渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的核心熱端部件，它的冶金質(zhì)量和性能水平對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的可靠性、安全壽命和性能的提高具有決定性作用。高溫合金(渦輪盤、渦輪葉片等)被譽(yù)為燃?xì)鉁u輪的心臟，一直受到冶金工作者的關(guān)注。采用粉末高溫合金可顯著提高渦輪盤力學(xué)性能和熱工藝性能。近幾十年，隨著合金和制備技術(shù)的快速發(fā)展，粉末高溫合金已成為目前高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的首選材料。

渦輪盤 （圖片來源：Pixabay）

高溫合金是指以鎳、鐵和鈷為基體，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長期工作，能承受較大復(fù)雜應(yīng)力、并具有表面穩(wěn)定性的一類金屬材料。

1 高溫合金性質(zhì)

高溫合金具有較高的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化、抗腐蝕性能以及良好的斷裂韌性、塑性等綜合性能，在現(xiàn)代國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的意義。高溫合金具有優(yōu)異的高溫性能，在航空航天、能源、交通等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、不可或缺。

然而高溫合金是典型的難加工材料，存在熱加工性能差、切削加工難的問題，這不僅提高了加工成本還嚴(yán)重影響高溫合金材料的應(yīng)用。

2 高溫合金分類

高溫合金按合金的主要元素分為鐵基、鎳基和鈷基合金。

鐵基高溫合金使用溫度較低(600~850℃)，一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)中工作溫度較低的部位，如渦輪盤、機(jī)匣和軸等零件。

鎳基變形高溫合金在發(fā)動(dòng)機(jī)中主要用于渦輪盤和渦輪葉片，溫度范圍一般在650°C-1000°C。鎳基鑄造高溫合金在發(fā)動(dòng)機(jī)中主要用于渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片，工作溫度可達(dá)1100°C以上。

鈷元素在地球上儲(chǔ)量較少，價(jià)格較為昂貴。目前鈷基合金研發(fā)熱度有所下降。

3 粉末高溫合金的發(fā)展現(xiàn)狀

由于粉末冶金高溫合金（簡稱：粉末高溫合金）具有粉末細(xì)小、合金成分均勻、制件性能穩(wěn)定、熱加工變形性能較好以及合金化程度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊，在航空航天、石油化工、交通運(yùn)輸、核反應(yīng)堆等方面都占據(jù)著舉足輕重的地位。

粉末高溫合金是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的新一代高溫合金，以金屬粉末作為原材料，經(jīng)過后續(xù)熱加工處理，得到具有較高抗拉強(qiáng)度和良好的抗疲勞性能的合金。發(fā)展至今已歷經(jīng)3代研制過程，歐美一些國家和俄羅斯都已建立了自己的高溫合金體系。

中國粉末高溫合金的研究起步相對(duì)較晚，開始于20世紀(jì)70年代后期。粉末高溫合金型號(hào)主要有FGH95、FGH96、FGH97、FGH98等。表1為中國幾代粉末高溫合金的成分及特性。

隨著粉末高溫合金的不斷發(fā)展，近年來一些學(xué)者提出了第4代粉末高溫合金的研究方向。第四代粉末高溫合金的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可滿足推重比為15～20的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，即第四代粉末高溫合金的發(fā)展目標(biāo)是：在繼承前幾代粉末高溫合金的高強(qiáng)度、高損傷容限的基礎(chǔ)上，提高其工作溫度，以期制備一種高強(qiáng)度、高損傷容限及高工作溫度的合金。

吳超杰等通過分析粉末高溫合金發(fā)展思路并借鑒了葉片的制造過程之后，從材料的強(qiáng)度、工作溫度和損傷容限3方面進(jìn)行改進(jìn)，使用固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的方法，研究并確定了第4代粉末高溫合金的成分選取范圍。譚黎明等在FGH97合金基礎(chǔ)上調(diào)整成分設(shè)計(jì)，通過增加固溶強(qiáng)化元素的含量改善高溫合金的力學(xué)性能（TCP相沒有析出或者析出沒有達(dá)到破壞合金性能的程度），使合金具有更高的室溫、高溫拉伸性能，更長的高溫持久壽命及較好的組織穩(wěn)定性，且塑性損失不明顯。但材料的成本和成形問題以及材料性能提升的機(jī)理問題都沒有得到有效解決，導(dǎo)致第4代粉末高溫合金的研發(fā)尚未完全成功。

4 粉末高溫合金制備方法

目前高溫合金粉末制備主要有氣霧化法制粉(AA粉)和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉(PREP粉)2種方法。

4.1 氣霧化法

真空感應(yīng)熔煉氣霧化(VIGA)制粉設(shè)備示意圖如圖1所示。主要分為真空系統(tǒng)、感應(yīng)熔煉系統(tǒng)、氣源、霧化系統(tǒng)以及粉末收集系統(tǒng)，相應(yīng)的制粉過程分為熔煉、霧化、液滴凝固與粉末收集4個(gè)過程。采用真空感應(yīng)熔煉制備的母合金在熔煉爐經(jīng)中頻感應(yīng)加熱至熔融狀態(tài)；受重力和霧化氣流的抽吸力影響，克服瓷坩堝表面摩擦力和熔體內(nèi)部黏滯力，通過導(dǎo)流管流入霧化室，在導(dǎo)流管末端受到高速氣流的剪切力作用，克服表面張力破碎為毫米或微米尺度的熔滴；充分破碎的熔滴群在氣流曳力、慣性力、重力和熱泳力等合力作用下，在霧化室內(nèi)分散飛行，與氣流發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換作用，快速凝固為不同粒徑的粉末顆粒，最終被分級(jí)系統(tǒng)收集于粉罐。

圖1 真空感應(yīng)熔煉氣霧化制粉設(shè)備示意圖

氣霧化制粉的優(yōu)勢在于可以制備比較細(xì)小的球形高溫合金粉末，通過篩分去除較大的夾雜顆粒，從而降低夾雜的有害影響。

4.2 等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）

等離子旋轉(zhuǎn)電極法（PREP）在制粉時(shí)，是將旋轉(zhuǎn)電極放入霧化室中，利用外加熱源在電極端面上形成熔融金屬薄膜，電極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，熔融金屬在離心力的作用下形成細(xì)小液滴，結(jié)晶形成金屬粉末。采用該法制得的粉末球形度較好，粒度分布均勻，粉末表面光潔。

表2兩種制粉工藝特性比較

5 小結(jié)

經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的研究與發(fā)展，粉末高溫合金技術(shù)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。部分粉末高溫合金已被應(yīng)用到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。隨著粉末高溫合金制備技術(shù)的不斷成熟與完善，未來高溫合金制粉技術(shù)將繼續(xù)朝著高純、細(xì)化、窄粒度、少夾雜、高球形度以及高效率和低成本的方向發(fā)展。在不久的將來將會(huì)有一系列的性能更優(yōu)的合金被開發(fā)研制，其應(yīng)用范圍也將越來越廣。

參考來源：

【1】江蘇九銘特鋼有限公司官網(wǎng).

【2】張國慶，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用粉末高溫合金及制備技術(shù)研究進(jìn)展.金屬學(xué)報(bào).2019.

【3】胡連喜，等.粉末冶金高溫合金研究及發(fā)展現(xiàn)狀.粉末冶金工業(yè).2018.

【4】智通財(cái)經(jīng)網(wǎng)《高溫合金，在熔爐中而生》

【5】郭茂文，等.粉末高溫合金的研究現(xiàn)狀.熱加工工藝.2017.

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