燃?xì)廨啓C(jī)葉片制備技術(shù)研究進(jìn)展

任忠鳴韓東宇玄偉東陳超越帥三三徐松哲俞晟余建波王江

(1.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444；2.上海大學(xué)上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200444)

燃?xì)廨啓C(jī)是將液體或氣體燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的一種熱機(jī),誕生于20世紀(jì)30年代,是當(dāng)今世界上重要的熱動(dòng)力裝置,被廣泛使用在發(fā)電、機(jī)車動(dòng)力、管道增壓等國(guó)防、交通、能源和環(huán)保領(lǐng)域,也被譽(yù)為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”,代表了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平.由于具有高熱效率、低排氣污染、長(zhǎng)壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展迅速,美國(guó)、日本和歐州等國(guó)已將先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的科技重點(diǎn)[1-2].

燃?xì)廨啓C(jī)最早在1905年由法國(guó)制造成功,熱效率僅為3%[3-4].1939年,瑞士的布朗·波佛利公司(BBC)成功制造了第一臺(tái)功率為4 000 kW的發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī),其熱效率達(dá)到18%.同年,德國(guó)第一架使用燃?xì)廨啓C(jī)的噴氣式飛機(jī)試飛成功,實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)在航空領(lǐng)域的成功應(yīng)用.由于航空燃?xì)廨啓C(jī)具有體積小、重量輕、功率大等優(yōu)勢(shì),20世紀(jì)50年代后期,燃?xì)廨啓C(jī)完全取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在航空領(lǐng)域取得統(tǒng)治地位.1947年,英國(guó)第一艘裝有燃?xì)廨啓C(jī)的艦艇試航,實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)在海上的成功應(yīng)用[3,5].20世紀(jì)60–80年代,燃?xì)廨啓C(jī)逐漸向軍用船艦、主戰(zhàn)坦克以及民用船舶等領(lǐng)域推進(jìn),同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠迅速發(fā)展.20世紀(jì)90年代,效率和可靠性更高的重型燃?xì)廨啓C(jī)問世,展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景,同時(shí)出現(xiàn)的先進(jìn)微型燃機(jī)產(chǎn)品也得到廣泛重視[5-6].目前,燃?xì)廨啓C(jī)除航空外,在電力、機(jī)車、原油和天然氣運(yùn)輸、坦克以及海軍艦艇等方面均獲得了廣泛的應(yīng)用.在短短幾十年里,燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過了幾代更新,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有了大幅提高,其中增壓比由6提高到30以上,渦輪進(jìn)口溫度由600提高到1 700?C以上,簡(jiǎn)單循環(huán)效率由18%提高到40%,聯(lián)合循環(huán)效率提高到60%以上[7].

我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚,盡管近20多年來在技術(shù)方面也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但由于起步晚、基礎(chǔ)差,仍落后于發(fā)達(dá)國(guó)家,目前尚處于追趕世界燃機(jī)先進(jìn)水平的階段[5,8].

長(zhǎng)期以來我國(guó)的燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)一直落后,成為卡脖子技術(shù).在燃?xì)廨啓C(jī)中,渦輪葉片是最關(guān)鍵的熱端部件,需要在高溫、復(fù)雜應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)間服役.燃?xì)廨啓C(jī)的性能主要由渦輪葉片的性能所決定[9-10],而葉片的性能則決定于材料、內(nèi)部冷卻通道結(jié)構(gòu)和表面熱障涂層.葉片制造技術(shù)直接影響著材料的缺陷和成形質(zhì)量.正是渦輪葉片材料、結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)的不斷革新,才為燃?xì)廨啓C(jī)的性能提升奠定了基礎(chǔ).近年來在各方面的大力推動(dòng)下,我國(guó)的葉片制造技術(shù)發(fā)展迅速,在控制高溫合金雜質(zhì)含量、定向凝固技術(shù)、陶瓷型芯與型殼制備技術(shù)、熱處理技術(shù)等方面取得了顯著的成果,逐步擺脫了對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴,已形成了自主、獨(dú)創(chuàng)的研究體系.本工作將綜述近年來燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片制造新技術(shù)的進(jìn)展,分析現(xiàn)存的問題,并展望今后的發(fā)展方向.

1 定向凝固技術(shù)

定向凝固技術(shù)是指在凝固過程中通過強(qiáng)制手段建立起某一個(gè)特定方向的溫度梯度,從而使凝固沿著某個(gè)特定方向進(jìn)行的一種技術(shù).在金屬的凝固過程中,已凝固的部分與未凝固的熔體之間由于具有特定方向的溫度梯度,從而導(dǎo)致金屬沿著與熱傳導(dǎo)相反的方向凝固.采用定向凝固技術(shù)可以獲得特定取向的柱狀晶或單晶[10],制備出柱晶或單晶葉片,使其性能顯著提高.

20世紀(jì)60年代末Versnyder等[11]將定向凝固技術(shù)應(yīng)用到高溫合金的生產(chǎn)中,較好地控制了凝固組織的晶粒取向,消除了橫向晶界,使得高溫合金的力學(xué)性能大幅度提高.定向凝固技術(shù)歷經(jīng)數(shù)十年的研究,發(fā)展出了發(fā)熱鑄型(exothermic powder,EP)法、功率降低(power down,PD)法、高速凝固(high rate solidification,HRS)法[12]和液態(tài)金屬冷卻(liquid metal cooling,LMC)法[13]等常規(guī)的技術(shù).目前,被廣泛應(yīng)用的是高速凝固法和液態(tài)金屬冷卻法.

1.1 高速凝固法

高速凝固法是一種使鑄件單方向移動(dòng)逐漸脫離高溫區(qū)實(shí)現(xiàn)單方向凝固的方法,這種方法改善了溫度梯度在凝固過程中逐漸減小的問題.高速凝固法的原理[13]如圖1(a)所示.在爐子底部設(shè)置一塊絕熱擋板,擋板上開一個(gè)略大于鑄件的口,爐子內(nèi)部保持加熱狀態(tài),在金屬凝固過程中,緩慢下拉型殼,使得金屬暴露在外部的部分開始冷卻凝固,而位于爐內(nèi)的金屬熔體仍處于加熱狀態(tài),從而建立了一個(gè)軸向的溫度梯度.高速凝固法具有較高、穩(wěn)定的溫度梯度與冷卻速率,可以獲得較長(zhǎng)的柱狀晶以及細(xì)小的組織,從而大幅度提高鑄件的力學(xué)性能,但該方法的溫度梯度仍有不足,在厚大鑄件定向凝固時(shí)仍容易出現(xiàn)雀斑、雜晶等鑄造缺陷[14].

圖1 定向凝固工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of directional solidification process

1.2 液態(tài)金屬冷卻法

為了進(jìn)一步提高定向凝固中的溫度梯度,研究人員在快速冷卻法基礎(chǔ)上發(fā)展出了液態(tài)金屬冷卻法.該方法使用液體金屬冷卻鑄件,即將抽拉出來的鑄件浸入高導(dǎo)熱系數(shù)、高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)的液態(tài)金屬(主流采用Sn)中(見圖1(b)),以增大冷卻效果.液態(tài)金屬冷卻法提高了鑄件的冷卻速率和固液界面的溫度梯度,最高可達(dá)200 K/cm[15],并且能夠保持穩(wěn)定的溫度梯度,使結(jié)晶過程穩(wěn)定進(jìn)行,因而可以使得枝晶間距顯著減小,同時(shí)也能減小各種凝固缺陷出現(xiàn)的概率.但是,液態(tài)金屬冷卻法也有一定的局限性,例如:該方法所需的設(shè)備復(fù)雜,在實(shí)際操作中不夠簡(jiǎn)單;冷卻介質(zhì)Sn為有害元素[15],鑄件浸入Sn等低熔點(diǎn)金屬中時(shí)易于產(chǎn)生Sn液滲入而污染鑄件.近年來,人們從型殼制備等方面進(jìn)行了工藝優(yōu)化,改進(jìn)了液態(tài)金屬冷卻工藝的不足,在工程上已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片和地面燃機(jī)用大尺寸單晶渦輪葉片.

此外,人們不斷探索提高溫度梯度的新方法,例如:氣體冷卻鑄件定向凝固技術(shù)[16]、電磁約束成形定向凝固技術(shù)[17]、深過冷定向凝固(supercooling directional solidification,SDS)[18]、激光超高溫度梯度快速定向凝固(laser rapid solidification,LRM)[19]、流化床淬火定向凝固技術(shù)[20]、二維定向凝固技術(shù)(bidirectional solidification,BDS)[21-22]、薄殼鑄造定向凝固技術(shù)[23]等.但是,這些新技術(shù)仍不成熟,尚未在燃機(jī)葉片定向凝固中應(yīng)用.

1.3 液態(tài)金屬噴淋增強(qiáng)冷卻法

本課題組[24]為克服液態(tài)金屬冷卻法存在的鑄件可能被液態(tài)金屬冷卻液污染以及鑄件易形成缺陷等問題,開發(fā)了液體金屬噴淋冷卻(liquid metal spray cooling,LMSC)定向凝固技術(shù),并研發(fā)出工業(yè)級(jí)定向凝固設(shè)備.LMSC定向凝固爐的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2所示.LMSC技術(shù)是在LMC技術(shù)的基礎(chǔ)上由原本直接將型殼和鑄件浸入液態(tài)金屬液進(jìn)行冷卻的方式,改變?yōu)橛靡簯B(tài)金屬液對(duì)型殼和鑄件進(jìn)行噴淋冷卻.該技術(shù)具有散熱能力強(qiáng)、冷卻均勻以及保溫區(qū)與冷卻區(qū)隔熱性良好等特點(diǎn).LMSC技術(shù)既保留了LMC技術(shù)冷卻能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又解決了LMC技術(shù)的弊端.由于噴淋出的液態(tài)金屬液流量可控,與抽拉速率調(diào)整相結(jié)合,可以得到組織優(yōu)良、枝晶間距更小的柱狀晶或者單晶,減少甚至避免了高溫合金凝固缺陷的形成.LMSC定向凝固技術(shù)對(duì)于高溫合金的發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義.

圖2 LMSC定向凝固爐Fig.2 LMSC directional solidification furnace

2 磁場(chǎng)對(duì)高溫合金凝固組織的調(diào)控

將電磁場(chǎng)應(yīng)用于冶金過程中,通過電、磁、熱、力等效應(yīng),可強(qiáng)化冶金反應(yīng)工藝過程、實(shí)施過程控制以及制備新材料等,為控制和改善金屬材料的組織和性能開辟了新途徑[25].圍繞磁場(chǎng)下金屬精煉、凝固控制、固態(tài)相變組織控制等,國(guó)內(nèi)上海大學(xué)、東北大學(xué)等開展了大量研究,取得了一批創(chuàng)新成果.

磁場(chǎng)在定向凝固過程中可產(chǎn)生多重效應(yīng),從而影響微觀組織和成分分布,達(dá)到改善和控制凝固組織及成分分布的目的[26].因此,磁場(chǎng)下定向凝固具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

2.1 磁場(chǎng)對(duì)雜晶缺陷的影響

施加靜磁場(chǎng)會(huì)對(duì)形核過程產(chǎn)生顯著影響.Li等[27]研究發(fā)現(xiàn),施加靜磁場(chǎng)會(huì)使熔體表面張力增加,形核所需克服的阻力更大,從而有效抑制形核過程.應(yīng)用這一特性開展強(qiáng)靜磁場(chǎng)下鎳基高溫合金單晶生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)研究[28-30],結(jié)果顯示強(qiáng)靜磁場(chǎng)的施加有效抑制了單晶高溫合金雜晶的生成.由圖3和4可以看出,無論是在葉片籽晶重熔初始區(qū)域,還是在變截面平臺(tái)區(qū)域,在一定拉速下施加強(qiáng)靜磁場(chǎng)均可以有效抑制雜晶的形核長(zhǎng)大,獲得較為完整的枝晶組織.其原因是施加強(qiáng)靜磁場(chǎng)有效增大了高溫合金熔體的形核過冷度,從而抑制了雜晶的形成,這為控制單晶高溫合金組織缺陷開拓了一條切實(shí)有效的道路.

圖3 有無8 T磁場(chǎng)施加下籽晶回熔區(qū)域的微觀組織形貌[28]Fig.3 Microstructures near melt-back interface for superalloy with and without an 8 T magnetic field[28]

2.2 熱電磁流動(dòng)對(duì)凝固組織的影響

研究表明,在合金的凝固過程中,由于溫度梯度的存在,在凝固界面將形成熱電流.當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí),熱電流和磁場(chǎng)相互耦合產(chǎn)生熱電磁對(duì)流(thermoelectric magnetic convection,TEMC),繼而引起各種凝固現(xiàn)象.

圖4 有無12 T磁場(chǎng)施加下變截面平臺(tái)處微觀組織形貌[29]Fig.4 Microstructures near the solid-liquid interface for superalloy with and without a 12 T magnetic field[29]

本課題組從枝晶、γ′相、共晶和元素偏析等方面系統(tǒng)地研究了靜磁場(chǎng)下鎳基單晶高溫合金凝固的演化.對(duì)于枝晶組織的演化,本課題組[30]研究發(fā)現(xiàn),施加5 T的磁場(chǎng)可以減小PWA1483和CMSX-4兩種單晶合金的一次枝晶間距,結(jié)果如圖5所示.高磁場(chǎng)下枝晶間形成的熱電磁對(duì)流是導(dǎo)致一次枝晶間距(primary dendrite arm spacing,PDAS)減小的原因.對(duì)于γ′相的演化,研究發(fā)現(xiàn),施加5 T磁場(chǎng)可以使PWA1483和CMSX-4兩種單晶合金中γ′相的尺寸減小26%～30%,且γ′相仍保持立方狀,結(jié)果如圖6所示.

圖5 無磁場(chǎng)和5 T磁場(chǎng)下高溫合金PWA1483和CMSX-4的橫截面枝晶組織Fig.5 Transverse microstructures of superalloy PWA1483 and CMSX-4 without and with a 5 T magnetic field

圖6 無磁場(chǎng)和5 T磁場(chǎng)高溫合金PWA1483和CMSX-4枝晶干中γ′相的形態(tài)[30]Fig.6 Morphologies of theγ′phase in the dendrite core of superalloy PWA1483 and CMSX-4 without and with a 5 T magnetic field[30]

對(duì)于元素偏析,Khine等[31]認(rèn)為熱電磁對(duì)流的速率完全可以達(dá)到使溶質(zhì)元素在微觀尺度內(nèi)重新分布的數(shù)量級(jí).而本課題組[30]在研究磁場(chǎng)輔助定向凝固鎳基單晶高溫合金時(shí)發(fā)現(xiàn),在靜態(tài)磁場(chǎng)中凝固的樣品沿縱截面的溶質(zhì)分布表現(xiàn)更均勻.同時(shí),施加磁場(chǎng)對(duì)于枝晶不同部位元素偏析也起到了調(diào)控作用,磁場(chǎng)的應(yīng)用使得絕大多數(shù)元素的偏析系數(shù)都逐漸接近于1(見圖7).

圖7 無磁場(chǎng)和施加5 T磁場(chǎng)合金元素的偏析系數(shù)Fig.7 Segregation coefficients of alloy elements in the superalloy PWA1483 and CMSX-4 samples produced without and with a 5 T magnetic field

3 磁場(chǎng)對(duì)高溫合金熱處理組織的控制

高溫合金在凝固過程中,由于溶質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同,導(dǎo)致正偏析元素向液相富集,而負(fù)偏析元素向固相富集,從而在枝晶間和晶界處產(chǎn)生大量的(γ+γ′)共晶相、碳化物、Laves相和拓?fù)涿芘?topologically close-packed,TCP)相,降低高溫合金的力學(xué)性能.高溫合金通過熱處理可以有效地改善成分偏析,消除共晶、Laves相和TCP相等有害相.然而,隨著高代次合金中難熔元素逐漸增多,加上厚大葉片傳熱傳質(zhì)困難以及應(yīng)力的增加,這給熱處理提出了新的問題.電磁場(chǎng)下熱處理技術(shù)通過將工件置于配備電磁場(chǎng)熱處理爐中進(jìn)行,通過電磁場(chǎng)的磁效應(yīng)影響材料的元素分布等,從而改善微觀組織和材料性能,顯示出了廣闊的發(fā)展前景.

本課題組[32]研究了靜磁場(chǎng)(static magnetic field,SMF)和交變磁場(chǎng)(alternating magnetic field,AMF)下熱處理對(duì)鎳基高溫合金組織和性能的影響,并探討了磁場(chǎng)下熱處理組織和性能變化的機(jī)制,研究表明磁場(chǎng)對(duì)鎳基高溫合金熱處理組織和性能有顯著影響.在熱處理DZ483時(shí)施加靜磁場(chǎng),發(fā)現(xiàn)SMF可以減小γ′相的平均尺寸.根據(jù)沉淀硬化理論,Orowan過程是DZ483高溫合金的主要變形機(jī)制,因此SMF下熱處理后表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能,維氏硬度和拉伸強(qiáng)度增加(見圖8和表1).而γ′相形狀和大小的變化主要是由于合金元素?cái)U(kuò)散率降低的結(jié)果.強(qiáng)靜磁場(chǎng)下對(duì)DZ417G進(jìn)行時(shí)效處理,發(fā)現(xiàn)析出的γ′相細(xì)小而彌散,尺寸減小約12%(見圖9),最終使顯微硬度提高約8.4%.

圖9 有無磁場(chǎng)下定向凝固高溫合金DZ417G經(jīng)不同時(shí)間時(shí)效處理后γ′相尺寸和體積分?jǐn)?shù)的變化[33]Fig.9 Dependence of size and volume fraction ofγ′phase on the time of ageing treatment with and without magnetic field[33]

表1 0 T和12 T SMF熱處理的DZ483試樣的拉伸性能[32]Table 1 Tensile properties of DZ483 samples heat treated with and without the SMF of 12 T[32]

圖8 DZ483的維氏硬度隨SMF強(qiáng)度的變化[32]Fig.8 Variation of the Vickers hardness of DZ483 with the SMF intensity[32]

研究表明,施加交變磁場(chǎng)可以增大擴(kuò)散速率,改善宏觀和微觀偏析狀態(tài).基于AMF這一特點(diǎn),本課題組[34]開展了DZ483高溫合金AMF下熱處理中γ′沉淀物和偏析行為的研究.圖10的結(jié)果表明:對(duì)于固溶處理,AMF的應(yīng)用顯著提高了元素的擴(kuò)散系數(shù);而在后續(xù)的時(shí)效處理中,整體偏析水平降低.這表明AMF可以有效地減少合金元素的成分偏析.

圖10 有無交變磁場(chǎng)下DZ483高溫合金中合金元素的偏析系數(shù)[34]Fig.10 Segregation coefficients of alloying elements in the DZ483 superalloy after solution treatment with and without AMF[34]

交變磁場(chǎng)下固溶處理以及時(shí)效處理可以有效減小單晶樣品的微孔尺寸以及體積分?jǐn)?shù)[35].圖11的結(jié)果顯示,與無磁場(chǎng)的情況相比,施加0.1 T交變磁場(chǎng)后固溶熱處理階段的微孔尺寸和體積分?jǐn)?shù)分別從15.6μm、0.126%(0 T)降低到12.2μm和0.081%(0.1 T),表明磁場(chǎng)下熱處理可以有效改善高溫合金的組織性能,獲得更長(zhǎng)的服役壽命.對(duì)于相和共晶組織的演化,本課題組[36]研究發(fā)現(xiàn),隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,合金中γ′相的立方度和體積分?jǐn)?shù)都有所提高,而殘余共晶的含量減少(見圖12).

圖11 樣品的微孔隙分布[35]Fig.11 Microporosity distribution of the cast sample and solution heat treatment sample[35]

圖12 不同交變磁場(chǎng)下鑄造樣品和熱處理樣品的γ′相形態(tài)Fig.12 Morphologies ofγ′precipitate of cast sample and heat treatment samples with various alternating magnetic fields

電磁場(chǎng)的施加大大改善了熱處理組織,不僅提高了材料的性能,也提高了熱處理效率,顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).本課題組的研究結(jié)果表明電磁場(chǎng)可明顯減少再結(jié)晶層厚度,甚至使再結(jié)晶層消除,因此電磁場(chǎng)下高溫合金的熱處理有著廣闊的應(yīng)用前景,現(xiàn)正在不斷發(fā)展中.

在熱處理中施加磁場(chǎng)可顯著改善高溫合金的性能[36-37].在合金PWA1483進(jìn)行固溶與時(shí)效處理階段施加0.06 T交變磁場(chǎng),結(jié)果如圖13所示.對(duì)比無磁場(chǎng)下熱處理的樣品,在980?C和250 MPa下蠕變斷裂壽命從62 h提高到106 h,其原因是交變磁場(chǎng)下熱處理過程中元素?cái)U(kuò)散增強(qiáng),偏析降低,樣品內(nèi)部孔隙率降低,進(jìn)而提高了樣品的蠕變壽命.

圖13 有無0.06 T交變磁場(chǎng)的熱處理樣品在980?C/250 MPa下的蠕變曲線Fig.13 Creep curves of heat treatment samples without and with a 0.06 T alternating magnetic field at 980?C/250 MPa

4 陶瓷型芯

陶瓷型芯的作用是形成葉片內(nèi)部冷卻通道,因此其性能及質(zhì)量直接影響著空心葉片的質(zhì)量.陶瓷型芯應(yīng)滿足以下要求:①良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性;②線性膨脹系數(shù)小,保證澆注過程中低變形;③合適的氣孔率,易于從鑄件中脫除[38-40].目前,發(fā)達(dá)國(guó)家將陶瓷型芯的研制技術(shù)視為高度機(jī)密不予公開,國(guó)際市場(chǎng)也一直被國(guó)外公司壟斷.我國(guó)在陶瓷型芯方面的研究取得了一定的成果,但與國(guó)外相比仍有較大差距,特別是重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片用陶瓷型芯,由于尺寸大、形狀復(fù)雜、制作技術(shù)含量高,需要長(zhǎng)期的研究投入.

4.1 硅基陶瓷型芯

氧化硅基陶瓷型芯以石英玻璃作為主體材料,使用最為廣泛[41].氧化硅基陶瓷型芯的燒成溫度通常為1 100～1 250?C,使用溫度約為1 550?C.本課題組[42]研究了基體粉料的粒度、燒結(jié)工藝和添加劑等對(duì)于硅基陶瓷型芯綜合性能的影響,探究了燒結(jié)溫度和粒度分布對(duì)于多孔氧化硅陶瓷型芯性能的影響規(guī)律,掌握了不同燒結(jié)溫度下陶瓷型芯室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度的變化規(guī)律(見圖14).由圖14可以看出,當(dāng)燒結(jié)溫度在1 200?C時(shí),氧化硅陶瓷型芯綜合性能最佳.粒度分布對(duì)陶瓷型芯氣孔率的影響是造成陶瓷型芯性能變化的主要原因之一,粗細(xì)分布均勻的粉料型芯綜合性能最佳.基于此,任興孚[43]提出了在真空條件下將硅樹脂滲入硅基陶瓷型芯以提高其力學(xué)性能的方法.

圖14 不同燒結(jié)溫度下樣品的抗彎強(qiáng)度[42]Fig.14 Bending strength of the samples under different sintering temperatures[42]

4.2 礦化劑對(duì)于陶瓷型芯性能的影響

4.2.1 單一礦化劑

礦化劑與基體材料產(chǎn)生相互作用,促使晶格活化,進(jìn)而生成固溶體,或在燒結(jié)溫度下礦化劑轉(zhuǎn)變?yōu)橐合囵そY(jié)基體材料,或阻止基體材料發(fā)生多晶轉(zhuǎn)化[44].礦化劑對(duì)于型芯的燒結(jié)收縮、變形以及力學(xué)性能起著決定性作用.現(xiàn)階段,陶瓷型芯的研究重點(diǎn)集中在降低型芯在燒結(jié)過程中的尺寸收縮、變形以及提高其力學(xué)性能等.本課題組[45-47]系統(tǒng)研究了不同礦化劑對(duì)硅基陶瓷型芯性能的影響規(guī)律.硅酸鋯作為礦化劑時(shí)對(duì)陶瓷型芯析晶并無明顯影響,但是能夠降低石英玻璃的黏性流動(dòng)和型芯的燒結(jié)程度.硅酸鋯添加量越多,樣品的收縮率、室溫強(qiáng)度越低,顯氣孔率越大.同時(shí),硅酸鋯能夠起到強(qiáng)化基體的骨架作用,可以提高型芯的高溫強(qiáng)度.電熔莫來石作為礦化劑時(shí)會(huì)降低陶瓷型芯的室溫抗彎強(qiáng)度、高溫抗彎強(qiáng)度、高溫?fù)隙?且適當(dāng)?shù)奶砑恿靠梢詼p小陶瓷型芯收縮率并且增加顯氣孔率.此外,本課題組還探究了短切石英纖維對(duì)于硅基陶瓷型芯綜合性能的影響,通過對(duì)不同纖維添加量下的樣品進(jìn)行SEM斷口分析,結(jié)果如圖15所示.可以看出,穿插在基體中的石英纖維呈現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,且沒有同基體顆粒燒結(jié)在一起,在其周圍保留一定的氣孔.石英纖維的添加會(huì)提高方石英的析出量和氣孔率,隨石英纖維含量的增加,方石英的陶瓷型芯的收縮率和高溫?fù)隙戎饾u減小,在陶瓷型芯中添加0.5%石英纖維時(shí),其綜合性能得到大幅度的改善.

圖15 不同石英纖維添加量下型芯的斷口形貌[47]Fig.15 Fracture micrographs of cores with different contents of silica fibers[47]

4.2.2 復(fù)合礦化劑

除添加單一礦化劑外,為探究多種礦化劑之間的協(xié)同作用對(duì)于硅基陶瓷型芯性能的影響,本課題組[48]采用復(fù)合添加硅酸鋯-莫來石纖維制備了復(fù)合硅基陶瓷型芯,研究了莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯力學(xué)性能和高溫性能的影響.研究結(jié)果表明,隨著莫來石纖維加入量的增加,陶瓷型芯的線收縮明顯減小,氣孔率逐漸增大.當(dāng)莫來石纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí),陶瓷型芯的室溫彎曲強(qiáng)度和模擬澆注溫度下的彎曲強(qiáng)度,相較于只添加硅酸鋯作為礦化劑的陶瓷型芯得到了明顯提高.這是因?yàn)槔w維不連續(xù)分布在陶瓷基體中,起到連接橋梁作用,阻礙了裂紋擴(kuò)展路徑,從而提高了陶瓷型芯的抗彎強(qiáng)度(見圖16).

圖16 莫來石纖維/陶瓷基斷裂示意圖Fig.16 Schematic diagram of fracture of mullite fibers/ceramic matrix

4.3 陶瓷型芯與高溫合金的界面反應(yīng)

對(duì)于先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片而言,高溫合金熔點(diǎn)提高和葉片尺寸增大,導(dǎo)致單晶葉片制備過程中澆注溫度高、凝固時(shí)間長(zhǎng)[49],使得高溫合金/陶瓷型芯/型殼界面處發(fā)生反應(yīng)傾向更加突出,嚴(yán)重影響了高溫合金葉片的性能.為了深入了解這一問題,本課題組[50]研究了鎳基單晶高溫合金CMSX-4與氧化硅陶瓷型芯定向凝固過程中的界面反應(yīng).研究結(jié)果表明,在高溫合金/氧化硅陶瓷型芯的界面處形成了連續(xù)分布的氧化鋁層和不連續(xù)分布的富集碳化物層.在此基礎(chǔ)上,我們分析了鎳基單晶高溫合金與氧化硅陶瓷芯界面反應(yīng)的形成機(jī)理(見圖17),為優(yōu)化陶瓷芯成分和性能提供了依據(jù).

圖17 界面反應(yīng)示意圖Fig.17 Schematic illustration of the interface reaction layer formation

5 渦輪葉片尺寸精度控制

作為氣-動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件,渦輪葉片的尺寸精度不僅關(guān)系到燃?xì)廨啓C(jī)是否能夠順利裝片,也是保證其安全運(yùn)行的關(guān)鍵.渦輪葉身部分為復(fù)雜的空間曲面且薄厚不均,其無余量熔模精密鑄造的流程復(fù)雜,其中的每一個(gè)階段都對(duì)最終葉片的尺寸精度產(chǎn)生影響,僅依靠模具型面放縮法進(jìn)行補(bǔ)償,難以顧及葉片彎扭變形及葉身曲率等幾何特征.從蠟?zāi)５饺~片鑄件的過程中,不僅會(huì)發(fā)生體積收縮,其幾何特征也存在一定的變化,從而引起鑄件尺寸超差.故在實(shí)際生產(chǎn)過程中,需要對(duì)渦輪葉片制造的每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行精確的測(cè)控.早在20世紀(jì)70年代,英國(guó)、美國(guó)就已在型芯的控形技術(shù)方面取得了顯著的成效,并用于鑄件的澆鑄.近年來,國(guó)外在利用光學(xué)掃描儀和工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描(computerized tomogrophy,CT)對(duì)某型號(hào)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行測(cè)量時(shí),可以將葉片的測(cè)量精度要求控制在50～80μm,允許公差控制在±0.5 mm以內(nèi),并且通過與CAD模型進(jìn)行配準(zhǔn),可以直觀地反映葉片每個(gè)部位的扭曲變形情況[51-52].由于葉片作用關(guān)鍵且制造技術(shù)難度高,國(guó)外將渦輪葉片控形視為高度核心技術(shù),其研究成果鮮有公開.我國(guó)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)技術(shù)尚處于一個(gè)發(fā)展的過程.在檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面,國(guó)內(nèi)可供借鑒的航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅有HB5647-98和HB20126-201.因此,國(guó)內(nèi)的一些廠家和研究機(jī)構(gòu)提出了自己的檢測(cè)驗(yàn)收技術(shù)要求用于內(nèi)部驗(yàn)收,方便應(yīng)用管理.在此過程中,他們結(jié)合國(guó)外的測(cè)量技術(shù)手段,并根據(jù)測(cè)量裝置是否與被測(cè)物體接觸,將燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的測(cè)量方法分為接觸式和非接觸式.接觸式測(cè)量方法主要包括:標(biāo)準(zhǔn)樣板測(cè)量法、電感量?jī)x測(cè)量法和三坐標(biāo)測(cè)量法.非接觸式測(cè)量方法主要包括:激光掃描測(cè)量法、超聲檢測(cè)法、機(jī)器視覺測(cè)量法和工業(yè)CT測(cè)量法[53].另外,目前已經(jīng)有研究者開展了基于數(shù)值模擬的葉片尺寸控制研究,基于大數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究誤差累計(jì)和傳遞也成為了未來發(fā)展的一個(gè)重要方法.

基于燃?xì)廨啓C(jī)柱晶/單晶渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特征及其鑄造工藝特點(diǎn),對(duì)精密鑄造的全流程進(jìn)行尺寸精度控制,是提高葉片尺寸合格率的關(guān)鍵.基于此,本課題組采用三維激光掃描測(cè)量法和工業(yè)CT測(cè)量法,結(jié)合三坐標(biāo)和超聲檢測(cè)等方法,對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的全流程(蠟?zāi)Ｋ嘏?、型芯素坯、陶瓷型芯、壓蠟型芯、模殼含蠟、模殼無蠟、鑄件)制備過程進(jìn)行缺陷檢測(cè)和尺寸測(cè)量,并制定了相應(yīng)的操作規(guī)范,建立了渦輪葉片制備過程全流程尺寸精度和誤差控制模型.

圖18為本課題組針對(duì)研制的某型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)大尺寸渦輪葉片素坯、型芯和鑄件等關(guān)鍵環(huán)節(jié)葉片尺寸測(cè)量結(jié)果分析,其中:鑄件參照GB/T 6414?2017標(biāo)準(zhǔn)中的DCPG5,允許公差為±0.5 mm,測(cè)量精度要求控制在120μm;陶瓷型芯允許公差為±0.3 mm,測(cè)量精度要求控制在80μm.在葉片研制過程中,針對(duì)制備的所有葉片都會(huì)進(jìn)行全流程的尺寸精度控制,并借助逆向校核軟件Geomajic-Control或GOM分析燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制備過程中素坯、型芯和鑄件階段的尺寸精度和誤差,初步揭示了葉片全流程制備過程中的尺寸偏差和變形規(guī)律.研究結(jié)果表明,三維激光掃描、工業(yè)CT和超聲檢測(cè)等無損測(cè)量方法均能滿足某型號(hào)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的測(cè)量精度要求.三維激光掃描測(cè)量法可獲得燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、蠟?zāi)?、陶瓷型芯等中間關(guān)鍵部件的外形輪廓,并對(duì)葉片的扭轉(zhuǎn)變形情況有精確的評(píng)價(jià).工業(yè)CT不僅可以對(duì)陶瓷型芯、蠟?zāi)?、模殼等進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè),還可以對(duì)外形輪廓、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)、壁厚等關(guān)鍵部位進(jìn)行高精度測(cè)量.超聲檢測(cè)則可以對(duì)蠟?zāi)：腿~片的壁厚結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確測(cè)量.這些先進(jìn)的測(cè)量手段保證了大尺寸渦輪葉片全流程的尺寸測(cè)量和精確控制,尤其是基于工業(yè)CT檢測(cè)技術(shù)對(duì)模殼的尺寸測(cè)量,可以將模殼的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)提取出來并與模型相比較,從而實(shí)現(xiàn)了模殼尺寸的精確測(cè)量,這是傳統(tǒng)測(cè)量方法無法達(dá)到的.

圖18 工業(yè)CT對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的全流程檢測(cè)結(jié)果Fig.18 Whole process inspection results of gas turbine engine blades by industrial CT

目前逐步成熟且投入燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工程化應(yīng)用的檢測(cè)方法,極大地縮短了葉片研制周期,提高了葉片尺寸合格率,降低了葉片成本.但是,關(guān)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片還存在以下不足:葉片檢測(cè)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善,有效技術(shù)驗(yàn)證手段缺乏,葉片制備過程尺寸變化和誤差累計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)積累不足,缺少自主研發(fā)的葉片尺寸測(cè)量分析軟件.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在葉片制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,基于機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)值模擬的智能制造技術(shù)也將在葉片全流程誤差控制中發(fā)揮重要作用,從而提高葉片的尺寸控制精度.

6 高溫合金純凈化冶煉

高溫合金中的雜質(zhì)元素(氧、氮和硫)對(duì)其性能危害很大,要盡量降低其含量[54].國(guó)際先進(jìn)水平的高溫合金尤其是單晶高溫合金中,氧、氮、硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已分別降低至5×10?6、5×10?6、1×10?6[55]以下,這對(duì)冶煉技術(shù)提出了很高的要求.由于高溫合金母合金的鑄棒尺寸需適合后續(xù)的精密鑄造工藝,故不易采用鑄錠直徑尺寸大、頭尾成分偏析大的電弧[56]或電渣精煉工藝[57],也不太適合采用高真空度、揮發(fā)嚴(yán)重的電子束精煉工藝[58]及其如變形高溫合金類似的多聯(lián)工藝[59].目前,鑄造高溫合金仍主要采用真空感應(yīng)精煉技術(shù).

真空感應(yīng)熔煉的特點(diǎn)是從熔化金屬到澆鑄都在真空條件下進(jìn)行,既避免了大氣污染,又能夠精確地控制合金成分,特別是Al、Ti、Zr、B和易揮發(fā)微量元素的含量,不僅可以去除低熔點(diǎn)雜質(zhì)及氣體元素,還可以避免二次氧化.對(duì)金屬進(jìn)行感應(yīng)熔煉時(shí),伴有電磁攪拌功能,這可以加速熔液中反應(yīng)速率,更有利于脫氣以及熔池溫度、成分的均勻化.現(xiàn)今,高溫合金脫氧精煉研究主要集中在真空參數(shù)[60]、坩堝材料[61]和熔煉工藝[62]的優(yōu)化.對(duì)于氮的去除,在真空下利用惰性氣泡[63]或者M(jìn)g、Ca蒸氣泡[64-65]上浮攜帶有一定效果.研究發(fā)現(xiàn),在真空感應(yīng)中施加Mg(Ca)不僅可以降低合金中的氧、氮,同時(shí)也能降低合金中的硫,做到一舉多得.另外,采用高純度的原材料,從源頭減少雜質(zhì)元素的混入,再輔以惰性坩堝材料和優(yōu)化冶煉工藝,可更有效地控制雜質(zhì),獲得高質(zhì)量鑄造母合金.

為了更高效提高高溫合金的純凈度,近年來本課題組開展了等離子體凈化技術(shù)研究.等離子體是一種特殊的潔凈高溫?zé)嵩?具有溫度高、能量集中、功率可調(diào)、氣氛可控、設(shè)備簡(jiǎn)單、電熱轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),為高質(zhì)量冶煉提供了優(yōu)良環(huán)境.目前,國(guó)外等離子體主要應(yīng)用于鈦合金的返回料重熔精煉領(lǐng)域.自20世紀(jì)80年代開始,以日本東北大學(xué)的研究人員[66-74]為代表,他們通過將氫等離子體引入高純金屬凈化,使合金中氧、氮和硫等得到了很好的去除.利用氬氫等離子體取代惰性氣體等離子,進(jìn)一步提高了弧芯溫度,具有超強(qiáng)的還原性,可深度凈化合金.目前上海大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[75-76]深入地研究了氫等離子脫除純金屬、高溫合金中的間隙雜質(zhì)元素作用,發(fā)展了磁場(chǎng)增強(qiáng)氫等離子體精煉新技術(shù),大大降低金屬中氧、硫含量.何夢(mèng)園等[77]采用氫等離子體電弧熔煉凈化Zr基合金以及李國(guó)玲等[78-79]、傅凱等[80]凈化稀土金屬,均取得良好精煉效果.

開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的精煉技術(shù)有著重要意義,因此,國(guó)內(nèi)對(duì)高溫合金的純凈度越來越重視.另外,高溫合金返回料的使用可明顯降低葉片的成本,而返回料中氧、氮、硫等雜質(zhì)通常超標(biāo),因此對(duì)于返回料的再生,高效經(jīng)濟(jì)的精煉技術(shù)同樣是迫切需求.

7 增材制造技術(shù)的應(yīng)用

隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)其關(guān)鍵部件的綜合性能提出了更高的要求.對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪葉片,往往需要采用復(fù)雜陶瓷型芯和型殼的精密鑄造技術(shù),制作周期長(zhǎng)且尺寸精度和組織性能難以有效調(diào)控.同時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)熱端高溫部件往往由高附加值的高溫合金制成,傳統(tǒng)機(jī)械加工方法效率低、技術(shù)難度大、成本高、材料浪費(fèi)大[81].隨著渦輪葉片等復(fù)雜構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜和對(duì)材料熱性能要求的提高,傳統(tǒng)的從葉片設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證的流程受到材料與制造技術(shù)的制約,已難以滿足新型葉片的快速迭代要求.

近年來廣受關(guān)注的增材制造(additive manufacutring,AM)技術(shù)為燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵材料制備提供了新的解決方案.增材制造技術(shù)是基于三維模型,以粉末或金屬絲等原材料通過“點(diǎn)-線-面-塊”的邏輯一體化制備目標(biāo)零件,這一獨(dú)特的特點(diǎn)能夠直接從設(shè)計(jì)中生產(chǎn)復(fù)雜或定制的零件,而不需要復(fù)雜的模具及后續(xù)機(jī)械加工,發(fā)展前景廣闊[82-83].

7.1 增材制造陶瓷型芯型殼

隨著燃?xì)廨啓C(jī)功率的不斷提升,渦輪葉片需要更大的尺寸和更加精細(xì)復(fù)雜的冷卻氣道,因此對(duì)陶瓷型芯/模殼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、制造精度以及更新周期提出了更高的要求[84-85].渦輪葉片通常是采用精密鑄造技術(shù)制造的,一般要制作陶瓷型芯和型殼,其制作的質(zhì)量、尺寸精度和周期是質(zhì)優(yōu)形準(zhǔn)渦輪葉片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的熔模鑄造法涉及開模導(dǎo)致整個(gè)工藝流程繁瑣,金屬澆鑄的過程中存在誤差大、成品率低等突出問題.增材制造技術(shù)無需模具,采用逐層制造并疊加原理,可直接成形復(fù)雜構(gòu)件,從而縮短研發(fā)周期、簡(jiǎn)化工藝、更易于控制尺寸精度、降低研發(fā)費(fèi)用.目前,面向高溫陶瓷材料的增材制造,主要通過陶瓷粉末的激光燒結(jié)成形和陶瓷漿料的光固化成形獲得素坯,再經(jīng)高溫脫脂燒結(jié)獲得最終成品.其中,激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)通過高能激光束選擇性熔化聚合物黏結(jié)劑,從而粘接成形陶瓷粉末以獲得素坯.光固化成形技術(shù)主要基于光固化原理,利用激光束照射光敏樹脂漿料使其固化成形,從而粘接陶瓷粉末獲得素坯[86].目前,困擾高溫陶瓷增材制造技術(shù)的應(yīng)用主要在于其成形素坯及最終燒結(jié)過程中的尺寸控制,以及高溫蠕變及撓度等力學(xué)性能.

針對(duì)精密鑄造過程中陶瓷型芯的工藝要求,占紅星等[87]開展了增材制造陶瓷材料的高溫性能研究,開發(fā)出了添加礦化劑以提高其服役溫度極限的方法.田國(guó)利等[88]研究了硅基陶瓷型芯中方石英析出量對(duì)型芯性能的影響,發(fā)現(xiàn)型芯中方石英析出量在13%左右性能最佳.型芯具良好的綜合性能主要依靠礦化劑自身的高溫性能及控制方石英析出,從而增強(qiáng)陶瓷型芯的高溫性能[89].此外,Badev等[90]研究了陶瓷漿料的聚合反應(yīng)原理,揭示漿料中陶瓷顆粒與有機(jī)物之間的折射率和黏度決定著反應(yīng)的聚合率,由于光的散射和吸收,聚合率隨著折射率比值的增加而降低.當(dāng)固相含量一定時(shí),陶瓷顆粒粒徑的減小意味著顆粒數(shù)目的增加,從而導(dǎo)致散射中心的增多和聚合速率的降低.

目前,陶瓷增材制造技術(shù)已成功應(yīng)用于空心渦輪葉片的型芯型殼生產(chǎn)中.本課題組聯(lián)合華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)開展了面向重型燃汽輪機(jī)大尺寸單晶渦輪葉片的陶瓷型芯/型殼一體化增材制造成形方案.如圖19所示,采用SLS技術(shù)制備了氧化鋁型芯素坯,并通過后浸滲、燒結(jié)等后處理工藝顯著提升了其室溫及高溫?fù)隙刃阅躘91].此外,奧地利Lithoz公司已經(jīng)可以利用陶瓷3D打印技術(shù)生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的高復(fù)雜的陶瓷產(chǎn)品.而在國(guó)內(nèi)東方汽輪機(jī)有限公司針對(duì)3D打印燃機(jī)葉片型芯開展了應(yīng)用研究,將3D打印陶瓷型芯引入到重型燃機(jī)熱端部件精鑄工藝開發(fā)中,實(shí)現(xiàn)熱端部件的快速制造,大大縮短了零部件的研發(fā)周期.

圖19 基于真空浸滲法的SLS成形高性能陶瓷型芯[91]Fig.19 Additive manufacturing of silica-based ceramic cores using SLS with vacuum infiltration[91]

7.2 增材制造多晶高溫合金部件

目前,針對(duì)金屬材料的增材制造技術(shù)主要包括基于粉末床熔化原理的,如激光選區(qū)熔化(selective laser melting,SLM)[92]和電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting,SEBM)[93],以及基于粉末或絲材定向熔化沉積原理的激光熔化沉積技術(shù)(laser melting deposition,LMD)[94]與電弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)[95].SLM和SEBM等粉末床熔化增材制造技術(shù)具有更小的光斑尺寸、粉層厚度以及更高的成形精度,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的直接成形;而LMD和WAAM等定向能量沉積技術(shù)具有更大的光斑尺寸及成形效率,往往用于缺損區(qū)域的修復(fù)、新型合金快速設(shè)計(jì)以及大尺寸構(gòu)件的快速成形.雖然已有少量實(shí)際應(yīng)用報(bào)道,增材制造制備高溫合金仍然受限于可成形材料少、裂紋氣孔殘余應(yīng)力元素偏析等缺陷難以消除,以及組織和力學(xué)性能不足調(diào)控等問題.

針對(duì)上述問題,本課題組提出了磁場(chǎng)下增材制造(magnetic field tailored additive manufacturing,MAM)技術(shù)[96-97].研究表明,MAM技術(shù)基于電磁場(chǎng)獨(dú)特的無接觸式控制特點(diǎn),可以顯著影響金屬微熔池內(nèi)部流動(dòng)及傳熱過程,改善冶金質(zhì)量并調(diào)控凝固組織.SLM成形Inconel 625鎳基高溫合金研究表明,靜磁場(chǎng)可以有效促進(jìn)快速凝固過程中柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變過程,并顯著減弱Nb元素的偏析行為并抑制Laves相沿晶界析出[98].LMD成形Inconel 718鎳基高溫合金研究表明,靜磁場(chǎng)可以有效降低殘余應(yīng)力.如圖20所示,樣品整體變形量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低[99].磁場(chǎng)作用的內(nèi)在機(jī)制是合金凝固中的熱電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生了可觀的熱電磁力(thermoelectric magnetic force,TEMF),多尺度數(shù)值模擬的研究表明,磁場(chǎng)作用下熱電流在固液界面處達(dá)到峰值,導(dǎo)致固液界面處的熱電磁力最大,從而影響枝晶形態(tài)并促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition,CET).同時(shí),枝晶周圍的熱電磁對(duì)流可以使Nb元素分布均勻化,進(jìn)而獲得分布更加均勻的Laves相析出相.同時(shí),熱電磁效應(yīng)可有效抑制熔池中的不穩(wěn)定對(duì)流,同時(shí)促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),減少殘余應(yīng)力[98].

圖20 LMD成形Inconel 718高溫合金研究[99]Fig.20 LMD fabrication of Inconel 718 superalloy[99]

憑借優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性,Mar-M509(或稱為ECY-768)鈷基高溫合金被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)一級(jí)導(dǎo)向葉片.本課題采用SLM技術(shù)開展了Mar-M509高溫合金成形研究,研究了不同能量密度下的組織演變、微裂紋形成和力學(xué)性能[100].如圖21所示,通過SLM可以制備鑄造工藝更好性能的致密試樣,在較低的掃描速率下,晶粒得到細(xì)化.室溫拉伸力學(xué)性能分析表明,當(dāng)線能量密度較低(～106 J/m)時(shí),樣品在不同成形平面上的力學(xué)性能差異較小,且均高于ASM工具手冊(cè)中鑄造Mar-M509的性能.而當(dāng)線能量密度較高(～160 J/m)時(shí),樣品中出現(xiàn)了顯著的拉伸性能各向異性,即XY面上的力學(xué)性能大幅降低,尤其是抗拉強(qiáng)度和延伸率.本課題組基于上述工藝研究,采用SLM技術(shù)制備了燃?xì)廨啓C(jī)用導(dǎo)向葉片的Mar-M509鈷基高溫合金試驗(yàn)樣件,樣件形貌如圖21(e)所示.

圖21 燃?xì)廨啓C(jī)用Mar-M509鈷基高溫合金的SLM成形研究[102]Fig.21 EBSD-IPF and engineering strain-stress curves of SLM built Mar-M509 Co-based superalloy under different laser energy densities[102]

7.3 增材制造鎳基單晶高溫合金部件

目前,鎳基單晶高溫合金渦輪葉片主要采用定向凝固工藝制備.由于溫度梯度小且冷卻速率較慢,定向凝固制備的單晶樣品往往在枝晶間區(qū)域和枝晶干區(qū)域存在較嚴(yán)重的元素偏析、組織成分不均勻以及雀斑、雜晶、小角度晶界等缺陷,影響其綜合性能.然而定向凝固技術(shù)受限于工藝水平,已經(jīng)難以有效提升其溫度梯度并細(xì)化枝晶間距等關(guān)鍵指標(biāo).金屬增材制造技術(shù)大幅提高了熱梯度(105～107K/s)和冷卻速率(1 cm/s),可以形成沿傳熱方向的細(xì)小柱狀晶組織,是鎳基單晶高溫合金葉片等部件的潛在制備技術(shù)之一.

增材制造過程中非平衡快速凝固及復(fù)雜熱循環(huán)等溫度場(chǎng)特征,使得單晶樣品內(nèi)部極易出現(xiàn)雜晶以及取向偏差等缺陷.同時(shí),激光與粉末熔池之間的作用機(jī)理還不明確,難以有效控制激光微熔池內(nèi)部流動(dòng)和傳熱過程,極易形成諸如氣孔和裂紋等冶金缺陷.故亟須針對(duì)增材制造鎳基單晶高溫合金的控形控性開展進(jìn)一步深入研究[101-102].G¨aumann等[103]研究了CMSX-4渦輪葉片在LMD工藝下的修復(fù),在單晶基板上沉積CMSX-4合金并利用其中外延生長(zhǎng)的特性,獲得了具有相似且排列良好的取向(100)晶粒.他們?cè)谛迯?fù)損壞的單晶渦輪葉片平臺(tái)時(shí)優(yōu)化DED參數(shù),獲得了較佳的尺寸精度,成功將葉片修復(fù)了約2 mm.然而,如何通過激光增材制造技術(shù)獲得無雜晶、取向偏差小的高質(zhì)量鎳基單晶高溫合金葉片,目前尚缺乏有效手段.

本課題組采用LMD工藝開展了單晶鎳基高溫合金的凝固行為及組織控制方法研究[104].基于激光重熔鎳基單晶基體和激光單道單層、單道多層熔覆鎳基單晶基體的系統(tǒng)研究,厘清了熔池形貌以及熔池內(nèi)凝固組織的演化規(guī)律.數(shù)值模擬結(jié)果表明,強(qiáng)制冷卻條件下熔池內(nèi)的最大溫度梯度由3.00×106提升至3.45×106K/m,為單一取向柱狀晶連續(xù)外延生長(zhǎng)提供了條件.隨后,本課題組采用平頂激光LMD成形技術(shù),獲得了取向偏差小、無雜晶、超細(xì)柱晶結(jié)構(gòu)的單晶合金組織.如圖22所示,采用LMD工藝制備出高度為45 mm的DD5完整單晶高溫合金薄壁墻,其取向差小于5?的小角度晶界(low angle grain boundary,LAGB)占比超過99.5%,平均一次枝晶間距為25～30μm,碳化物為島狀分散,γ′為細(xì)小近方形,均顯著優(yōu)于常規(guī)定向凝固鑄造工藝,有助于提升其高溫力學(xué)性能.

圖22 LMD成形Rene N5鎳基單晶高溫合金薄壁墻[106]Fig.22 LMD fabrication of Rene N5 Ni-based single-crystal superallo[106]

圍繞關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo),德國(guó)埃朗根-紐倫堡大學(xué)Korner團(tuán)隊(duì)[105-106]針對(duì)SEBM成形CMSX-4單晶樣品開展了相關(guān)研究,結(jié)果表明增材制造樣品的單晶高溫和中溫蠕變性能與常規(guī)鑄造樣品相當(dāng),但具有更好的低周疲勞性能和更好的組織穩(wěn)定性.該團(tuán)隊(duì)[107]研究了SEBM制備單晶高溫合金的高溫低周疲勞行為,考察了不同熱處理方式對(duì)試樣的影響,發(fā)現(xiàn)熱處理后材料的疲勞壽命明顯高于未熱處理的材料.使用熱等靜壓與綜合熱處理可以使SEBM單晶獲得更長(zhǎng)的疲勞壽命,斷裂時(shí)裂紋萌生發(fā)生在熔化層界面、凝固過程中產(chǎn)生的微孔隙或熱等靜壓處理樣品中在塌陷孔隙處形成的析出相處.增材制造高溫合金單晶仍面臨諸多技術(shù)難題,需要大量的深入研究工作.

8 結(jié)語

我國(guó)雖然在燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片制造技術(shù)上近年來取得很大進(jìn)步,但許多方面仍處于落后狀態(tài),在大尺寸和更復(fù)雜葉片制造上仍有許多技術(shù)難題有待攻克.燃?xì)廨啓C(jī)在不斷提高溫度,并開始使用氫燃料,這些都對(duì)葉片制造技術(shù)提出了新的要求,需要在多個(gè)方面深入開展研發(fā).

(1)在葉片精密鑄造技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)基本可滿足燃機(jī)發(fā)展的需要,但在大型葉片的質(zhì)量尤其是尺寸控制技術(shù)方面仍為完全掌握,其中陶瓷芯技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重滯后,需要深入研究;葉片制造的流程長(zhǎng),影響參數(shù)多且復(fù)雜,采用大數(shù)據(jù)的人工智能技術(shù)進(jìn)行工藝優(yōu)化很有必要.

(2)高溫合金返回料的應(yīng)用可大大降低葉片的成本,但國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較為欠缺,為了降低成本十分必要深入研究返回料的雜質(zhì)元素變化規(guī)律及其對(duì)使用性能的影響,開發(fā)處理和凈化返回料的新工藝,建立起標(biāo)準(zhǔn),為返回料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

(3)增材制造技術(shù)適宜制造復(fù)雜精細(xì)的葉片結(jié)構(gòu),可小批量生產(chǎn),在燃機(jī)葉片等部件制造中有著廣闊的發(fā)展前景,現(xiàn)面臨的主要技術(shù)難題是變形、裂紋、組織難調(diào)控和表面質(zhì)量不夠等,仍需深入研究.

(4)電磁場(chǎng)具有獨(dú)特的效應(yīng),在合金精煉、凝固組織控制、熱處理組織調(diào)控、增材制造上都可發(fā)揮重要作用,其發(fā)展前景廣闊.