溫合金在現(xiàn)代工業(yè)中使用最廣泛，牌號(hào)最多，地位也最重要。鎳基高溫合金是以Ni-Cr二元系為基體，加入Co、Mo和W等固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化元素。目前世界上的高溫合金，特別是單晶高溫合金材料的發(fā)展已經(jīng)歷了4代，第1代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代后期以來，以PWA1484、ReneN5為代表的第2代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到大量使用，目前一些國(guó)家研制的第2代單晶高溫合金已成熟，并廣泛應(yīng)用在軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。

2高溫合金種類及材料特性分析

2.1高溫合金種類分析

2.1.1按基體元素分類

根據(jù)基體元素種類，高溫合金可以分為鐵基、鎳基、鈷基等，其中鐵基高溫合金又可稱作耐熱合金鋼。它的基體是Fe元素，加入少量的Ni、Cr等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用于1000℃以上的工作條件，采用固溶、時(shí)效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強(qiáng)度大幅提升。鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約占60%，同時(shí)需要加入Cr、Ni等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由于各個(gè)國(guó)家鈷資源產(chǎn)量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用于高溫條件和較長(zhǎng)時(shí)間受極限復(fù)雜應(yīng)力高溫零部件，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時(shí)添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。目前就高溫環(huán)境使用的高溫合金來分析，使用鎳基高溫合金的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵基和鈷基高溫合金用處，同時(shí)鎳基高溫合金也是我國(guó)產(chǎn)量最大、使用量最大的一種高溫合金。很多渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片及燃燒室，甚至渦輪增壓器也使用鎳基合金作為制備材料。

2.1.2按強(qiáng)化類型分類

根據(jù)合金強(qiáng)化類型，高溫合金可以分為固溶強(qiáng)化型高溫合金和時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金，所謂固溶強(qiáng)化型即添加一些合金元素到鐵、鎳或鈷基高溫合金中，形成單相奧氏體組織，溶質(zhì)原子使固溶體基體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，使固溶體中滑移阻力增加而強(qiáng)化。有些溶質(zhì)原子可以降低合金系的層錯(cuò)能，提高位錯(cuò)分解的傾向，導(dǎo)致交滑移難于進(jìn)行，合金被強(qiáng)化，達(dá)到高溫合金強(qiáng)化的目的;所謂時(shí)效沉淀強(qiáng)化即合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形后，在較高的溫度放置或室溫保持性能的一種熱處理工藝。

2.2高溫合金材料特性分析

高溫環(huán)境下材料的各種退化速度都被加速，在使用過程中易發(fā)生組織不穩(wěn)定、在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形和裂紋長(zhǎng)大、材料表面的氧化腐蝕。高溫合金所具有的耐高溫、耐腐蝕等性能主要取決于它的化學(xué)組成和組織結(jié)構(gòu)。以GH4169鎳基變形高溫合金為例，合金中鈮含量高，GH4169基體為Ni-Gr固溶體，含Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%以上可以承受1000℃左右高溫，與美國(guó)牌號(hào)Inconel718相似，合金由γ基體相、δ相、碳化物和強(qiáng)化相γ′和γ″相組成。GH4169合金的化學(xué)元素與基體結(jié)構(gòu)顯示了其強(qiáng)大的力學(xué)性能，屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度都優(yōu)于45鋼數(shù)倍，塑性也要比45鋼好。穩(wěn)定的品格結(jié)構(gòu)和大量強(qiáng)化因子構(gòu)造了其優(yōu)良的力學(xué)性能，但同時(shí)也反應(yīng)了切削加工性差的特點(diǎn)。高溫合金由于其復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，其加工表面完整性對(duì)于其性能的發(fā)揮具有非常重要的作用。但是高溫合金是典型難加工材料，其微觀強(qiáng)化項(xiàng)硬度高，加工硬化程度嚴(yán)重，并且其具有高抗剪切應(yīng)力和低導(dǎo)熱率，切削區(qū)域的切削力和切削溫度高，在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)加工表面質(zhì)量低、刀具破損非常嚴(yán)重等問題。在一般切削條件下，高溫合金表層會(huì)產(chǎn)生硬化層、殘余應(yīng)力、白層、黑層以及晶粒變形層等過大的問題。

3高溫合金材料在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪中的應(yīng)用進(jìn)展

3.1導(dǎo)向器用高溫合金

導(dǎo)向器是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)受熱沖擊最大的零件之一，當(dāng)燃燒室出現(xiàn)燃燒不均勻，1級(jí)導(dǎo)向葉片受熱負(fù)荷很大，是造成導(dǎo)向葉片破壞的主要原因，其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃，區(qū)別是靜止件，所受機(jī)械負(fù)荷不大。通常容易發(fā)生熱應(yīng)力，引起的扭曲，溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷，導(dǎo)向葉片合金應(yīng)具有如下性能，即具有足夠的高溫強(qiáng)度，持久蠕性能及良好的熱疲勞性能，較高的抗氧化性和熱腐蝕性能，抗熱應(yīng)力和震動(dòng)，彎曲變形能力，良好的鑄造工藝成型性能和可焊性，涂層防護(hù)性能。目前高推重比的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)多采用空心鑄造葉片，選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)使用高溫達(dá)1650-1930℃，需要采用隔熱涂層防護(hù)。冷卻和涂層防護(hù)條件下葉片合金的使用溫度達(dá)1100℃以上，對(duì)未來導(dǎo)向葉片材料使用的溫度密度成本提出新的更高要求。

3.2渦輪工作葉片用高溫合金

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵承熱轉(zhuǎn)動(dòng)部件，工作溫度低于導(dǎo)向葉片50-100℃，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受很大的離心應(yīng)力，振動(dòng)應(yīng)力，熱應(yīng)力，氣流沖刷等作用，工作時(shí)條件惡劣。高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)要求熱端部件壽命大于2000h。因此，渦輪葉片合金在使用溫度下應(yīng)具有很高的抗蠕變和持久斷裂強(qiáng)度，很好的高中溫綜合性能，如高低循環(huán)疲勞，冷熱疲勞，足夠的塑性和沖擊韌性，抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導(dǎo)熱性能，盡可能低的線膨脹系數(shù);良好的鑄造工藝性能;長(zhǎng)期的組織穩(wěn)定性能，使用溫度下無TCP相析出，應(yīng)用的合金經(jīng)歷四個(gè)階段，即變形合金應(yīng)用有GH4033、GH4143GH4118等;鑄造合金應(yīng)用有K403、K417、K418、K405，定向凝固金DZ4、DZ22，單晶合金DD3、DD8、PW1484等，目前已發(fā)展至第三代單晶合金，我國(guó)單晶合金DD3和DD8分別用在我國(guó)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)，艦載發(fā)動(dòng)機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高溫合金在航空領(lǐng)域的使用由來已久，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，高溫合金所使用的溫度越來越高，對(duì)其性能要求也就越來越高，尤其是高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性已經(jīng)成為制約高溫合金發(fā)展的障礙。要想提高高溫合金的在高溫使用時(shí)的性能，就要了解影響其性能的因素。因此，本文對(duì)影響高溫合金的一些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析和總結(jié)，更多的因素和研究，還需科研工作者今后共同努力，相信在諸多科研工作者的共同努力下，高溫合金的使用溫度會(huì)越來越高。

參考文獻(xiàn)

[1]? 王君.鎳基高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信，2019，21（01）：221-222.

[2]? 董愛民，丁相玉，張宸宇.云紋法測(cè)定高溫合金材料彈性模量及泊松比研究[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，32（04）：81-85.