【原创】粉末高温合金:航空发动机涡轮盘的首选材料


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  采用粉末高温合金可显著提高涡轮盘力学性能和热工艺性能。近几十年,随着合金和制备技术的快速发展,粉末高温合金已成为目前高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。

中国粉体网讯  涡轮盘是航空发动机重要的核心热端部件,它的冶金质量和性能水平对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性作用。高温合金(涡轮盘、涡轮叶片等)被誉为燃气涡轮的心脏,一直受到冶金工作者的关注。采用粉末高温合金可显著提高涡轮盘力学性能和热工艺性能。近几十年,随着合金和制备技术的快速发展,粉末高温合金已成为目前高性能航空发动机涡轮盘的首选材料。


 

涡轮盘 (图片来源:Pixabay)


高温合金是指以镍、铁和钴为基体,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作,能承受较大复杂应力、并具有表面稳定性的一类金属材料。


1 高温合金性质


高温合金具有较高的高温强度,良好的抗氧化、抗腐蚀性能以及良好的断裂韧性、塑性等综合性能,在现代国防建设和国民经济发展中具有十分重要的意义。高温合金具有优异的高温性能,在航空航天、能源、交通等众多领域应用广泛、不可或缺。


然而高温合金是典型的难加工材料,存在热加工性能差、切削加工难的问题,这不仅提高了加工成本还严重影响高温合金材料的应用。


2 高温合金分类


高温合金按合金的主要元素分为铁基、镍基和钴基合金。


铁基高温合金使用温度较低(600~850℃),一般用于发动机中工作温度较低的部位,如涡轮盘、机匣和轴等零件。


镍基变形高温合金在发动机中主要用于涡轮盘和涡轮叶片,温度范围一般在650°C-1000°C。镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片和工作叶片,工作温度可达1100°C以上。


钴元素在地球上储量较少,价格较为昂贵。目前钴基合金研发热度有所下降。


3 粉末高温合金的发展现状


由于粉末冶金高温合金(简称:粉末高温合金)具有粉末细小、合金成分均匀、制件性能稳定、热加工变形性能较好以及合金化程度高等优点,应用前景十分广阔,在航空航天、石油化工、交通运输、核反应堆等方面都占据着举足轻重的地位。


粉末高温合金是20世纪60年代出现的新一代高温合金,以金属粉末作为原材料,经过后续热加工处理,得到具有较高抗拉强度和良好的抗疲劳性能的合金。发展至今已历经3代研制过程,欧美一些国家和俄罗斯都已建立了自己的高温合金体系。


中国粉末高温合金的研究起步相对较晚,开始于20世纪70年代后期。粉末高温合金型号主要有FGH95、FGH96、FGH97、FGH98等。表1为中国几代粉末高温合金的成分及特性。


 


随着粉末高温合金的不断发展,近年来一些学者提出了第4代粉末高温合金的研究方向。第四代粉末高温合金的设计目标是可满足推重比为15~20的航空发动机,即第四代粉末高温合金的发展目标是:在继承前几代粉末高温合金的高强度、高损伤容限的基础上,提高其工作温度,以期制备一种高强度、高损伤容限及高工作温度的合金。


吴超杰等通过分析粉末高温合金发展思路并借鉴了叶片的制造过程之后,从材料的强度、工作温度和损伤容限3方面进行改进,使用固溶强化、晶界强化和沉淀强化的方法,研究并确定了第4代粉末高温合金的成分选取范围。谭黎明等在FGH97合金基础上调整成分设计,通过增加固溶强化元素的含量改善高温合金的力学性能(TCP相没有析出或者析出没有达到破坏合金性能的程度),使合金具有更高的室温、高温拉伸性能,更长的高温持久寿命及较好的组织稳定性,且塑性损失不明显。但材料的成本和成形问题以及材料性能提升的机理问题都没有得到有效解决,导致第4代粉末高温合金的研发尚未完全成功。


4 粉末高温合金制备方法


目前高温合金粉末制备主要有气雾化法制粉(AA粉)和等离子旋转电极法制粉(PREP粉)2种方法。


4.1 气雾化法


真空感应熔炼气雾化(VIGA)制粉设备示意图如图1所示。主要分为真空系统、感应熔炼系统、气源、雾化系统以及粉末收集系统,相应的制粉过程分为熔炼、雾化、液滴凝固与粉末收集4个过程。采用真空感应熔炼制备的母合金在熔炼炉经中频感应加热至熔融状态;受重力和雾化气流的抽吸力影响,克服瓷坩埚表面摩擦力和熔体内部黏滞力,通过导流管流入雾化室,在导流管末端受到高速气流的剪切力作用,克服表面张力破碎为毫米或微米尺度的熔滴;充分破碎的熔滴群在气流曳力、惯性力、重力和热泳力等合力作用下,在雾化室内分散飞行,与气流发生强烈的热交换作用,快速凝固为不同粒径的粉末颗粒,最终被分级系统收集于粉罐。


 

图1 真空感应熔炼气雾化制粉设备示意图


气雾化制粉的优势在于可以制备比较细小的球形高温合金粉末,通过筛分去除较大的夹杂颗粒,从而降低夹杂的有害影响。


4.2 等离子旋转电极法(PREP)


等离子旋转电极法(PREP)在制粉时,是将旋转电极放入雾化室中,利用外加热源在电极端面上形成熔融金属薄膜,电极高速旋转时,熔融金属在离心力的作用下形成细小液滴,结晶形成金属粉末。采用该法制得的粉末球形度较好,粒度分布均匀,粉末表面光洁。


表2两种制粉工艺特性比较

 


5 小结


经过近半个世纪的研究与发展,粉末高温合金技术已经取得了突破性的进展。部分粉末高温合金已被应用到了航空发动机领域。随着粉末高温合金制备技术的不断成熟与完善,未来高温合金制粉技术将继续朝着高纯、细化、窄粒度、少夹杂、高球形度以及高效率和低成本的方向发展。在不久的将来将会有一系列的性能更优的合金被开发研制,其应用范围也将越来越广。


参考来源:

【1】江苏九铭特钢有限公司官网.

【2】张国庆,等.航空发动机用粉末高温合金及制备技术研究进展.金属学报.2019.

【3】胡连喜,等.粉末冶金高温合金研究及发展现状.粉末冶金工业.2018.

【4】智通财经网《高温合金,在熔炉中而生》

【5】郭茂文,等.粉末高温合金的研究现状.热加工工艺.2017.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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