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高温合金不断获成果
浏览次数:1112次 发表时间:2014-03-07
 高温合金是能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料,具有优异的高温强度,良好的抗氧化和抗热腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能,已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。在世界先进发动机研制中,高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。可以说,没有高温合金,就没有今天先进的航空发动机。

  航空发动机的技术进步与高温合金的发展密切相关。高涡轮工作温度是当代先进航空发动机的最显著标志,提高涡轮工作温度是增加推力、提高发动机推重比的重要手段,而影响发动机涡轮前温度的首要因素就是涡轮叶片和涡轮盘的耐温水平。因此,发动机涡轮部件的设计者无一不是穷尽一切手段,追求应用承温能力更高的涡轮盘和叶片材料。先进高温合金正是为满足航空发动机对材料的需求而出现,并随发动机技术的进步而快速发展。

  单晶高温合金——革命性的发动机叶片材料

  镍基单晶高温合金是在等轴晶和定向柱晶高温合金基础上发展起来的一类先进发动机叶片材料。与其他高温合金相比,镍基单晶高温合金具有更为优异的综合性能,成为高推重比航空发动机的关键材料。单晶高温合金在先进航空发动机上的应用,显著提高了发动机的工作温度,推进了发动机技术的进步,没有单晶高温合金,就没有高推重比的航空发动机。

  多年来,世界各国十分重视镍基单晶高温合金的研制和开发。20世纪80年代初期以来,第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来,以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用,目前美国的第二代单晶高温合金已成熟,并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来,美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后,GE、P&W以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金,并实现了工程应用。

  单晶空心涡轮叶片的应用显著推进了航空发动机技术的进步,单晶空心叶片制造技术被列为航空发动机技术发展的关键技术,一直是世界航空技术发达国家争先发展的核心技术。

  20世纪80年代初,中航工业航材院在国内率先开始了单晶合金及叶片技术的研究,首先研制成功了我国的第一代单晶高温合金DD3。90年代又研制成功了综合性能优异的第二代单晶高温合金DD6,该合金拉伸、持久、蠕变、疲劳、抗氧化及耐热腐蚀性能等达到甚至部分超过了国外广泛应用的第二代单晶合金的性能水平。自20世纪80年代中期研制成功我国第一件单晶空心涡轮叶片以来,中航工业航材院为多种型号先进航空发动机提供了数万件单晶叶片,某些装配单晶涡轮叶片的发动机已翱翔于蓝天。

  粉末高温合金——高性能发动机涡轮盘首选材料

  粉末高温合金是用粉末冶金工艺制备的高温合金,是制造先进航空发动机涡轮盘不可或缺的关键材料。用粉末冶金方法生产的高温合金,消除了宏观偏析的影响,组织均匀、细小,提高了合金的屈服和抗疲劳强度,表现出优异的综合力学性能。

  国外粉末盘的发展始于20世纪60年代,80年代研制了适合损伤容限设计的第二代粉末高温合金。这类材料的特点是使用温度高、裂纹扩展速率比第一代高强型粉末高温合金明显降低,可以满足推重比10以上航空发动机结构完整性的设计要求。近年来出现了更高使用温度的“高强+损伤容限”的第三代粉末高温合金。由于粉末高温合金材料具有良好的综合力学性能和冷、热工艺性能,在先进航空发动机上已得到广泛应用,高性能粉末高温合金已成为推重比8以上的高性能发动机涡轮盘的首选材料。

  20世纪80年代,中航工业航材院开始研究粉末高温合金,是国内最早进行粉末高温合金研制并应用的单位。经过20多年的发展,研制成功了第一代粉末高温合金FGH95,第二代粉末高温合金FGH96,并应用于发动机用涡轮盘及导流盘,制备出了FGH95、FGH96等氩气雾化粉末,实现了国内高温合金氩气雾化粉末从无到有的突破,研制的粉末高温合金涡轮盘性能水平达到国际同类合金的A级标准,实现了粉末高温合金盘件在高推重比航空发动机上的应用缩短了与国外先进技术在该领域的差距。

  敢于摘取皇冠上明珠的先锋队

  为促进高温合金的发展,中航工业航材院专门组建了高温单晶叶片研究与工程技术中心和粉末高温合金盘件研究与工程技术中心。在专业组的基础上建成具备很强自主创新能力、核心技术发展能力、型号产品研制能力的技术与产品创新平台,实现从基础研究、应用技术研究、工程化研究到型号应用和型号保障的全线打通。

  高温单晶叶片研究与工程技术中心具有先进的实验研究和生产条件,拥有制芯、制模、制壳、熔炼、焊接、涂层、热处理、检测等成体系的配套设备。粉末高温合金盘件研究与工程技术中心拥有真空感应母合金熔炼、粉末制备、粉末纯净化处理、粉末物理性能分析与检测、热等静压等成套设备,可研发各类涡轴和涡扇发动机用粉末涡轮盘、导流盘、封严盘和挡板等,具备粉末高温合金零件预先研究、工程化应用研究及型号保障的条件及能力。

  中航工业航材院在先进高温合金领域创造出了一批令人瞩目的研究成果,为先进航空发动机的发展奠定了坚实的基础。随着发动机推重比的不断升级换代,这些先进发动机将采用更高承温和承载能力的高温材料制造结构更加复杂的热端部件,对未来高温结构材料提出了更为苛刻的要求。作为航空发动机关键热端部件材料工艺攻关生力军,中航工业航材院将形成完整的单晶高温结构材料、粉末高温结构材料体系,提高已有高温结构材料的应用成熟度,开展承温能力更高的单晶高温结构材料、粉末高温合金研制,提高我国航空装备研制的自主保障能力。

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