粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用

邱智海 曾維平

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.010

摘 要：文章針對粉末冶金進(jìn)行分析，并對難熔金屬金屬、鈦基合金、氧化物彌散強(qiáng)化合金、超高溫合金以及噴涂合金粉末等多種帶有明顯特征的航空發(fā)動機(jī)的粉末冶金技術(shù)。在這其中，對鈦基合金粉末與高溫合金粉末以及噴涂合金粉末的制造預(yù)備的關(guān)鍵進(jìn)行重點(diǎn)的研究和探析。還對噴射成形和熱等靜壓以及注射成形以及迅速成形的工藝特征與發(fā)展?fàn)顟B(tài)。最重要的是對粉末冶金技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)的使用進(jìn)行全方位多角度的研究與探析，并做以簡單的論述，為相關(guān)人員提供參考意見。

關(guān)鍵詞：粉末冶金技術(shù) 航空發(fā)動機(jī) 應(yīng)用

中圖分類號：V263 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0010-03

粉末冶金技術(shù)的特點(diǎn)是對性能高的材料進(jìn)行制造的技術(shù)，并且對航空發(fā)動機(jī)有直接和緊密的聯(lián)系。粉末冶金技術(shù)不但可以制作配備出沒有宏觀偏差、晶粒細(xì)微、組織非常均衡、各向同性、熱加工性能過硬的復(fù)合材料與合金材料，大大提升了粉末冶金材料的疲勞能力與屈服能力，還可以實(shí)現(xiàn)零部件的最終成型。粉末冶金技術(shù)在航空的發(fā)動機(jī)的重要熱端零件與別的航空發(fā)動機(jī)零件的全新材料的優(yōu)質(zhì)制造設(shè)備科學(xué)技術(shù)。航空飛機(jī)的心臟是航空發(fā)動機(jī)，而航空發(fā)動機(jī)性能的好壞會直接影響到飛機(jī)的眾多指標(biāo)和安全性質(zhì)。伴隨我國航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)向多元化、多性能以及大型化的角度擴(kuò)展以及在渦輪之前燃?xì)獾牟粩嗵嵘?，零部件承受更大的?fù)荷壓力，工作的狀況也越來越惡化，與此同時，對航空發(fā)動機(jī)的重要部件的功能的標(biāo)準(zhǔn)提出了更為嚴(yán)峻的要求。另外，渦輪盤與渦輪葉片的重要部件可以承擔(dān)的壓縮比與燃燒的溫度更能夠提升航空發(fā)動機(jī)的燃油的經(jīng)濟(jì)特征，降低排放與延長航空發(fā)電機(jī)的使用年限。根據(jù)以上的陳述，性能較強(qiáng)的航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展壯大與粉末冶金技術(shù)的提升存在緊密的聯(lián)系。文章主要是針對在航空發(fā)電機(jī)中應(yīng)用眾多形式不同的粉末冶金材料和粉末冶金設(shè)備、粉末成形以及粉末的增強(qiáng)重要技術(shù)進(jìn)行的分析，使粉末冶金技術(shù)可以在航空的發(fā)動機(jī)中得到有效的應(yīng)用。以下是具體的論述。

1 在航空發(fā)動機(jī)中使用的粉末冶金材料具體種類

1.1 P/M鈦基合金

鈦基合金的優(yōu)勢是耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度較高以及熱強(qiáng)的性能強(qiáng)。其最主要應(yīng)用在對航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)的中壓氣機(jī)中的機(jī)盤、機(jī)葉、風(fēng)扇以及連接環(huán)與導(dǎo)航儀。鈦合金取代鋼或者是高溫合金能夠顯著降低發(fā)動機(jī)的所承受的重量，提升發(fā)動機(jī)的推重比重。以上零部件的標(biāo)準(zhǔn)是在高溫的狀況下呈現(xiàn)非常強(qiáng)的強(qiáng)度與高溫的蠕變抵抗力，持久的強(qiáng)度與穩(wěn)定組織性。P/M鈦合金的伸拉所具備的性能可以大大超出熔斷材的質(zhì)量。但是在P/M鈦合金中出現(xiàn)的雜質(zhì)所含的數(shù)量以及鈦合金的孔隙，這些都會使鈦合金出現(xiàn)疲勞性的減少。在提升密集度與精華工藝程序是P/M鈦合金當(dāng)前最應(yīng)該解決的狀況。

鈦合金金屬間的化合物的復(fù)合材料主要是由氧化物、碳化物以及二硼化鈦等顆粒當(dāng)成提升相，其主要的特點(diǎn)是抗氧化的能力非常強(qiáng)、抗蠕變的特性也非常強(qiáng)、密度較低。溫度可以到達(dá)816 ℃～982 ℃之間。促使鈦合金能夠在航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用的位置是從風(fēng)扇與風(fēng)壓機(jī)變換到渦輪長中，并且合適于制造預(yù)備的高壓壓氣的發(fā)電機(jī)的機(jī)片以及低壓渦輪的發(fā)電機(jī)的也變。鈦鋁合金的基復(fù)合的材質(zhì)是使用粉末冶金、高溫組合、熱壓以及靜壓、放電等離子體的燒結(jié)和噴射堆積、沖擊波的固組成法等方式的制作設(shè)備。但是鈦鋁合金的基復(fù)合的材質(zhì)會增大熱加工的難度性，整體的功能性也要大力提升，在當(dāng)前的航空發(fā)電技術(shù)中還沒有應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。

1.2 噴涂合金粉末

熱噴涂粉末會應(yīng)用在航空發(fā)電機(jī)的抗高溫?zé)凉嵬繉?、封閉涂層、熱障涂層抗磨抗損中，涂層技術(shù)對于航空發(fā)電機(jī)的重要部位進(jìn)行高溫的防護(hù)，以及封嚴(yán)耐磨、高溫零件的阻燃和防止磨損的狀況中，存在非常重要的價值。涂層不僅可以提升發(fā)動機(jī)重點(diǎn)零件在高溫的影響下抵抗侵蝕的重要性，以及在炎熱的狀況下出現(xiàn)抵抗零件疲勞的能力，以此增加航空發(fā)電機(jī)的使用年限。熱噴粉末的成分具體是指：氧化物陶瓷粉末、合金粉末、金屬陶瓷粉末以及純金屬粉末。在美國的飛機(jī)的發(fā)電機(jī)中使用的熱噴技術(shù)所需的零件數(shù)目大概是7 000件除外。熱噴涂粉末和別的冶金所需要的粉末有很多不一樣的地方，它對粉末的要求非常高，具體體現(xiàn)在粉末的顆粒形狀要小而精、要具備高度的球形、良好的流動、顆粒的分布范圍要小、所含的氣體和雜質(zhì)量一定要低、松裝的密集程度要符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 氧化物彌漫強(qiáng)化合金

鎳基氧化物彌散強(qiáng)化合金可以當(dāng)成渦輪噴氣發(fā)動機(jī)器中的渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，這種粉末不僅可以在高溫的狀況下得到有效的使用，還可以忍受帶來的負(fù)重疲勞、氣體的蠕變以及氣體受到的氣勢。鎳基ODS合金能夠抵擋強(qiáng)度較大的蠕變性質(zhì)，其最重要的原因是氧化物存在的彌漫強(qiáng)化的作用和增強(qiáng)晶狀物的移動與滑動。具有代表性的鎳基ODS合金主要有3種，分別是MA754、MA600以及MA760。鎳基ODS合金主要是運(yùn)用熱擠壓制作方式以及機(jī)械合金的制作方式，主要有3個關(guān)鍵的步驟，分別是熱擠壓和熱軋制、機(jī)械合金化以及進(jìn)行熱處理。只有提升氧化物彌散強(qiáng)化合金的氧化顆粒形狀才能更好地提升科學(xué)技術(shù)水平，增添Hf勻速可以促使氧化物的顆粒的尺寸由原來的30 nm減少到5～10 nm（見圖1），與此同時，也為氧化物的根本體積面的掌控創(chuàng)造了全新的方式，在強(qiáng)化晶界降低晶界逃離規(guī)定范圍的方向開展工作，并且對柱狀的晶粒所具有的力學(xué)性質(zhì)存在的各異性提供解決方案，尤其是占據(jù)橫向方位的晶界的蠕變的村若星的狀況是增大鎳基ODS合金使用的重點(diǎn)。

1.4 難熔金屬

鈮合金、鎢合金、鉬合金以及鉭合金都是難熔的金屬。鉬銅合金可以當(dāng)成固體火箭發(fā)動機(jī)的幫襯材料，Ta-10W-2.5H合金主要應(yīng)用于液體火箭噴管中的噴嘴，Ta-10W合金在火箭發(fā)動機(jī)中的噴管的阿波羅以及燃?xì)獾臄_流片的實(shí)驗(yàn)燃燒的實(shí)驗(yàn)室中。在這些難熔的金屬中，密度系數(shù)最小的是鈮合金，并且強(qiáng)度呈現(xiàn)1 100 ℃～1650 ℃中，仍然具有較強(qiáng)的焊接能力和對室內(nèi)溫度有效控制的能力，還能在薄板的制作以及制成外形非常繁瑣的發(fā)動機(jī)的零件。鎢合金可以打造成不需要進(jìn)行冷卻工作的火箭噴管、噴氣葉片、熱然器的反射器、用于離子火箭發(fā)射需要的離子環(huán)以及燃?xì)舛?。鎢取代鉬當(dāng)成固體火箭發(fā)動機(jī)的喉管和喉襯，進(jìn)口套管，可以把材料的運(yùn)用所需的溫度在1 760 ℃的基礎(chǔ)上提升到3 320 ℃之上。如，美國的聯(lián)合飛機(jī)企業(yè)就把鎢銅兩種材料進(jìn)行融合，以此當(dāng)成火箭發(fā)動機(jī)中的噴管隔板，鎢銅融合的材質(zhì)完全可以承受超出鎢的熔點(diǎn)值3 400 ℃。在當(dāng)前的粉末冶金技術(shù)的發(fā)展中，難熔金屬的高溫氧化與高溫形成的強(qiáng)度，以及高溫材料的重量化是面臨的最根本的挑戰(zhàn)。

2 粉末冶金的工藝

2.1 鎳基高溫合金粉末

進(jìn)行鎳基合金粉末要具備含氧量低、制作預(yù)備的顆粒的形狀要小還要具備較強(qiáng)的純度的特點(diǎn)，是依據(jù)制作預(yù)備較強(qiáng)性質(zhì)功能的粉末的渦輪盤的主要技術(shù)。當(dāng)今存在兩種方式都是十分重要的，一種是氨氣霧化法制成AA粉；另一種是等離子旋轉(zhuǎn)電極法的制粉。如，俄羅斯主要選用是等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉，而等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉的主要特點(diǎn)是夾雜物的尺寸過大、而等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉的顆粒的形狀又非常的大。在進(jìn)行高溫后的合金粉末正邁進(jìn)無污染、沒有陶瓷的狀況下邁進(jìn)。粉末的顆粒的徑長的分類會阻礙粉末中不是金屬融合的尺寸，還會合理科學(xué)提升聲渦輪盤的使用年限和可靠性質(zhì)，降低出現(xiàn)疲勞壽命的機(jī)率。另外，在針對粉末開展顆粒界面韌化與熱處理強(qiáng)韌化的處理工作以及進(jìn)行真空脫皮工作，可以提升材料的塑性與強(qiáng)度。

為解決VIM惰性氣霧化德體系中存在的熔化金屬和陶瓷資料從而出現(xiàn)的“陶瓷狀況”。在最近幾年中，我國已經(jīng)研發(fā)了眾多的制粉措施和純凈熔煉技術(shù)（見圖2）。在ELGA的工藝施工中，預(yù)合金棒是電極，在電極逐漸旋轉(zhuǎn)到達(dá)環(huán)形感應(yīng)線圈的中間位置時，電極會發(fā)生熔化的變化，熔滴在準(zhǔn)確進(jìn)入惰性的氣體中開展霧化工作。PIGA法主要是根據(jù)等離子弧在水冷的銅坩堝中開展熔煉工作，水冷銅坩堝的最底層要和感應(yīng)器的加熱漏嘴相互連接，沒有陶瓷漏嘴系統(tǒng)要把熔化掉的金屬溶液倒入氣體的霧化噴嘴中開展霧化工作。在進(jìn)行冷壁坩堝熔煉的氣體霧化體系中，坩堝要具備一個最底端的澆筑體系，并且冷坩堝的底端澆注的方位和冷壁感應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)體系的相互連接，這個體系也可以使用在活性的金屬中。如，在進(jìn)行碳合金或者是TiAL的金屬上的化合物熔煉工作中，在電渣進(jìn)行重新的熔爐冷璧感應(yīng)的導(dǎo)向工作中，要對電極的格式以及霧化的材料進(jìn)行整體的創(chuàng)新，在電源頭和熔渣的接觸面積的開展熔化工作時，要把熔煉的金屬溶液貫穿于具有活性性質(zhì)的熔渣層，然后在融入到銅金屬制成的水冷坩堝中。

2.2 噴涂粉末

不一樣的制作設(shè)備的工藝會促使粉末的顆粒形狀、顆粒分布、顆粒狀態(tài)以及顆粒的化學(xué)成分都會發(fā)生非常大地改變，這也會對涂層的能力產(chǎn)生一定的影響。制作設(shè)備使用道德噴涂粉末常用的方式主要有機(jī)械研磨、氣體霧化、制造噴霧干燥顆粒以及水霧化。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，噴涂的合金粉也研究出了全新的技術(shù)。

首先是等離子體球化的問題上，等離子體球化指的是運(yùn)用等離子弧促使形態(tài)不一的原始粉末進(jìn)行快速地加工并且使之熔化，使熔化的顆粒在基礎(chǔ)的作用下產(chǎn)生非常高的球狀度的液體，在非常高的溫度中使滴液得到快速地凝固，以此使球狀粉末得到有效保存。這也是一項(xiàng)制備非常的密實(shí)、解決純度較高的熱噴涂抹粉末的方式，圖3是運(yùn)用氣流磨分級和分散以及與等離子球化星湖融合的工藝，制成的球狀的鎢粉。

2.3 納米粉體進(jìn)行再次的造粒

納米粉體是熱障涂層的主要原材料。主要優(yōu)勢是有較強(qiáng)的抗熱震能力和較強(qiáng)的隔熱性能。可是納米粉末不可以進(jìn)行直接噴涂工作，必須借助噴霧干燥劑和之后的處理制作而成微米級別的團(tuán)聚體的粉末。納米粉體二次造粒的主要步驟是：第一，運(yùn)用球磨混合一級超聲把納米結(jié)構(gòu)所具有的信息，合理有序地分布在液體的介質(zhì)中，并且要添加有機(jī)的粘合劑；第二，要把所得到的溶液使用噴霧干燥劑制成納米結(jié)構(gòu)的聚集體；第三，要把納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚集在一起，使之能夠快速去除水分，還要去除吸附在化學(xué)附氧，為更好地推進(jìn)一些燒結(jié)或者是加熱內(nèi)部整合的溫度，以此獲得納米結(jié)構(gòu)的噴涂的粉末數(shù)據(jù)，使之可以在以往的熱噴涂噴槍上得到有效的應(yīng)用。

2.4 噴射成形

噴射成形的技術(shù)主要是把液態(tài)金屬的快速凝固與熔滴動態(tài)致密固化相互融合，并且這也是流程在快完成階段而飛速凝固的固體材料的全新技術(shù)。噴射成形的優(yōu)勢是較高的整體致密度、較低的氧含量以及組織細(xì)小勻稱?？梢蕴嵘晟聘邷睾辖鹬械臒峒庸さ乃苄裕嵘牧系恼w力學(xué)的功能和能力，合理改善合金的加工，使之更加與預(yù)制設(shè)備的高溫合金性融合，還能夠節(jié)省眾多和壓制相關(guān)聯(lián)的工藝環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語

總而言之，要把粉末冶金技術(shù)科學(xué)、合理、有效地應(yīng)用在我國的發(fā)動機(jī)中，并且使其發(fā)揮最大限度的價值和重要意義。促進(jìn)我國航天發(fā)動機(jī)得到更好地發(fā)展，為我國的航天事業(yè)奉獻(xiàn)更多的力量。

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