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我国在粉末高温合金领域取得了很大的进步,与美欧、俄仍有差距

发表时间:2018-12-01 17:19

  粉末高温合金是现代高性能航空发动机涡轮盘等关键部件的必选材料。由于在制粉过程中粉末颗粒由微量液体快速凝固形成,成分偏析被限制在粉末颗粒尺寸以内,消除了常规铸造中的宏观偏析,同时快速凝固后的粉末具有组织均匀和晶粒细小的突出优点,显著提高了合金的力学性能和热工艺性能。因此,粉末高温合金在高性能军用发动机上以及先进民用发动机领域获得了大量应用。

  我国在粉末高温合金领域取得了很大的进步,但是与美欧、俄罗斯等航空强国相比,差距仍然很大。随着我国大飞机专项和发动机专项的实施及由此迎来的航空业大发展,我国应该在以下几方面加快粉末高温合金的研发步伐。

  1.研发超纯净细粉制粉工艺。

  粉末高温合金中陶瓷夹杂缺陷数量、尺寸和位置是影响粉末盘使用安全性和可靠性的重要因素。为了提高盘件的可靠性,要求盘件中的夹杂数量尽可能少,尺寸尽可能小。采用“双联”、“三联”冶炼工艺及冷壁坩埚熔炼可使夹杂含量大大降低,母合金纯净度得到显著改善。

  2.推广和应用双性能盘。

  高性能发动机用涡轮盘的盘心部位承受低温高应力,需要细晶组织以保证足够的强度和疲劳抗力,而边缘部位则承受高温低应力,需要粗晶以保证足够的蠕变和持久性能。因此,采用同一种合金制备出轮缘和轮毂部位具有不同显微组织的双组织、双性能盘成为目前的研究热点,这种盘件避免了因异种金属之间的连接而可能造成的安全隐患,符合高性能发动机的工况要求,提高整个盘件的安全系数。

  美国采用双重热处理工艺制造出了双性能粉末盘,并已装配到第四代战机 F22的 F119型发动机上。我国钢铁研究总院采用 HIP 制坯+细晶锻造+梯度热处理工艺路线,在国内率先研制出Φ450 mm 的 FGH96双性能盘件。

  3.熱等静压近净成形盘件制备。

  通常铸锻工艺的投料比为19∶1,HIP +锻造为6.6∶1,而直接熱等静压成形为3.6∶1。显然,直接热等静压成形工艺的材料利用率最高,在保证盘件质量的前提下,该工艺具有显著的性价比优势。直接熱等静压近净成形工艺在俄罗斯的粉末高温合金领域取得了巨大的成功,四十多年以来俄罗斯粉末盘件的生产一直采用该工艺。由于该工艺在成本控制方面具有先天的优势,可以预见,它将是今后粉末盘的主要制备工艺流程之一。

  4.计算机辅助技术和数值模拟的应用。

  传统的“炒菜式”的合金设计已经被计算机辅助设计手段所替代,借助相关的热力学相图软件,可显著加快合金的研制进度,如 RR1000合金就是第一个完全采用相图计算进行合金设计的粉末冶金高温合金。粉末涡轮盘制备过程中的工艺环节多,为了降低成本和加快研制进度,在包套设计、热等静压成形、挤压、锻造、热处理等关键工艺环节大量借用数值模拟已经成为一种趋势。


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