高温合金和低成本复合材料

高温合金材料技术发展展望

摘要

高温合金是航空结构材料中最重要的组成部分之一。代表着飞机及其动力装置用材的主流。

本文的特点是在总结概括技术发展轨迹的基础上，将讨论的重点集中于高温合金材料国外最新进展的介绍。在此基础上，选取了几个当前较有实用价值、

目前国内最为关心、技术难点也最为突出的领域展开了较为深入的讨论。如双

性能盘、单晶叶片等。

关键词：高温合金成本

1．引言

高温合金是航空结构材料中最重要的组成部分之一。代表着飞机及其动力装置用材的主流。是当前的难点及热点问题。本文将在总结、概括技术发展轨迹的同时，重点介绍这两类材料的最新进展。

2．高温合金技术

高温合金是航空动力装置的主要用材。几十年来，高温合金一直扮演着航空发动机热端部件用材的主角，对于整个航空动力发展的影响巨大。据国外称，航空发动机性能提高78%是由先进材料做出的贡献。

2．1国外现状及发展趋势

高温合金广泛用于压气机、涡轮、燃烧室及机匣等。镍基合金的熔点大约在1350℃，热强度要有更大的发展是不可能的，但与其代替材料相比，在高温强度、塑性及韧性和成本上仍有竞争力。通过合金开发、改进生产工艺以及热障涂层的采用，在一定时期内仍是航空发动机的主导材料。

在合金发展方面有两大趋势，一是继续改进高温强度，一是开发低成本合金。

在单晶合金方面，目前许多工作集中在高强合金发展上，但是由于高熔点合金元素含量的增高，制造工艺复杂，成本因而增高，因此目前正在致力于简化制造工艺。第3代单晶的应用开发工作主要集中在1000℃不加冷却的中压涡轮叶片上，要求合金有大的热处理窗，工艺不太复杂。相反对于高压涡轮，第3代单晶的应用研究工作较少，解决TBC带来的叶片合金强度及抗氧化性问题仍是重要的目标，这是因为3代单晶合金的TCP相问题以及与TBC 涂层之间会形成一反应区（SRZ）从而降低高温强度。而目前这方面的研究进展甚少。因此不仅要找到合金强化方法，而且要材质不因涂层而受到影响。

除单晶合金外，定向高温合金由于成本低也受到重视，第二代定向合金中（Re+Ta+W）含量达到14~15%，其性能可代替第一代单晶而成本却低得多。目前在日本开发了第3代定向合金，其特点是加入了第3代单晶的合金化元素来强化晶界，从而得到与二代单晶CMSX-4相同的强度，如TMD107的（Re+Ta+W）含量达到17%，同样也在研究加入第4代单晶的合金化元素来开发出第4代定向合金。

在变形合金方面将继续开发新合金，同时要努力降低性能分散度、增大设计许用应力，双真空熔炼正让位于真空感应+电渣+真空电弧熔炼的三联法。目前大直径锭仍难获得均匀组织，要求开发生产均匀组织的熔炼方法。

在粉末合金方面，夹杂仍是不可避免的，要求采用损伤容限设计，提高许用应力。

在焊接合金方面，要求在焊接性能与强度之间求得平衡，尽管IN718是传统的强度与焊接性能均好的合金，但只能用于650℃以下，原来为叶片开发的IN738合金具有最佳的强度、焊接性能及工作温度的综合性能，可用作飞机发动机大结构喷射成形铸造及焊接合金。

成本是各种高温合金开发的关键指标之一，仿真模拟是降低成本的重要手段，它可缩短开发周期，提高产品合格率，例如单晶合金方面，已开发出预测组织的模拟技术，可预测缺陷的部位及结晶的产生、预测偏析的产生以改进合格率和简化热处理。目前这方面的工作十分活跃。

另外，在锻件强度与晶粒直径分布之间也在研究应用模拟技术。总之，仿真模拟技术将广泛用于材料的制造。

在发动机用高温合金中，最为关键的是涡轮盘材料和涡轮叶片材料。表1是发动机性能的发展简史，从中可看出对材料要求的不断提高，目前的涡轮叶片材料可用到1100℃，但涡轮进口温度已达到1650℃以上，未来将向高熔点及超高温材料发展。涡轮盘的温度正在向815℃推进，轮心轮缘温度相差很大，要求采用双性能盘。

2．1．1涡轮盘材料从单性能向双性能发展

涡轮盘用粉末合金随着产品要求而不断发展。第一代粉末合金（R95、IN100、MERL76及Udimet720）的设计思想是追求高强度，γ′的体积含量达到50～60%，ASTM 11-13的超细晶方法是采用固溶线下退火。第2代合金的设计思想是抗疲劳开裂，γ′相控制到40～50%，采用ASTM 7-8粗晶组织。新一代涡轮盘的轮缘温度高达760～815℃，而轮心温度相对较低，性能要求不同，因此要求有双性能，即综合了1代及2代的优点。γ′相的最大含量60～65%，另外具有双晶粒组织。方法是采用采用梯度退火，即轮缘采用固溶线以上热处理，而轮心采用固溶线以下处理。轮缘采用控制冷却以提高抗蠕变性能，轮心采用强化冷却以获得高疲劳强度。

超级冷却器

传统的液体冷却——如油淬，是一种将零件表面的热迅速并相当均匀地冷却下来的方法，而不考虑截面的变化。该法保证了较高的冷却速率，有利于提高材料的力学性能，但与此同时，也加大了零件内部的热梯度。新近开发的差动式喷咀、空气淬火方法采用适度的冷却速率，在力学性能的提高与可接受的残余应力之间取得平衡。这种设备可加工的盘件直径达1270mm以上，重量高达900kg。在Ladish公司安装有此种设备。

抗氧化涡轮盘

涡轮盘通常在富氢或富氧的燃气环境下运行。富氢环境易使高温合金产生氢脆，富氧燃气使高强度高温合金发生燃烧。美国采用选择无余量成形粉末冶金工艺以及一种与环境兼容的热等静压-粘接表面层（HBSL）生产出一种高比强的叶盘。这种耐久性好、损伤容限高的表面层可明显提高环境相容性，并改善了加工的表面光洁度。这种技术目前主要用于航天用火箭发动机，但也为航空发动机盘件开辟了可借鉴的思路。

喷射成形无盘转子

提高材料利用率及降低切削加工费用的方法是制造空心盘预形件并等温锻。普惠公司已经将喷射成形用于制造空心预成形件。在将来，激光沉积及真空等离子喷涂有可能用于制造近净形件及空心预形件。

2．1．2涡轮叶片及导向叶片材料从高温向超高温发展

涡轮叶片和导向叶片的工作条件是涡轮中最恶劣的，它受到高的温度、气流冲击的弯曲力，涡轮叶片还受到离心力的作用，特别是现代航空发动机涡轮级数减少所承受的负荷更高。推比10发动机涡轮进口温度已到1650℃，推比15的进口温度将增加到1980℃，2020年时进口温度将增加到2080℃。

涡轮叶片材料的发展必须要与结构设计、成形工艺、涂层材料及其工艺等相配合才能满足使用要求。第2、3代单晶已在现役发动机上获得应用，第四代单晶耐温可达1080℃。第五代单晶将达到1105℃。目前正在开发的多孔单晶合金叶片（超级冷却叶片）有可能将工作温度提高到更高温度，在F119上超级冷却叶片已验证成功。热障涂层可将叶片温度提高