盘件用粉末高温合金的研究与发展

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　　1前言
　　涡轮盘是发动机重要的热端部件之一。它在极为苛刻的条件下工作，飞行时承受着启动-停车循环中的机械应力和温差引起的热应力的迭加作用，因而要求材料具有足够的力学性能和理化性能，特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周循环疲劳和热疲劳性能，这是确定涡轮盘工作寿命的关键因素。
9 N2 c( w! z! ~* f7 b2 H　　在粉末盘之前，盘件用的γˊ相沉淀强化型合金由于强化元素不断地增多，严重的偏析使热加工性能恶化，低周疲劳性能降低，裂纹容易扩展，且投料比达19：1以上。投料比高和锻造工艺复杂，使其成本大为提高。60年代末期，随着高纯预合金粉末制造技术的兴起，美国P&W公司首先将当时的盘件合金ASTROLOY制成了粉末盘。粉末盘的出现，解决了涡轮盘合金高合金化造成的凝固偏析和变形困难，提高了力学性能，而且性能波动小。在目前的涡轮盘制造技术中，粉末冶金已成为制造高性能涡轮盘最成熟可靠的方法，粉末盘已广泛用于美俄等国多种先进发动机的研制和生产中。
; K$ U% c! `: U　　粉末(镍基)高温合金晶粒细小，组织均匀，无宏观偏析，合金化成度高，屈服强度高，疲劳性能好，是制造高推比新型发动机涡轮盘等部件的最佳材料。目前在粉末高温合金领域，美国和俄罗斯工艺各异，都居于世界领先地位。
( z6 ~) I; v1 j% O　　2国、内外研究发展状况
5 ]/ a$ I* R, r9 t/ D/ `　　2.1国内、外发展应用状况
- E  f3 i& c" H　　俄罗斯粉末高温合金的研究始于是60年代末，1978年粉末高温合金涡轮盘正式在军用发动机上使用，至今已有20多年。俄罗斯的粉末高温合金发展始于军用航空领域，并逐渐扩展到民用航空领域，在80年代末研制出ПС-90A民用航空发动机盘件。到1993年已累计生产各类粉末高温合金盘件25000个，短寿命设计要求的部件单件工作时间达1500h，长寿命要求的部件单件工作时间达10000h，总的工作时间超过了不得1百万h，到1995年已装机使用盘,轴类件总数超过了40000件。现在，全俄年产高温合金粉末7000t，可年产粉末涡轮盘40000件。俄罗斯已研制的6个牌号的粉末高温合金依次为ЭП741П；ЭП741HП；ЭП741HПу；ЭП962П；ЭП975П；ЭП962нП；其中ЭП741HП合金用量最大，用途最广，使1550MPa以上，750℃，100h的持久应力达750Mpa。俄罗斯粉末涡轮盘的主导制造工艺路用温度达700℃，ЭП962П为高强合金，与美国Rene95类似，ЭП975П的使用温度可达750℃，而ЭП962нП合金是正处于研制阶段的新型粉末高温合金，室温抗拉强度可达线为：母合金熔炼及电极棒浇注加工→等离子旋转电极制粉→粉末处理→粉末装套及封焊→热等静压成形→热处理→机加工→检验→成品。
3 h) m5 T) Z- y9 P6 D+ `$ ?* E　　而美国则在1971年由P&W公司将铸造合金In-100制成合金粉末，经挤压加塑性等温锻工艺制成涡轮盘，压气机转子等19个零件，总重450Kg，装在F100-PW-100发动机上，仅盘件就使每台发动机减轻58.5Kg，成本降低15%。
　　70年代以来，美国GE公司已在F101,F110,F404,T-700,CF6和CFM-56等军民用多种发动机上采用HIP，HIP+热模锻，HIP+HIF(等温锻)和EX(挤压)+HIF的Rene95粉末盘，轴等高温部件。除Rene95外，GE公司还发展了高蠕变性能的AF115粉末合金，与高拉伸强度的Rene95相配合，为制造双性能盘提供了有利条件.在制造工艺方面，欧美国家采用的则是氩气雾化的制粉工艺，以挤压和等温锻为主的成形工艺，而俄罗斯在近几年也已建立了大气和真空条件下的等温锻装置，开展了粉末高温合金等温锻和超塑性锻造的研究。
9 C) ~( M2 r; o/ d$ n& b　　我国粉末盘的研制从八十年代初开始，重点仿制了Rene95合金，进行了母合金熔炼，氩气雾化制粉，粉末处理，热等静压成形，等温锻，热处理，超声检验及表面强化等研究。九十年代处从俄引进大型的用于工业化生产的等离子旋转电极制粉设备及盘件生产线，进行了包套模锻10A盘的试验研制。发现存在一些问题，因此目前我国倾向于采用HIP+等温锻(或热模锻)工艺路线。
, c2 x/ E. E$ m9 O' w1 J) w: y　　2.2国外粉末盘研究新进展
1 a, D- P6 R6 _3 M: ?% W& w　　粉末盘材料在八十年代以前主要追求高强度，近年来，随着设计结构完整性大纲的贯彻，出现了适应损伤容限设计的第二代粉末盘材料。这类材料的特点是裂纹扩展速率比传统粉末盘合金明显降低，缺口扩展速率对环境的变化不敏感，这样盘件的检修周期可以大大延长，明显降低了运行费用，提高了飞机作战的利用率。
　　(1)盘件合金实现了由高强型向耐损伤型的转变
! @: ?) q3 e- e: A1 g; \　　盘件合金实现了由高强型向耐损伤型的转变，陆续推出了Rene88DT(GE),N18(SNECMA)及DTPIN10(PW)等，这些合金于传统合金相比，其强度稍有降低，但疲劳裂纹扩展速率da/dn下降较多，工艺性能得到改善，设计的使用温度比较高，达到750℃或更高。750℃损伤容馅型粉末盘在欧美广泛用于新型先进战术战斗机，也是我国推比10发动机必需的涡轮盘关键材料。
2 f3 y6 V( Z3 s* }; q　　八十年代以前的盘件材料主要是铸锻材料改型形成的，主要牌号有ASTROLOY,IN100，Rene95，MERL76及ЭП741等。为了适应粉末工艺特点，改型后的合金的碳含量比原铸锻牌号的低。这些合金的合金化程度都较高，γˊ的含量大都在50%以上，是到目前为止强度最高的涡轮盘合金。特别是Rene95，550℃的拉伸屈服强度达1120Mpa以上，但这类合金裂纹扩展速率都比较快，特别在高应力状态有保持时间时，裂纹扩展速率成数量级增加，不能适应损伤容限设计的思想。因此提出了发展适应损伤容限设计要求的粉末盘合金的研制计划。下表是这些合金与传统合金的对比。

9 G8 }- P4 `5 ]3 `/ d* p% E9 X　　(2)制粉工艺向超纯净细粉方向发展
　　氩气雾化和等离子旋转电极雾化是粉末盘最主要的制粉工艺。前者是目前在欧美广泛采用的方法，后者在俄罗斯应用较多。两者各有优缺点，氩气雾化粉末冷速高，晶粒非常细(——3μm)，但粉末纯净度稍差，因此成型以热等静压直接成型为主。目前制粉方法向无陶瓷细粉方向发展，氩气雾化采用了不少新技术，细粉收得率和陶瓷夹杂含量明显减少。无陶瓷熔炼技术如等离子体冷壁坩埚熔炼，细粉制造技术如快速凝固旋转气体雾化和超声气体雾化等得到发展，使用的粉末的粒度有进一步减小的趋势(从-150目减至-200目)。为适应锻造需要，使用的旋转电极粉粒度也开始下降。
　　(3)热等静压和挤压成型技术都得到了发展
, G0 m/ Z7 D  X; y2 X# I5 C　　热等静压和热挤压是粉末成型的关键技术。热挤压可以得到细晶组织，适合用超塑性锻造(GATORIZING)锻成盘件，材料的性能波动比其它方法小，但设备要求高，成本高。热等静压适应性好，可以直接成型盘件，也可制预坯再等温锻成盘件。直接热等静压成型盘件时盘件成本低得多，但要求粉末质量好，目前只是在俄国用得比较多。
" n5 F8 N. D, j) d　　(4)双性能及复合成型整体叶盘研制并应用
　　利用热等静压复合技术、热机械处理、热处理等研制盘芯高强度、高低周疲劳性能，盘缘持久蠕变性能好的双性能盘，可以扩展盘件的使用温度范围，双性能盘已在F119等发动机上应用。叶片和粉末盘热等静压复合的整体件也已投入使用，大幅度提高了涡轮转速。
　　(5)等温锻是盘件制造的重要技术
( E6 z: v# N& {& d; e- g# d1 z! A　　等温锻可以稳定粉末盘的性能，是粉末盘生产的重要手段。在欧美国家得到广泛应用，俄罗斯也在积极研究该项技术。
. e' q  L& Q  Z4 l　　(6)应用研究强调盘件的可靠性
　　根据疲劳裂纹萌生理论提出的盘件夹杂的尺寸容限应小于50μm，超声检测精度也应达到50μm左右。然而由于各种条件限制，实际盘件研制和检测均未能达到这一目标。因此控制夹杂尺寸主要靠控制粉末粒度，使用比较细的粉末实现。表面喷丸强化等技术也在粉末盘上广泛使用。
　　(7)计算机技术得到广泛应用
; b' O1 b2 q% L　　计算机技术用于粉末盘研制的全过程，包括合金成分设计、热等静压包套设计、等温锻过程的计算机模拟、预坯设计和模具设计，热处理中预测组织、性能分布，确定热处理制度等。该技术欧、美、俄都已应用。
　　从目前的研究进展看，发展使用温度更高、裂纹扩展速率低、强度高、工艺性能好的涡轮盘合金及制造成本低的制造技术将是未来十年国际上的发展方向。
　　2.3技术发展途径
$ L% ?2 o. }5 f" Q' b. r　　镍基高温合金涡轮盘材料从单纯追求强度和损伤容限性能的平衡发展，是和对发动机设计使用的认识深化密不可分的。为了适应这一变化，国际上对涡轮盘合金的裂纹扩展特性进行了大量的研究，包括晶粒组织、合金成分、热机械处理、以及负荷条件等的变化对裂纹扩展性能的影响。特别是研制过程中大量应用计算机技术，保证了研制的顺利进行。研究发现，高负荷条件下等延时对镍基涡轮盘材料的缺口扩展速率影响极大，扩展速率在不同温度下可以增加几十倍，同时这种变化与无保持载荷下的扩展规律之间无明显的关系。
　　(1)合金成分变化
　　因此研究表明，高Nb的含量对降低裂纹扩展速率很不利，高的Cr和Co对降低裂纹扩展速率有利，新合金设计中注意控制这些元素的添加量，以获得需要的性能。
  R+ X0 e( T2 h! A3 ?; W: ?　　(2)晶粒尺寸的控制及热机械处理
  @2 r6 W1 ^. s- i6 b: c　　粗晶材料的裂纹扩展速率比较低，某些热机械处理组织如弯曲晶界等也可能产生有利的影响，因此目前的低裂纹扩展速率材料在合金成分上与过去不同，热处理温度也比较接近γˊ固溶线或在γˊ固溶线上，锻造过程也加以严格控制，防止组织异常。同时还根据每一零件的工作特点调整的处理工艺，以充分发挥材料潜力。
1 N! d" A; R" j1 @* T$ ]) N　　(3)制造工艺变化
　　为了适应高温高应力的要求，制造技术上还发展了双性能工艺，以保证涡轮盘盘芯高强度及低周疲劳性能、盘缘高持久蠕变性能的要求。
6 A. B' L' w! R  n# i  g3 v　　3.结论
　　粉末盘用新型材料的研制不仅可以推动涡轮盘材料的发展，解决高推比发动机的选材问题，直接为提高国防能力服务，其派生技术如材料研制的软件技术、质量控制技术、等静压成型技术和等温锻技术还可以在涡轮盘和其它镍基合金材料、抗裂纹扩展材料及新型高技术材料的研制中应用，产生长期的效益，推动航空及航天材料及制造技术的发展，对国民经济起带动作用。【MechNet】
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