高溫合金薄壁件加工工藝探索

肖拾花 王超

摘 要：高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、發(fā)電及熱處理設(shè)備上，也是汽輪發(fā)電機極其重要的材料組成部分。近年來，隨著這些行業(yè)的高速發(fā)展，對零件的要求越來越體現(xiàn)輕量化、精密化，伴隨著這一發(fā)展趨勢，薄壁鑄件的需求將越來越大，具有薄壁結(jié)構(gòu)的高溫合金鑄件研究正引起越來越多人的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：高溫;合金;薄壁;工藝

高溫材料主要包括高溫合金、鈦合金、難熔合金和陶瓷材料等，其中以高溫合金和鈦合金的應(yīng)用最為廣泛，分為三類材料：760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強度800MPa?；蛘哒f是指在760--1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長期工作的高溫金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強度。如今，在世界先進(jìn)發(fā)動機研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動機總量的40%～60%。隨著精密鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，航天、航空、電力及核能領(lǐng)域使用的關(guān)鍵熱端部件的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，不僅朝著整體、薄壁空心方向發(fā)展，而且正逐步向結(jié)構(gòu)承載與氣體導(dǎo)流的結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展。

一、高溫合金材料的加工特性

（一）具有抗氧化和抗熱腐蝕性能。金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對氧化作用的抗力，是鋼能否持久地在高溫下工作的重要保證條件。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能。在現(xiàn)代航空發(fā)動機中，高溫合金材料主要用于四大熱端部件：燃燒室、導(dǎo)向室、渦輪葉片和渦輪盤。氧化是一種典型的化學(xué)腐蝕，在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中，金屬與氧接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即氧化腐蝕，高溫合金中主要元素對合金的凝固過程、力學(xué)性能和抗熱腐蝕性能都有很大的影響。例如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%。950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa。直升機的尾減機匣就是陽極氧化處理完成的。

（二）良好的疲勞性能。當(dāng)機件在高溫下承受交變載荷作用，經(jīng)過較長時間而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，稱為高溫疲勞。而蠕變是機件在高溫長時載荷作用下發(fā)生的塑性變形。疲勞是反復(fù)蠕變的必然結(jié)果。高溫合金具有優(yōu)異的高溫強度、抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650 ℃高溫下，其力學(xué)性能具有很好的穩(wěn)定性，能夠在600～1200 ℃下承受一定的工作壓力;因此，高溫合金被廣泛地制造工作葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。航空發(fā)動機燃燒室材料就是使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主，實踐中就有良好的冷熱疲勞性能。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。

（三）良好的斷裂韌性。高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)部穩(wěn)定。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”。斷裂是金屬材料受到外載荷作用時發(fā)生的產(chǎn)要破壞方式，最常見的兩種破壞類型：韌性斷裂和脆性斷裂。材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸的增加而逐漸減小，最后趨于一穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌性KIC。這是一個從平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過程。持久強度是指在恒定溫度下經(jīng)過一定時間，金屬材料發(fā)生斷裂破壞時的應(yīng)力值。合金材料在高溫下晶界強度低于晶內(nèi)，因此加入合金元素提高再結(jié)晶溫度，形成穩(wěn)定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，減少晶界等都能有效地提高合金材料的高溫強度，進(jìn)而實現(xiàn)良好的斷裂韌性。

二、高溫合金薄壁件加工工藝技術(shù)

（一）鑄造冶金工藝技術(shù)。鑄造是熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀、尺寸、成分、組織和性能鑄件的成形方法，是利用材料從液態(tài)到固態(tài)的相變進(jìn)行成型的過程。以鑄造方法直接制備零部件的高溫合金材料。根據(jù)合金基體成分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鈷基鑄造高溫合金3種類型。要保持合金足夠的抗熱腐蝕性和良好的工藝性。另外，單晶鑄造高溫合金是各向異性的，<100>方向是合金結(jié)晶生長的擇優(yōu)方向，其蠕變強度較高和彈性模量低。蠕變強度最高的取向是<111>方向。疲勞性能最高的取向是<001>方向。具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。

（二）粉末冶金工藝技術(shù)。粉末冶金是一門研究制造各種金屬粉末并以該粉末為原料，通過混合、壓制成型、燒結(jié)以及必要的后續(xù)處理來制取金屬材料或制品的工藝技術(shù)，是采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強度等。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低。粉末冶金高溫合金通常按合金強化方式分為彌散強化型和沉淀強化型兩類。彌散強化型高溫合金是用惰性氧化物來強化的，這種氧化物的物理和化學(xué)性能高度穩(wěn)定，在一般沉淀強化相軟化、聚集甚至溶解的溫度下，仍保持相當(dāng)高的強化效果。

三、結(jié)束語

總之，高溫合金又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。薄壁零件具有重量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，越來越廣泛地應(yīng)用在機械制造等行業(yè)中。因此，隨著科技的不斷進(jìn)步，大力的發(fā)展新材料，改進(jìn)舊材料的性能，完善制備工藝，以及薄壁方案及材料選取等不斷地探索，高溫合金薄壁零件加工技術(shù)將成為生產(chǎn)可靠性高、合格率高的技術(shù)體系，必將為高溫合金薄壁零件的加工提供有力支撐。

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