航空耐高温材料综述-知识分享

航空耐高温材料综述-

航空耐高温材料综述

摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。

关键词：耐高温、镍基合金、钛基合金、航空发动机

一．耐热材料发展的简述：

早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。

地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。

二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。

二．现代航空耐高温材料

现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。这就使材料面临着高温高应力的问题，增大压缩比就需要材料在更高的温度下保持现

有的抗蠕变性能。自飞机问世至2O世纪60年代初。航空发动机材料主要采用钢材和铝材，钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘、燃烧室外壳等一些主要承力部件的制造；而铝基材料则主要用于压气机叶轮、叶片、油泵壳体等部件。由于各部件所处工作环境不同(温度、受力等)，因此，其材料的组分也不同。但这两类材料自身的刚度、强度等固素，限制了人们对发动机性能的更高要求，特别是严重影响了发动机推重比的提高。

此外铝基材最的的提点就是易腐蚀，严重影响了发动机的使用寿命，为解决这些问题开始研制采用镍、钛合金来制造发动机主要部件，镍基主要制造火焰筒、涡轮叶片等部件，钛基材料主要用来制造压气机盘和叶片等部件。此外在60年代国外研制的涡轮发动机，在追求高性能研制思想的指导下，变出要求高推重比、高增压比和高涡轮前温度。由于材料方面研究相对落后。造成发动机的结构故障显著增加。70年代初期，C／C复合材料开始出现．这是一种新型的特种工程材料。除了具有石墨的各种优点外。强度和冲击韧性比石墨高5—1O 倍．刚度和耐磨性高，化学厦足寸稳定性好，适于高温技术领域。准备用于制造加力燃烧室筒、叶片盘整体结构、涡轮厦尾啧管等部件。但其研制、应用进展缓慢。

三．镍基合金

在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。在目前的先进发动机上，不仅涡轮叶片和燃烧室，甚至于压气机后几级叶片和盘也开始使用镍基高温合金. 高温合金的发展动力直接来自于燃气涡轮发动机的发展。为满足航空汽轮发动机推力和效率的日益增长、工作温度不断提高的需要，一些新型高温合金和先进生产制造技术及工艺相继产生。涡轮叶片最高使用温度的提高一半得益于叶片设计，半得益于合金研发及工艺的进展，包括成分和结构的优化，。从40年代到50年代中期，合金主要是通过成分调整来提高合金性能。50年代后期以后，合金性能主要以工艺的改进来不断提高，如真空冶炼、精密铸造，不但合

金化程度可以进步提高，而且合金质量容易得到保证。进入6O年代，相继出现定向凝固、单晶合金、粉末冶金高温合金、定向共晶及机械合金化等新工艺，使合金性能不断提高

镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由于其优异的高温力学性能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-9096的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展。

镍基高温合金在高温合金的发展中占有重要地位，目前主要的研究对象是耐高温能力较好的单晶合金，主要是添加铂族元素的镍基单晶高温合金。金属间化合物，共晶，陶瓷等材料由于自身性能限制未能应用于航空发动机制造行业。

航空发动机盘用镍基超合金

该类合金的发展目标是通过增加添加元素，使其具有更高使用温度。新近发展的一种蠕变及疲劳性能更优良的镍基合金，其成分为 Ni-20Cr-1.5Ai-3-Ti-4.5Mo-13.5Co。最初采用真空感应熔炼(VIM)和真空电弧重熔(VAR)制备此合金。由于合金出现成分偏析白斑和碳化物聚集导致盘件寿命降低，美国特种金属公司(SMC)改用VIM 和电渣精炼才消除了这些缺陷，未来更新的发动机要求使用材料的温度和强度更高。最初用于叶片的Udimet720合金Ni-16Cr-2.5AI-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W)需采用粉末冶金方法才能制备成大型盘锻件，而现在SMC通过对熔炼和精炼工艺，以及锻造工艺的研究改进，已成功地制备了250mm 直径的锻坯，并且用在了民用和军用机的发动机上。

Inconel 7l8SPF可超塑成型的镍基合金

该合金成分与标准的(AMS5596)Inconei7l8合金相同，含50％Ni，17％Cr，0。6％Al，1％Ti，30％Mo，5％Nb，余量为Fe。但合金也有自己的标准AMS 5950，其主要差别是要求用最佳的热变形得到细的晶粒度，与普通Inconei718合金相比，细晶可超塑成型的Inconei718SPF合金疲劳寿命提高100倍，而且充分利用超塑成型技术更容易制成形状复杂，高温下比强度高，制造成本低的元件。因为最初的超塑成型技术主要用于铝和钛合金。Inconei718SPF超塑成形合金代表着材料超塑成形技术领域的最新进展。

Allvac718+是一种新型的析出硬化型镍基高温合金，可以在704摄氏度时仍保持极好的强度和持久性能。这种合金具有Waspaloy合金所具有的耐高温性能和热稳定性，同时保留了标准718合金的加工特性。此外，由于具有较低的内在原料成本，7l8合金比Waspaloy合金在成本上有优势，而且还有改良的热加工性和焊接性能，使成品零件具有较好的成材率。

718+合金的强化相

718+合金中的主要强化相为γ，其体积分数随δ相的量不同，范围为19.7％～23.2％。γ相强化合金如Waspaloy和Rene41在高温下均比γ相强化合金如718具有更好的稳定性。这是由于γ相在650℃--750℃的温度范围内生长迅速，而且部分分解以平衡δ相。研究718+合金中的γ相表明其中铌和铝含量很高，与在Waspaloy和Rene41中的非常不同。这可以说明其独特的析出行为和强化效应。718+合金中含有δ相，在热力学处理过程中对合金的持久性能、缺口塑性以及调节显微结构都很有利。然而，δ相的体积分数与718合金相比非常少，并且在