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高温合金材料受国家重点关注,先进高温合金都存在哪些应用

  墨眉朱砂        2021-07-12 09:38:22


高温合金是航空发动机、燃气轮机和重载火箭发动机中热端部件不可替代的核心材料。“高温合金在先进航空发动机中的用量占到40%~60%。随着国家高质量发展的不断深入,预计到2030年,我国航空发动机及燃机制造、大修换件对高温合金的年需求量将达到10万余吨。”干勇指出,我国高温合金还需在提高产品成分一致性和组织均匀性、掌握复杂形体空心叶片单晶体生长控制技术、彻底解决粉末高温合金变形化技术的夹杂物困扰等方面下功夫。


高端装备用特种合金是我国制造业‘空心化’的突出代表。高端耐热合金、耐蚀合金、特种钢/合金及其关键零部件严重依赖进口,受制于人问题突出。在重大能源、海洋工程和重大交通工程等国家战略支柱产业方面,亟待自主研制我国高端装备用特种合金及相关部件。其中,深海资源的开采高度依赖海工装备,而我国只掌握了海工装备核心技术的20%,制造“心脏”部位的特种合金匮乏,存在高端空白、低端不能用的尴尬局面,亟待建立起深海特种材料体系;高端轴承几乎100%需要引进,且引进量很大,如高铁每年要引进50万套高端轴承。



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%。所以,高温合金材料也被誉为“先进发动机基石”。除此之外,高温合金在电力、运输、石油化工行业也占有重要的地位。


航空发动机被称为“工业之花”,是航空工业中技术含量最高、难度最大的部件之一。作为飞机动力装置的航空发动机,特别重要的是金属结构材料要具备轻质、高强、高韧、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能,这几乎是结构材料中最高的性能要求。


高温合金材料受国家重点关注,先进高温合金都存在哪些应用


(图片来源于网络,侵删)


1.在航空航天上的应用


在现代先进的航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%-60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件;此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件


高温合金材料受国家重点关注,先进高温合金都存在哪些应用


(图片来源于网络,侵删)


1.1)燃烧室


燃烧室是动力机械能源的发源地。燃烧室内产生的燃气温度在1500~2000℃之间。因为其余的空间有压缩空气流动,所以燃烧筒合金材料的承受温度一般在800~900℃以上,局部达1100℃。因此,燃烧筒要求材料要具有高温抗氧化和抗燃气腐蚀性能,良好的冷热疲劳性能。


燃烧室使用的主要高温合金以镍基或钴基高温合金为主。例如第三代战斗机F100发动机选用Haynes 188钴基高温合金,F110,F404和F414发动机则选用Hastelloy X 镍基高温合金。但是随着飞机推重比的提高,对燃烧筒材料提出了新的要求。第四代战机燃烧筒主要是镍基高温合金并涂覆陶瓷热胀涂层,并且采用新的燃烧室结构,如F119和F135采用了浮动壁结构,而F136发动机采用了Lamilloy结构。到了第五代战机,多使用Lamilloy结构的高温合金、耐高温1482℃陶瓷复合材料和热胀涂层。因此,为了适应航空发动机新的推重比的要求,全新材料基体和制备工艺的高温合金急需研发出来[3]。


1.2)导向叶片


导向叶片是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。但由于它是静止的,所受的机械负荷并不大。通常由于应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的裂纹以及过燃引起的烧伤,会使导向叶片在工作中经常出现故障。根据导向叶片工作条件,要求材料具有如下性能:足够的持久强度及良好的热疲劳性能;有较高的抗氧化和抗腐蚀的能力。


铸造高温合金成为了导向叶片的主要制造材料。美国Howmet公司等多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作为导向叶片的材料。近年来,由于定向凝固工艺的发展,用定向合金制造导向叶片的工艺也在试制中;此外,FWS10发动机涡轮导向器后篦齿环制造采用了氧化物弥散强化高温合金[1]。


1.3)涡轮盘


涡轮盘在工作中受热不均,盘的轮缘部位比中心部位承受较高的温度,产生很大的热应力。榫齿部位承受最大的离心力,所受的应力更为复杂。为此对涡轮盘材料要求有:合金应具有高的屈服强度和蠕变强度;良好的冷热和抗机械疲劳性能;线膨胀系数要小,无缺口敏感性,较高的低周疲劳性能。


粉末高温合金是现代高性能发动机涡轮盘的必选材料。1965年发展了高纯预合金粉末技术。美国P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先开创了粉末高温合金盘件用于航空发动机的先河。1972年IN100粉末高温合金涡轮盘用于F100发动机上,开启了粉末高温合金的实际应用阶段。


我国的粉末高温合金的研究起步于20世纪70年代后期,在后续的发展过程中,根据国家型号需求,陆续开展了FGH95合金,FGH96合金,FGH97合金,FGH98合金和FGH91合金的研制。其中FGH95是目前强度最高的粉末高温合金,最高使用温度650℃,主要用于制备发动机的涡轮盘挡板以及直升机用涡轮盘。


目前在粉末高温合金领域,美国、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、中国、日本、意大利以及印度等国家均开展了研究工作,美国、俄罗斯、英国、法国、德国和中国等国家掌握了工业生产工艺,其中仅有美国、俄罗斯、法国和英国能独立研发粉末高温合金并建立了自己的合金牌号[1-4]。


1.4)涡轮叶片


涡轮工作叶片是涡轮发动机上最关键的构件之一。虽然工作温度比导向叶片要低些,但是受力大而复杂,工作条件恶劣,因此对涡轮叶片材料要求有:高的抗氧化和抗腐蚀能力;高的抗蠕变和持久断裂的能力;良好的机械疲劳和热疲劳性能以及良好的高温和中温综合性能。


涡轮叶片用材料最初普遍采用变形高温合金。随着材料研制技术和加工工艺的发展,铸造高温合金逐渐成为涡轮叶片的候选材料。美国从20世纪50年代后期开始尝试使用铸造高温合金涡轮叶片,前苏联在60年代中期应用了铸造涡轮叶片,英国于70年代初采用了铸造涡轮叶片。而航空发动机不断追求高推重比,促使国内外自70年代以来开始研制新型高温合金,先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料。其中单晶高温合金材料成为目前主流的涡轮盘材料。


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。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。近年来,日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等[3]。


我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世界80年代初率先开始研究的,并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6,并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外,我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33 、中国科学院金属研究所研制的DD90;第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22;第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。


2.石油化工行业


开采石油和天然气,特别是深井开采,需要使用镍基高温合金。因为深井下工作环境恶劣,比如酸性环境,氯化物浓度高,有硫化氢气体,气体分压大,井下温度波动在0-218℃范围。因此,Inconel 718 合金在油气开采钻具上可用作注射阀、传统运转阀、气体升举阀、双制化学注射阀、安全阀等多种阀门,流体分流器采用Inconel 718C 铸造合金制备。Incoloy 925可制作XLD假阀、XLI气体升举阀、XLO-B阻尼阀,水压设备螺母等。Incoloy825可制作耐久打眼绳索、绳索管道、水压控制管线、水压设备套圈等。Incoloy 625可作水压设备管线等。Inconel 600 可作安全隔板等[5]。


高温合金材料受国家重点关注,先进高温合金都存在哪些应用

来源:hyj槑槑娇儿,焊接技术

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