航空發(fā)動機用高溫合金及其制備技術(shù)

畢中南

航空發(fā)動機是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠，可以衡量一個國家的綜合技術(shù)實力。在燃氣渦輪式航空發(fā)動機中，高溫合金用量通常占到發(fā)動機總重量的40%以上，因而高溫合金被譽為“現(xiàn)代航空發(fā)動機的基石”。決定發(fā)動機整機性能、可靠性和安全性的關(guān)鍵熱端部件，如渦輪盤、葉片、燃燒室等均主要采用高溫合金制造。

高溫合金是以金屬鎳、鐵、鈷元素為基，能在600℃以上的高溫下承受一定應(yīng)力長期工作，并具有優(yōu)異抗氧化、抗腐蝕能力的一類先進結(jié)構(gòu)材料。高溫合金多具有較高的合金化程度，雖然性能優(yōu)異但制備難度較大，歐美也稱其為超級合金。如劍橋大學(xué)材料學(xué)家R.W.Cahn教授所述：“高溫合金結(jié)合并利用了現(xiàn)代物理冶金學(xué)和冶金工藝的所有資源，顯示了人類為實現(xiàn)極富挑戰(zhàn)性的目標(biāo)而做出的卓越成就。”

按照主要工藝路線，高溫合金可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末高溫合金三大類。本文針對這三類高溫合金材料，連同共性技術(shù)、新材料與新工藝，分別介紹航空發(fā)動機用高溫合金及其制備技術(shù)的發(fā)展趨勢。

變形高溫合金：急需解決“臟白斑”問題

變形高溫合金是指通過特種冶煉技術(shù)制備成鑄錠，然后通過鍛造、軋制、擠壓等方式加工變形成材的一類高溫合金材料。產(chǎn)品類型包括板、管、絲、帶、盤環(huán)鍛件等。變形高溫合金在整個高溫合金的產(chǎn)量中占比70%以上，產(chǎn)品種類也相對最多，在航空發(fā)動機里可用于制造盤軸、機匣、燃燒室、緊固件等多種零件?，F(xiàn)階段，我國變形高溫合金需要面對的挑戰(zhàn)主要包括：冶煉質(zhì)量提升，大規(guī)格與特型材料的制備，以及高代次合金的開發(fā)。

當(dāng)前國內(nèi)變形高溫合金的主流冶煉工藝仍是真空感應(yīng)+真空自耗重熔或真空感應(yīng)+電渣重熔的雙聯(lián)冶煉?！笆濉逼陂g，國內(nèi)優(yōu)勢單位組成聯(lián)合攻關(guān)團隊，在冶金質(zhì)量要求最高的盤軸類鍛件生產(chǎn)中成功突破了真空感應(yīng)+電渣重熔+真空自耗重熔三聯(lián)冶煉工藝技術(shù)。三聯(lián)冶煉工藝生產(chǎn)的GH4169合金已基本實現(xiàn)與國際先進水平對標(biāo)，“十四五”期間有望作為盤軸鍛件的主選冶煉工藝全面推廣和應(yīng)用。

采用三聯(lián)冶煉技術(shù)，可以有效降低高溫合金中的雜質(zhì)元素和夾雜物含量。如三聯(lián)冶煉的GH4169合金重氧含量、硫含量均可以控制在5ppm以下，夾雜物的變化也可有效改善合金的疲勞性能。得益于三聯(lián)冶煉工藝的電極致密化，真空自耗過程中出現(xiàn)宏觀冶金缺陷的概率可有效降低，但“白斑”問題，尤其是富集氧化物和碳/氮化物的“臟白斑”控制仍是現(xiàn)階段國內(nèi)在批產(chǎn)中急需解決的問題。

國際上也是如此，如2016年美國某航班由于Inconel718合金渦輪盤中的“白斑”缺陷導(dǎo)致盤件爆裂引起發(fā)動機故障，險些造成嚴(yán)重人員傷亡。解決“臟白斑”問題的一個新思路是大幅降低氮元素的含量，從而減輕其危害。目前，國際上最高水平可以把氮含量控制在2ppm左右。

除了改進冶煉工藝外，通過熱加工工藝優(yōu)化提升變形高溫合金產(chǎn)品的組織均勻性也是提高其冶金質(zhì)量的重要方向?！笆濉逼陂g，我國突破了反復(fù)鐓拔+徑鍛的聯(lián)合開坯工藝，顯著提升了高溫合金鍛制棒材的組織均勻性及成材率。

航空發(fā)動機用變形高溫合金面臨的另一個挑戰(zhàn)是大型化。以大涵道比商用航空發(fā)動機為例，低壓渦輪機匣鍛件直徑達1.8米左右。這對高溫合金大規(guī)格鑄錠冶煉、大尺寸棒材開坯，以及最終成品的鍛造與軋制成型都提出了更高的要求。近年通過國家技改和企業(yè)自籌，我國的大型設(shè)備硬件條件已達到國際先進水平，如30噸冶煉爐、8萬噸鍛壓機等，但仍需在技術(shù)能力上有所突破。

除大型化外，還需要加強研制特種規(guī)格的變形高溫合金產(chǎn)品，如1.2m甚至1.5m寬幅的高溫合金板材需要關(guān)鍵設(shè)備，寬幅帶箔材、絲材、毛細管等在表面質(zhì)量、批次穩(wěn)定性控制等方面與國際先進水平仍存在差距。

獲得更高的承溫能力對各類高溫合金材料來說都是永久的話題。變形高溫合金也是如此，需要特殊關(guān)注的是如何兼具更高的承溫能力和優(yōu)異的加工工藝性能。除了單純提高強化相分?jǐn)?shù)外，還需要發(fā)現(xiàn)并利用一些新的強化理念，來綜合提升合金的高溫服役性能并盡可能不造成工藝性能惡化。

粉末高溫合金：夾雜物的控制仍是難題

粉末高溫合金是指采用粉末冶金工藝制備的高溫合金，其用途與部分時效強化變形高溫合金類似，主要用于航空發(fā)動機中的盤軸類鍛件，通常情況下服役條件較變形高溫合金更為苛刻。

雖然我國的粉末高溫合金盤軸鍛件已在航空發(fā)動機上得到批量應(yīng)用，但批產(chǎn)中的無損探傷水平與國際先進技術(shù)仍有差距。夾雜物的控制問題也是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。相關(guān)單位在夾雜物產(chǎn)生的源頭上進行了系統(tǒng)研究，開發(fā)出更純凈的母合金制備技術(shù)和制粉技術(shù)。

對粉末高溫合金中夾雜物的遺傳特性及其量化影響，我們還需要開展更為系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作。此外，提高粉末收得率、棒材擠壓成材率是降低批產(chǎn)粉末高溫合金成本的重要方向。

新一代航空發(fā)動機對粉末高溫合金產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)提出了更多元的要求，主要包括雙輻板渦輪盤、雙組織雙性能盤、雙合金整體葉盤等。這需要綜合考慮鍛件不同區(qū)域組織性能的設(shè)計以及與其相匹配的成型工藝等。這些新技術(shù)的突破及應(yīng)用也是“十四五”期間需要重點關(guān)注的。

與變形高溫合金類似，粉末高溫合金也面臨著高代次合金的設(shè)計問題。目前，具備800℃或者更高的承溫能力水平，兼顧材料強度和損傷容限兩方面的需求，是高代次粉末高溫合金設(shè)計的重點方向。

鑄造高溫合金：需提高母合金的純凈度

鑄造高溫合金是指通過熔模鑄造等工藝直接凝固成型的高溫合金產(chǎn)品，多用于制造航空發(fā)動機中的機匣、葉片等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

對于鑄造高溫合金，一個共性基礎(chǔ)問題是母合金的純凈化。盡管國內(nèi)對于高溫合金母合金中雜質(zhì)元素的控制水平不斷提高，但是對于為什么要控制到這樣的水平、不同類型合金純凈化控制要求是否一致等問題，依舊缺少量化依據(jù)。如果控制不足，會導(dǎo)致鑄件性能下降;如果控制過嚴(yán)，則會帶來工藝復(fù)雜、成本增加的問題。因此，對于鑄造高溫合金的純凈化控制需要做到知其所以然。

對于大型復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件，“十三五”期間國內(nèi)取得了諸多突破，但有三方面的共性技術(shù)問題需要重點關(guān)注。一是專用模殼和陶芯材料的設(shè)計與制造，重點解決強度與透氣性矛盾;二是提升全流程的仿真預(yù)測精度，如在蠟?zāi)?、型殼、澆鑄和熱處理各關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)尺寸的計算預(yù)測;三是建立鑄件冶金缺陷的判據(jù)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)自動化、智能化澆鑄是高溫合金鑄造結(jié)構(gòu)件未來重要的發(fā)展方向。

對于鑄造葉片，尤其是單晶葉片而言，技術(shù)發(fā)展方向主要體現(xiàn)在四個方面：一是與大型鑄件類似，需要在尺寸精度控制上不斷提升，特別是雙層壁結(jié)構(gòu)，對陶瓷型芯穩(wěn)定性要求很高。

二是雜晶、再結(jié)晶等問題仍是目前影響單晶葉片合格率的主要因素之一，特別是對于高代次復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單晶葉片尤為重要。

三是更加細化的組織控制要求，如除了第一取向外，第二取向應(yīng)該如何控制、工藝上如何實現(xiàn)，也需要關(guān)注。

最后，對于制備工藝，需要實現(xiàn)多聯(lián)導(dǎo)向葉片的穩(wěn)定制備，提升液態(tài)金屬冷卻等工藝的技術(shù)成熟度等。

單晶高溫合金也面臨著高代次合金設(shè)計的挑戰(zhàn)。為了獲得更強的承溫能力，各廠商在單晶高溫合金中加入了更多的貴金屬元素，導(dǎo)致材料成本不斷上升，所以如何在實現(xiàn)高性能的同時降低成本是單晶高溫合金重要的發(fā)展方向之一。

此外，除了原材料中稀貴金屬元素的添加會導(dǎo)致成本提高，工藝成本及成材率也是決定葉片成本的重要因素。因此在開展高代次合金設(shè)計時，需要綜合考慮合金元素成本與制備工藝難度。

共性技術(shù)的發(fā)展方向

我國的高溫合金現(xiàn)已基本解決“有無”問題，未來5～10年的重點發(fā)展方向之一是如何在批量生產(chǎn)中降低成本。返回料的利用無疑是降低成本的關(guān)鍵手段。根據(jù)變形、鑄造、粉末等不同類型返回料的特點，需要匹配不同的處理方式。

當(dāng)然，除了開發(fā)返回料利用工藝，后續(xù)在合金設(shè)計過程中綜合考量材料的工藝適用性，也是降低成本的重要方向。

在降低成本以外，實現(xiàn)高精度尺寸控制也是航空發(fā)動機用高溫合金共性技術(shù)發(fā)展的重要方向。將毛坯件殘余應(yīng)力控制與先進冷加工技術(shù)相結(jié)合，可以有效簡化零件加工工藝流程，提高加工尺寸精度，降低材料的應(yīng)用成本。

對于渦輪盤、葉片等航空發(fā)動機關(guān)鍵熱端部件，還需要考慮其全壽命周期的應(yīng)用問題。如根據(jù)材料本征疲勞特性、損傷概率等實現(xiàn)部件定壽準(zhǔn)則的工程化應(yīng)用，繼而考慮采用何種方式進行延壽處理，都是航空發(fā)動機用高溫合金未來發(fā)展的重要方向。

在未來先進航空發(fā)動機更高推重比/功重比的需求牽引下，需要從材料和結(jié)構(gòu)等多角度實現(xiàn)減重與增效。一方面，需要重點關(guān)注金屬間化合物高溫材料、高溫復(fù)合材料的連接、涂層等應(yīng)用技術(shù)，建立其部件壽命評價體系等，從材料角度實現(xiàn)減重效果。

另一方面，要充分發(fā)掘增材制造在結(jié)構(gòu)減重方面的潛能。這需要依據(jù)增材制造工藝特性優(yōu)化設(shè)計專用的高性能高溫合金，并加強增材制造構(gòu)件的應(yīng)用研究。

此外，研發(fā)難熔高熵合金等更高承溫能力的超高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，用溫度換效率也是未來的發(fā)展方向之一。

筆者認(rèn)為，當(dāng)前我國航空發(fā)動機用高溫合金材料主要需要解決兩方面的問題：一是我國高溫合金材料雖然已經(jīng)實現(xiàn)了從無到有，但工業(yè)化生產(chǎn)時多存在“有材不好用”的情況，這需要在共性技術(shù)方面開展系統(tǒng)研究，實現(xiàn)“底層突破”。

二是面對新一代飛機研制時“無材可仿”的問題，需要加強基礎(chǔ)研究以促進創(chuàng)新。

總之，高溫合金領(lǐng)域的各廠商通過“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合、協(xié)同攻關(guān)，方能在不斷開發(fā)新材料、新技術(shù)的同時，提升現(xiàn)有材料、現(xiàn)有技術(shù)的成熟度，進而大力發(fā)展我國高溫合金技術(shù)，形成具有國際競爭力的高溫合金產(chǎn)業(yè)。