第五章_高温合金

发动机
• 发动机的分类 1. 活塞式发动机 是一种把燃料的热能转化为机械功带动螺旋桨转动的热机。 2.喷气式发动机 空气喷气发动机可分为： a. 有压气机式，包括涡轮喷气发动机，涡轮螺旋发动机，涡 轮风扇发动机。 b.无压气机式，包括脉冲空气喷气发动机，冲压式空气喷气 发动机。
涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 冲压喷气发动机 涡轮轴发动机
子叶片的工作温度提高至1621～1677 ℃（F100
发动机为1400℃）。具有如此复杂的冷却孔道的
叶片要精铸成单晶材料，其工艺创新的技术含量
是非常高的，也可从中看到工艺创新在材料发展 中的重要地位。
无论是定向凝固还是单晶叶片，可工艺创新之处是很多的。例如 型芯材料（定向常用氧化硅，单晶常用氧化铝），凝固成形过程的 数值模拟等。
激光超高温度梯度快速定向凝固
• 激光能量高度集中的特性,使它具备了 在作为定向凝固热源时可能获得比现 有定向凝固方法高得多的温度梯度的 可能性。 • 在激光表面快速熔凝时，凝固界面的 温度梯度可高达5×104K/cm, 凝固速度 高达数米每秒。但一般的激光表面熔 凝过程并不是定向凝固，因为熔池内 部局部温度梯度和凝固速度是不断变 化的，且两者都不能独立控制；同时 ，凝固组织是从基体外延生长的，界 面上不同位置的生长方向也不相同。
高温合金叶片材料的发展史首先是工艺 创新的发展史
美国、英国与航材院涡 轮叶片用高温合金的发 展
叶片冷却方式与涡轮进口温度的关系
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F119发动机(F-22用)的涡轮转子叶片选用了
第二代单晶高温合金PWA1484,该材料本身的最
高工作温度为1070℃左右，由于采用了计算流体 动力学程序设计制造了超级冷却叶片，使涡轮转
涡轮喷气发动机 这类发动机的原理基本与上面提到的喷气原理相同，具有加 速快、设计简便等优点。但如果要让涡喷发动机提高推力，则必须增加燃气 在涡轮前的温度和增压比，这将会使排气速度增加而损失更多动能，于是产 生了提高推力和降低油耗的矛盾。因此涡喷发动机油耗大，对于商业民航机 来说是个致命弱点。 涡轮风扇发动机 涡轮风扇发动机吸入的空气一部分从外部管道(外涵道)后吹， 一部分送入内涵道核心机(相当于一个纯涡喷发动机)。最前端的“风扇”作 用类似螺旋桨，通过降低排气速度达到提高喷气发动机推进效率的目的。同 时通过精确设计，使更多的燃气能量经风扇传递到外涵道，同样解决了排气 速度过快的问题，从而降低了发动机的油耗。由于该风扇设计要兼顾内外涵 道的需要，因此难度远大于涡喷发动机。
树脂基复合材料 目前使用温度已达290－345℃，正向 425℃发展。
（二）高温合金
对于航空、航天飞机的零构件，如喷气发 动机的压气机燃烧室、涡轮、尾喷管等等，在 800℃以上温度长期服役，耐热钢已经不能满足 抗氧化和高温强度的要求，这时候就应该选用 高温合金。
分类：
铁基、镍基、钴基、铌基、钼基

飞行需要动力，使飞机前进，更重要的是使飞机获得升力。早期飞机通常使用活 塞发动机作为动力，又以四冲程活塞发动机为主。这类发动机的原理如图，主要 为吸入空气，与燃油混合后点燃膨胀，驱动活塞往复运动，再转化为驱动轴的旋 转输出：
单单一个活塞发动机发出的功率非常有限，因此人们将多个活塞发动机并联 在一起，组成星型或V型活塞发动机。
(2) 典型牌号
GH3030 GH4033 GH4037 GH3039 GH3044等
高温合金的特点
1、具有高的热稳定性；
2、具有高的热强性；
3、比强度高和弹性模量高，热膨胀
系数小，导热性好；
4、具有良好的加工工艺性能。
材料的主要性能取决于母体，加入 合金元素成分将改善金属的物理及机 械性能——强度、耐力、使用寿命。 在飞机发动机中一种掺镍化合物制成 称作718合金被广泛的用于制造波音 777客机上的发动机的压缩机、叶片及 紧固件。
从发动机关键材料看：高温合金 仍然是主要材料（>50％） 。作为涡轮叶片，单晶加发汗冷却，可以满足2000℃以上。 陶瓷 有可能用于燃烧室和导向叶片。 钛合金 （1600℃－650℃）及钛铝基中间化物（600℃－ 1000℃）可用于机匣，压气机叶片。 C/C复合材料 虽然在比强度，比刚度和高温有特殊优越 性，但抗氧化问题须解决。
深过冷定向凝固技术
• 基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一 激冷基座上，在金属液被动力学过冷的 同时，金属液内建立起一个自下而上的 温度梯度，冷却过程中温度最低的底部 先形核，晶体自下而上生长，形成定向 排列的树枝晶骨架，其间是残余的金属 液。在随后的冷却过程中，这些金属液 依靠向外界散热而向已有的枝晶骨架上 凝固，最终获得了定向凝固组织。
高温合金
高温合金是以高熔点金属Ni（1450℃）、Co
（ 1480℃）、Mo（2620℃）等为基体，加入一定量的其 他元素构成的在高温下使用的金属材料。
分类
1、按基体类型：分为铁基、镍基、钴基高温合金；
2、按强化方式：分为固溶强化型和时效强化型合金；
3、按成形方式：变形高温合金和铸造高温合金。
1) 铁基高温合金
单相奥氏体（ A ）组织，抗氧化性 好，冷加工成形和焊接性好，用于制造 形状复杂、需经冷压和焊接成形、但受 力不大，主要要求在 800℃～ 900℃下抗 氧化能力强的零件。如喷气发动机的燃 烧室、火焰筒等等。
(1) 成分及性能特点
铁基高温合金是在奥氏体（ A ） 耐热钢的基础上增加 Cr 、 Ni 、 W 、 Mo 、 V 、 Ti 、 Nb 、 Al 等，以形成单 相 A 组织提高抗氧化性，并提高再结 晶温度，以及形成弥散分布的稳定碳 化合物和金属间化合物，提高合金的 高温强度。
法不适于大型、优质铸件的生产。但其工艺简单、 成本低，可用于制造小批量零件。
快速凝固法和液态金属冷却法
• 快速凝固法是铸件以一定的速度从炉中移出或炉子移 离铸件，采用空冷的方式，而且炉子保持加热状态。 这种方法由于避免了炉膛的影响，且利用空气冷却， 因而获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获得的柱 状晶间距较长，组织细密挺直，且较均匀，使铸件的 性能得以提高，在生产中有一定的应用。 液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，将抽拉出 的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸点、低熔点、 热容量大的液态金属中。这种方法提高了铸件的冷却 速度和固液界面的温度梯度，而且在较大的生长速度 范围内可使界面前沿的温度梯度保持稳定，结晶在相 对稳态下进行，得到比较长的单向柱晶。
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常用的液态金属有Ga-In合金和Ga-In-Sn合金，以及Sn 液，前二者熔点低，但价格昂贵，因此只适于在实验 室条件下使用。Sn液熔点稍高(232℃)，但由于价格相 对比较便宜，冷却效果也比较好，因而适于工业应用 。该法已被美国、前苏联等国用于航空发动机叶片的 生产。
区域熔化液态金属冷却法
• 该方法将区域熔化与液态金属 冷却相结合，利用感应加热集 中对凝固界面前沿液相进行加 热，从而有效地提高了固液界 面前沿的温度梯度。最高温度 梯度可达1300K/cm，最大冷却 速度可达50K/s。
(a) (b) 单晶涡轮空心叶片网格划分(a) 凝固过程三维温度场数值模拟结果(b)
●大型叶片单晶工艺
GE公司用第二代单晶合 金ReneN5铸出长400mm、 重9Kg的GE90发动机单 晶空心叶片。地面燃机的 单晶叶片更大（见图）
大型单晶叶片与较小叶片对比
定向凝固基本原理
• 定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固 金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度 ，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得 具有特定取向柱状晶的技术。 定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善 起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的 横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的 高温性能和单向力学性能。 在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重 要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们 对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展 ，也激发了不同定向凝固技术的出现。
升力原理：
飞机是比空气重的飞行器，因此需要消耗自身动力来获得升力。而升力的来源是飞行中 空气对机翼的作用。 在下面这幅图里，有一个机翼的剖面示意图。机翼的上表面是弯曲的，下表面是平坦的 ，因此在机翼与空气相对运动时，流过上表面的空气在同一时间(T)内走过的路程(S1) 比流过下表面的空气的路程(S2)远，所以在上表面的空气的相对速度比下表面的空气 快(V1=S1/T >V2=S2/T1)。根据帕奴利定理——“流体对周围的物质产生的压力与 流体的相对速度成反比。”，因此上表面的空气施加给机翼的压力 F1 小于下表面的 F2 。F1、F2 的合力必然向上，这就产生了升力。 从机翼的原理，我们也就可以理解螺旋桨的工作原理。螺旋桨就好像一个竖放的机翼， 凸起面向前，平滑面向后。旋转时压力的合力向前，推动螺旋桨向前，从而带动飞机向 前。当然螺旋桨并不是简单的凸起平滑，而有着复杂的曲面结构。老式螺旋桨是固定的 外形，而后期设计则采用了可以改变的相对角度等设计，改善螺旋桨性能。
现代高速飞机多数使用喷气式发动机，原理是将空气吸入，与燃油混合， 点火，爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。下图的发 动机剖面图里，一个个压气风扇从进气口中吸入空气，并且一级一级的压缩 空气，使空气更好的参与燃烧。风扇后面橙红色的空腔是燃烧室，空气和油 料的混和气体在这里被点燃，燃烧膨胀向后喷出，推动最后两个风扇旋转， 最后排出发动机外。而最后两个风扇和前面的压气风扇安装在同一条中轴上， 因此会带动压气风扇继续吸入空气，从而完成了一个工作循环。
冲压喷气发动机
• 冲压喷气发动机 此类发 动机没有风扇等器件， 完全靠高速飞行时产生 的冲压效应压缩吸入的 空气，点火、燃烧、后 喷等原理。因此其优点 为结构简单、体积小、 推力大、加速快。缺点 是需要外部能源进行启 动(通常为火箭助推)， 不适合循环使用。
对材料的要求
• 足够的持久强度及良好的抗热疲劳性能 • 尽可能高的高温抗氧化和抗燃气腐蚀能力 • 高的导热性和尽可能低的热膨胀系数 • 良好的工艺性，如铸造性能、热加工性和 切削加工性
高温合金
航空发动机
航空发动机是飞机的心脏，是飞机性能的 决定因素之一。由于战斗机发动机要在高温､ 高压､高转速和高负荷的环境中长期反复地工 作，而且还要求具有重量轻､体积小､推力大､ 使用安全可靠及经济性好等特点，因此，目前 世界上真正具备独立研制发动机只有美､俄､英 ､法､中等少数几个国家。中国航空发动机的研 制是在新中国成立后一片空白的基础上发展起 来的，从最初的仿制､改进､改型到今天可以独 立设计制造高性能航空发动机，走过了一条布 满荆棘的发展道路。
(2) 典型牌号
GH1035 GH2036 GH1130 GH2132等 (高合GH）
2) 镍基高温合金
单相 A 组织，抗氧化性好， 高温强度高，用于制造在 800℃ ～ 900℃以下受力的零件。如涡 轮机叶片等。
(1) 成分及性能特点
这类合金是以Ni 为基，加入 Cr、W、Mo、Co、V、Ti、Nb、 Al 等，以形成 Ni 为基的固溶体。 产生固溶强化并提高再结晶温度， 以及形成弥散分布的稳定碳化合 物和金属间化合物，提高合金的 高温强度。
侧 向 约 束 下 的 定 向 凝 固 技 术
对 流 下 的 定 向 凝 固 技 术
重 力 场Βιβλιοθήκη Baidu作 用 下 的 定 向 凝 固 技 术
发热铸型法和功率降低法
• 将熔化好的金属液浇入一侧壁绝热，底部冷却，顶
部覆盖发热剂的铸型中，在金属液和己凝固金属中 建立起一个自上而下的温度梯度，使铸件自上而下 进行凝固，实现单向凝固。
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定向凝固技术的发展
传统定向凝固技术 新型定向凝固技术
发 热 铸 型 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
激 光 超 高 温 度 梯 度 快 速 定 向 凝 固
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 技 术
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石墨感应发热器放在分上下两部分的感应圈内。加 热时上下两部分感应圈全通电，在模壳内立起所要 求的温度场．然后注入过热的合金熔液。此时下部 感应圈停电，通过调节输入上部感应圈的功率，使 之产生一个轴向温度梯度。 这种方法由于所能获得的温度梯度不大，并且很难
控制，致使凝固组织粗大，铸件性能差，因此，该