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航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱(chēng)為“工業(yè)之花",是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī),特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能,這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。
高溫合金是能夠在600℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿(mǎn)足現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的,至今已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類(lèi)關(guān)鍵材料。目前,在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。
自1956年第一爐高溫合金GH3030試煉成功,迄今為止,我國(guó)高溫合金的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已歷經(jīng)60年的發(fā)展歷程。
60年的高溫合金發(fā)展可以分為三個(gè)階段
第一個(gè)階段:從1956年至20世紀(jì)70年代初是我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起始階段。本階段主要是仿制前蘇聯(lián)高溫合金為主體的合金系列,如:GH4033,GH4049,GH2036,GH3030,K401和K403等。
第二個(gè)階段:從20世紀(jì)70年代中至90年代中期,是我國(guó)高溫合金的提高階段。主階段主要試制歐美型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī),提高高溫合金生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制。
第三階段:從20世紀(jì)90年代中至今,是我國(guó)高溫合金的全新發(fā)展階段。本階段主要是應(yīng)用和開(kāi)發(fā)了一批新工藝,研制和生產(chǎn)了一系列高性能、高檔次的新合金。
目前,我國(guó)的高溫合金研究主要研究單位是鋼鐵研究總院、北京航空材料研究院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、 北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等,主要生產(chǎn)企業(yè)有:中航工業(yè)、鋼研高納、煉石有色、撫順特鋼、高鋼特鋼和第二重型機(jī)械集團(tuán)萬(wàn)航模鍛廠(chǎng)(二重)等。在此基礎(chǔ)上,我國(guó)已具備了高溫合金新材料、新工藝自主研發(fā)和研究的能力。
在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中,高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%~60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上,高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤(pán)四大熱段零部件;此外,還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
燃燒室
燃燒室是動(dòng)力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500℃~2000℃之間,因?yàn)槠溆嗟目臻g有壓縮空氣流動(dòng),所以燃燒筒合金材料的承受溫度一般在800℃~900℃以上,局部達(dá)1100℃。因此,燃燒筒要求材料要具有高溫抗氧化和抗燃?xì)飧g性能,以及良好的冷熱疲勞性能。
燃燒室使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主。例如第三代戰(zhàn)斗機(jī)F100發(fā)動(dòng)機(jī)選用Haynes188鈷基高溫合金,F(xiàn)110、F404和F414發(fā)動(dòng)機(jī)則選用Hastelloy X鎳基高溫合金。但是隨著飛機(jī)推重比的提高,對(duì)燃燒筒材料也提出了新的要求。第四代戰(zhàn)機(jī)燃燒筒主要是鎳基高溫合金并涂覆陶瓷熱脹涂層,并且采用新的燃燒室結(jié)構(gòu),如F119和F135采用了浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu),而F136發(fā)動(dòng)機(jī)采用了Lamilloy結(jié)構(gòu)。到了第五代戰(zhàn)機(jī),多使用Lamilloy結(jié)構(gòu)的高溫合金、耐高溫1482℃陶瓷復(fù)合材料和熱脹涂層。因此,為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)新的推重比的要求,研發(fā)全新材料基體和制備工藝的高溫合金是目前航空航天領(lǐng)域的迫切需求。
導(dǎo)向葉片
導(dǎo)向葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一,但由于它是靜止的,所受的機(jī)械負(fù)荷并不大。通常由于應(yīng)力引起的扭曲、溫度劇烈變化引起的裂紋以及過(guò)燃引起的燒傷,會(huì)使導(dǎo)向葉片在工作中經(jīng)常出現(xiàn)故障。根據(jù)導(dǎo)向葉片工作條件,要求材料要具有足夠的持久強(qiáng)度及良好的熱疲勞性能和較高的抗氧化和抗腐蝕的能力。
因此,鑄造高溫合金即成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。美國(guó)Howmet等公司多采用IN718C、PWA1472、Rene220以及R55合金作為導(dǎo)向葉片的材料。近年來(lái),由于定向凝固工藝的發(fā)展,用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中。此外,F(xiàn)WS10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)的制造也采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。
渦輪盤(pán)
渦輪盤(pán)在工作中受熱不均,盤(pán)的輪緣部位比中心部位承受較高的溫度,產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。榫齒部位承受最大的離心力,所受的應(yīng)力更為復(fù)雜。為此,對(duì)渦輪盤(pán)材料的要求則需合金應(yīng)具有高的屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度,以及良好的冷熱和抗機(jī)械疲勞性能,同時(shí)線(xiàn)膨脹系數(shù)要小,無(wú)缺口敏感性,具有較高的低周疲勞性能。
粉末高溫合金是現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的必選材料。1965年,高純預(yù)合金粉末技術(shù)被研發(fā)出來(lái),此后,美國(guó)P&WA(Pratt&Whitney Aircraft)公司首先開(kāi)創(chuàng)了粉末高溫合金盤(pán)件用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先河;1972年,IN100粉末高溫合金渦輪盤(pán)被用于F100發(fā)動(dòng)機(jī)上,開(kāi)啟了粉末高溫合金的實(shí)際應(yīng)用階段。
我國(guó)的粉末高溫合金的研究起步于20世紀(jì)70年代后期,在后續(xù)的發(fā)展過(guò)程中,根據(jù)國(guó)家型號(hào)需求,陸續(xù)開(kāi)展了FGH95合金、FGH96合金、FGH97合金、FGH98合金和FGH91合金的研制,其中FGH95是目前強(qiáng)度最高的粉末高溫合金,最高使用溫度達(dá)650℃,主要用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤(pán)擋板以及直升機(jī)用渦輪盤(pán)。
目前在粉末高溫合金領(lǐng)域,美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞典、中國(guó)、日本、意大利以及印度等國(guó)均開(kāi)展了研究工作,美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)已掌握了工業(yè)生產(chǎn)工藝,其中僅有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和英國(guó)能獨(dú)立研發(fā)粉末高溫合金,并建立了自己的合金牌號(hào)。
渦輪葉片
渦輪工作葉片是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件之一。雖然它的工作溫度比導(dǎo)向葉片要低些,但是受力大而復(fù)雜,工作條件惡劣,因此對(duì)渦輪葉片材料具有很高的要求,要求材料具有高的抗氧化和抗腐蝕能力、高的抗蠕變和持久斷裂的能力、良好的機(jī)械疲勞和熱疲勞性能及良好的高溫和中溫綜合性能。
渦輪葉片用材最初普遍采用變形高溫合金,但隨著材料研制技術(shù)和加工工藝的發(fā)展,鑄造高溫合金逐漸成為渦輪葉片的候選材料。美國(guó)從20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始嘗試使用鑄造高溫合金渦輪葉片,前蘇聯(lián)也在60年代中期開(kāi)始應(yīng)用鑄造渦輪葉片,英國(guó)則在70年代初采用了鑄造渦輪葉片。
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求高推重比的前提下,促使國(guó)內(nèi)外自上世紀(jì)70年代以來(lái),一直在研制新型高溫合金,先后研制了定向凝固高溫合金、單晶高溫合金等具有優(yōu)異高溫性能的新材料,其中單晶高溫合金材料成為目前主流的渦輪盤(pán)材料。
單晶高溫合金是在等軸晶和定向柱晶高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料。20世紀(jì)80年代初期以來(lái),第一代單晶高溫合金PWA1480、ReneN4等在多種航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。80年代后期,以PWA1484、ReneN5為代表的第二代單晶高溫合金葉片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到大量使用,目前美國(guó)的第二代單晶高溫合金已成熟,并廣泛應(yīng)用在軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。90年代后期,美國(guó)研制成功第三代單晶高溫合金CMSX-10,之后,GE、P&W以及NASA合作開(kāi)發(fā)了第四代單晶高溫合金EPM-102。法國(guó)和英國(guó)也分別研制單晶高溫合金,并實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。近年來(lái),日本又相繼成功地研制了承溫能力更高的第四、第五、第六代單晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。我國(guó)的單晶高溫合金是由中航工業(yè)航材院于20世紀(jì)80年代初*開(kāi)始研究的,并成功研制出我國(guó)第一代單晶高溫合金DD4。90年代又成功研制了第二代單晶高溫合金DD6,并廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。此外,我國(guó)的第三代單晶高溫合金主要有北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的DD9與DD10,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究部研制的DD32、DD33,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD90。第四代單晶高溫合金是由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的DD22。第五代單晶高溫合金為陜西煉石有色研制的含錸高溫合金材料。這些材料目前僅限于實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)階段。
隨著以殲10B、殲15、殲16為代表的多款三代半戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)進(jìn)入列裝,對(duì)WS-10發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也日益增長(zhǎng);隨著國(guó)產(chǎn)大型運(yùn)輸機(jī)運(yùn)-20的列裝,大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)也將進(jìn)入量產(chǎn),這將直接驅(qū)動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金的快速發(fā)展。為了提升高溫合金材料技術(shù),工信部在發(fā)布的《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》中明確要求,突破高溫合金等材料技術(shù),為了滿(mǎn)足我國(guó)航空發(fā)展對(duì)高溫合金材料的要求。
因此,面對(duì)航空航天的迫切需求,進(jìn)行高水平、高質(zhì)量的高溫合金材料的發(fā)展和研制工作,穩(wěn)定現(xiàn)有體系產(chǎn)品的性能和質(zhì)量是我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)部門(mén)今后將關(guān)注的重點(diǎn),同時(shí),研究和探索工作溫度超過(guò)1100℃以上的后繼新高溫材料,完善我國(guó)的高溫合金體系也將是后續(xù)研發(fā)的關(guān)鍵。此外,在完善高溫合金體系的同時(shí),也需要建立和完善我國(guó)航空用高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)研究,加強(qiáng)新材料研制中的標(biāo)準(zhǔn)化,提高標(biāo)準(zhǔn)制修訂的先進(jìn)性和適用性,完善通用材料標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)制定材料配套標(biāo)準(zhǔn),從而更好地滿(mǎn)足我國(guó)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和發(fā)展的需要。也只有依據(jù)完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,大力發(fā)展新材料,改進(jìn)舊材料的性能,完善制備工藝,才能縮短與其他高溫合金國(guó)家如美國(guó)、日本、法國(guó)等的差距,提高我國(guó)在航空航天領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力,確保我國(guó)在國(guó)際事務(wù)中的話(huà)語(yǔ)權(quán)