粉末高温合金盘件

世界

有色金属1999年第12期

WOR LD NONFERROUS METALS

粉末高温合金盘件

北京航空材料研究院　邹金文

1　概述

随着航空工业的发展,现代燃气涡轮发动机正向

推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向发展,

这一发展要通过压气机增压比的提高和涡轮进口温度的提高,以及在设计上采用一定的措施来实现。涡轮盘是发动机重要部件之一,飞行时承受起动、停车循环的机械应力和温差引起的热应力的迭加作用,工作条件极为苛刻,因此对制造涡轮盘件的高温合金提出了更高的要求,要求具有良好的力学性能、理化性能及热工艺性能,特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周疲劳和热疲劳性能,这是确定涡轮工作寿命的关键因素。为了解决高合金化常规铸锻材料造成的成分偏析和变形加工困难,60年代末期,随着粉末冶金技术的发展,特别是高纯预合金粉末及热等静压技术的兴起,生产出了粉末高温合金涡轮盘件,目前已成为制造高性能涡轮盘最成熟可靠的方法。

2　粉末高温合金特点

2.1　粉末高温合金优点2.1.1　消除偏析

雾化制粉时每一个细小的粉末颗粒以高达102～

105℃/s 的速度冷却,每颗粉末相当于一个显微铸锭,

消除了宏观偏析,显微偏析被限制在1.5μm 的枝晶

间,用这样的粉末压制成的涡轮盘件毛坯具有均匀的显微组织,避免了常规铸锭中由于偏析造成的低倍缺陷。2.1.2　细化晶粒

由于粉末颗粒是超细晶粒的多晶体,沉淀强化相以极为细小分散的方式存在,这使得压出来的毛坯具有均匀的细晶组织,从而可以提高盘件的强度和低周

疲劳寿命,降低力学性能的分散性。2.1.3　改善工艺性能

由于粉末高温合金压坯具有均匀的细晶组织,这样的压坯具有超塑性,大大改善了合金的冷热加工性能。2.1.4　降低成本

利用超塑性锻造和热等静压近尺寸成形技术,可以提高材料利用率,降低昂贵的材料消耗,并可简化工序,因而可使盘件生产成本大为降低。2.1.5　减轻重量

由于粉末高温合金力学性能分散度减小,提高了材料的最低设计应力,减轻了盘件重量。例如美国PW 公司由于在F100-PW -100发动机上使用粉末高温合金盘,仅盘件就使每台发动机减轻重量58.5kg 。

2.1.6　提高燃效

先进的高性能涡扇发动机PW2037采用了5个MER L76粉末高温合金盘,减少油耗30%,相当于每年每架飞机节省100万美元。2.1.7　发展新合金和双性能盘

通过提高合金元素含量发展新合金体系。按照需要在不同部位配置不同成分,制备具有剪裁结构的双性能盘。

总之,粉末高温合金材料和工艺在技术和经济上,充分显示了新材料、新工艺和新的零件结构三者溶为一体的巨大力量。2.2　粉末高温合金存在问题

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3□　新技术开发

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2.2.1　原始颗粒边界

粉末高温合金成形时,在压坯中沿原始颗粒边界会形成脆性的析出物,这种析出物主要是碳化物和氧化物,原始颗粒边界的析出物十分稳定,一般来说碳化物和氧化物的固溶线温度要高得多,阻碍着热等静压时金属颗粒间的扩散和连接,且在随后的热处理中很难消除,导致沿原始颗粒边界断裂,降低合金的力学性能。目前通过降低粉末中碳含量以及在粉末装包套前热动态除气、粉末固结前预处理或冷加工等,均可以在一定程度上改善或消除原始颗粒边界的影响。

2.2.2　热诱导孔隙

航空发动机苛刻的工作条件要求盘件合金在长期加热后,其密度变化率不得超过0.3%。热诱导孔隙是指粉末经热等静压成形后,在随后的加热过程中由于未溶解惰性气体的聚集、膨胀,而在制品中形成不连续的微孔隙,一般孔隙直径小于50μm,这种惰性气体的来源是:1)氩气雾化制粉过程中气体被包覆在颗粒内部,即形成空心粉;2)粉末在热等静压成形前,粉末颗粒表面吸附的氩气未完全脱气去除;3)在热等静压时,由于包套微泄漏把氩气压入包套中。热诱导孔隙的消除,目前可采用1)控制粉末空心度,提高粉末质量;2)粉末在包套封焊前进行热动态除气,使吸附在粉末颗粒表面的惰性气体充分解析;3)粉末在热等静压前,对包套进行高真空检漏。

2.2.3　夹杂

夹杂物一直是粉末高温合金材料中的主要缺陷之一,它的存在破坏了基体的连续性,造成应力集中,促进疲劳裂纹的萌生,并在一定条件下加速裂纹的扩展,特别是当夹杂物在材料中以不利的形态、尺寸、位置等出现时,对材料疲劳性能及抗裂纹扩展性能的破坏影响就更加严重。粉末高温合金材料中以脆性夹杂物为主,它与基体材料的变形率、热膨胀系数、弹性系数等差异最大,在材料变形过程中或使用状态下与基体界面易产生微裂纹或夹杂本身破碎开裂,成为疲劳裂纹源。为了降低夹杂物对材料疲劳断裂性能的危害,最主要的是控制母合金的纯净度,采用细粉及改善盘件制备工艺过程来控制夹杂物的数量及尺寸,同时还应采用喷丸强化工艺改善材料表面状态,建立可靠的超声无损检测等NDT分析技术及手段,严把质量关。

3　盘件用粉末高温合金的应用

粉末高温合金盘件的发展是从60年代开始的, 80年代以前的发展是以制造技术为主,主要追求高强度,生产出了以Rene’95、In100、MER L76为代表的第一代粉末高温合金涡轮盘,并应用于多种发动机中。美国PW公司于1971年在F100-PW100发动机上开始使用I N100粉末高温合金盘,至今至少已有3万个粉末高温合金盘在服役。新型高油效发动机PW-2037有5个MER L76粉末高温合金盘。美国GE公司自70年代中期以来,已在F101、F404、T700等军、民用发动上采用粉末高温合金盘。

80年代后,粉末高温合金盘件材料的发展主要为合金与工艺发展并重,出现了适应损伤容限设计的第二代粉末高温合金盘材料,它与传统粉末高温合金盘材料相比具有使用温度高、裂纹扩展速率低的特点,是推重比10以上发动机的唯一选择,如F120、M88发动机,分别使用了Rene’88DT、N18粉末高温合金,F119发动机使用了双性能盘等。这样粉末高温合金涡轮盘以其无可争议的优越性进入了飞行航线。目前使用粉末高温合金盘的国家有美国、法国、英国和俄罗斯等。

4　粉末高温合金盘件研究新进展

(1)盘件合金实现了由高强型向损伤容限型的转变。这些合金与第一代粉末高温合金相比强度稍有降低,疲劳裂纹扩展速率下降较多,工艺性能得到改善,使用温度高,达到750℃或更高。

(2)制粉工艺向超纯净细粉方向发展。制粉采用新技术,细粉收得率提高,陶瓷夹杂明显减少。

(3)热等静压和挤压成形技术得到发展。

(4)双性能及复合成形整体叶盘得到应用。根据对涡轮盘各部位使用性能的不同要求,盘芯应具有较高强度,盘缘具有良好的应力破断抗力及耐高温的双性能盘。采用热等静压复合技术、热处理技术等制备涡轮及叶片整体复合盘。

(5)等温锻成为盘件制备的重要技术。

(6)应用研究强调盘件的可靠性。

(7)计算机技术得到广泛应用,它贯穿于盘件生产的全过程。

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