粉末高温合金研究进展与应用

第26卷 第3期

2006年6月

航 空 材 料 学 报

J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS

V o.l 26,N o .3June 2006

粉末高温合金研究进展与应用

邹金文,汪武祥

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要:粉末高温合金由于特有的组织与性能已成为制造先进航空发动机涡轮盘的优选材料。为提升航空发动机的使用性能及可靠性,对粉末高温合金从材料、制造技术到涡轮盘的工程化应用进行全面和深入的研究,在粉末盘相应的关键技术上取得突破性进展,确立粉末盘制备的工艺路线,并制定工艺与检测的技术文件。为缩短研制周期,优化工艺过程。数值模拟技术也在粉末盘制备过程中得到广泛应用,并取得初步验证实验结果。关键词:航空发动机;涡轮盘;粉末高温合金

中图分类号:TF122 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)03-0244-07

收稿日期:2006-02-28;修订日期:2006-04-07

作者简介:邹金文(1966-),女,硕士,高级工程师,主要从事粉末高温合金方面的研究工作,(E-m a il)zou j w 03@m a ils .tsi nghua .edu .cn 。

涡轮盘是航空发动机最重要的核心热端部件之

一,随着高推重比、高功重比及高燃效发动机的发展,对涡轮盘强韧性、疲劳性能、可靠性及耐久性提出了更高的要求。高合金化的镍基高温合金涡轮盘材料,由于强化元素不断增多,合金中偏析严重,组织极不均匀,热工艺性能恶化,常规铸造和变形工艺无法满足新型发动机对盘件的需要。

随着快速凝固雾化预合金粉末和热等静压等先进热工艺技术的兴起,以粉末高温合金涡轮盘为代表的航空发动机热端部件的制造和应用得到迅速发展。粉末高温合金材料采用预合金粉末、热等静压、挤压、等温锻造、热处理等粉末冶金方法制造成盘件,该材料实现了高合金化的均匀组织、双性能剪裁结构、优异的综合使用性能和损伤容限特性等优点,有效地保证了发动机的可靠性和耐久性,是先进航空发动机高压涡轮盘等关键热端部件的优选材料。当前国内外研制了三代粉末高温合金(图1),制备了涡轮盘等多种粉末高温合金关键零件,已在先进军、民用航空发动机上得到成功应用

[1]

。

上世纪70年代中期,针对发动机涡轮盘材料使

用中存在的问题和新型发动机的需求,北京航空材料研究院集中以粉末冶金专业为主的技术队伍,在航空行业工厂、设计所进行调研,并开展相应的探索工作。80年代初,粉末高温合金预研立项,

图1 粉末高温合金的发展历程F ig .1 D eve lop m ent process of P /M supe ra lloy

通过合金选择、工艺路线优化研究和相关工艺装备的建立,目前已研制成功两代粉末高温合金:以

FGH 95合金为代表的使用温度为650 的第一代高强型合金和以FGH 96合金为代表的使用温度为750 的第二代损伤容限型粉末高温合金。其中采用直接热等静压工艺生产的FGH 95粉末涡轮盘(图2a)及导流盘已完成生产定型。采用热等静压(H I P)+等温锻造(H I F)+热处理工艺研制出的先进涡扇航空发动机核心机用FGH 96合金全尺寸高压涡轮盘(图2b),已进行初步低周及超转结构试验考核和核心机装机试验

[1]

。

1 国内粉末高温合金研制技术进展

1.1 粉末高温合金材料体系建立

我国目前已研制成功两代粉末高温合金材料,第一代合金是以FGH 95合金为代表的使用温度为

650 的高强型合金,该合金以 奥氏体为基体, 强化相含量占总体积的50%~55%,采用低于

第3期

粉末高温合金研究进展与应用图2 粉末高温合金涡轮盘件

(a)先进涡轴航空发动机FGH 95涡轮盘及叶片;(b)高推重比涡扇航空发动机FGH 96高压涡轮盘

F ig .2 Turbi ne discs m ade fro m P /M superall oy

(a)FGH 95t u rbine d i sc and b l ades used f o r advanced t urboshaft eng i ng ;(b)H P t urbi ne d i sc used for t urbi ne fan eng i ng w ith h i gh thrust t o w e i ght ratio

固溶线温度热处理,得到各种 尺寸相匹配的细晶组织;第二代合金是以FGH 96合金为代表的使用温度为750 的损伤容限型粉末高温合金, 强化相

含量占总体积的35%左右,采用高于 固溶线温度热处理,得到具有弯曲晶界的粗晶组织,该合金具有良好的抗疲劳裂纹扩展性能[2]

。为了适应更高性能航空发动机发展对材料的需要,近期将展开第三代使用温度为800 以上具有高强+损伤容限型特性的合金研制。

1.2 快速凝固预合金粉末的对比研究

采用预合金化粉末快速凝固技术,以等离子旋转电极(PREP)和氩气雾化(AA )方法制备高温合金粉末,得到了无宏观偏析,均匀的预合金粉末。图3为粉末的形貌及组织。由于氩气雾化粉(AA 粉)是母合金经二次重熔后通过氩气雾化成粉末,粉末粒度较细;等离子旋转电极粉(PREP 粉)是固态微区熔化后再经离心雾化成粉末,粉末粒度较粗。另外由于合金过热度不同,对粉末冷却微观组织也会带来一定的差异。比较两种合金的组织可以看出,AA 粉是以胞状晶为主,树枝晶为辅的混合组织;PREP 粉是以树枝晶为主,胞状晶为辅的组织。1.3 粉末处理技术

1.3.1 高温合金粉末夹杂分离与检测技术粉末纯净度是粉末高温合金冶金质量的关键控制技术,为此北京航空材料研究研制了一台新型高温合金粉末摩擦电选分离与夹杂检测设备,设备的原理是根据粉末中金属颗粒、陶瓷类夹杂在带电金属滚筒动态摩擦表面导电特性的差异进行陶瓷分离。试验结果表明,经电选后分离率达85%以上,粉末中夹杂检测的准确度和可靠性得到提高。该技

术对解决国内粉末盘夹杂物超标难题进行了有益的

图3 粉末的形貌及组织

(a)AA 粉;(b)PREP 粉

F i g .3 SE M mo rpho l ogy of powder and its m icro -struct u re

(a)AA powder ;(b)PREP powder

探索。另外,建立的水淘洗法粉末夹杂物检测装置与技术也验证了上述检测方法的可靠性。1.3.2 粉末表面净化处理技术

热诱导孔洞(TI P)、原始颗粒边界(PPB)和夹杂

物是三种危害粉末盘冶金质量与力学性能的主要缺陷。原始颗粒边界碳化物析出将严重阻碍颗粒之间的扩散连接而形成弱界面,成为裂纹优先形成的源区和扩展通道。热诱导孔洞是影响合金致密化的关键因素。粉末表面净化处理技术,是利用粉末颗粒在真空温度场下解吸脱附的原理,使粉末在经过真空环境的温度场下动态运动时粉末表面吸附的气体充分解吸,因而有效解决了原始颗粒边界和热诱导孔洞缺陷问题,并且建立了自己的分析方法和理论表达式。图4为粉末表面热动态除气处理PPB 改

善效果比较[3]

。

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