法國N19新型粉末高溫合金的研發(fā)動態(tài)及進展

張林嘉

（海裝廣州局駐貴陽地區(qū)軍事代表室，貴州 貴陽 550014）

一直以來，為航空飛行系統(tǒng)提供動力的燃氣渦輪發(fā)動機性能的提高主要應(yīng)歸功于渦輪盤和葉片新材料技術(shù)的發(fā)展。粉末冶金（PM）路線制備的大型壓氣機和渦輪盤使高溫部件壽命顯著增加。這項技術(shù)最初由美國開發(fā)，大多鎳基高溫合金都是為某型發(fā)動機專門設(shè)計的。法國擁有獨立自主的高溫合金研發(fā)路線，主要是由斯奈克瑪公司（Snecma）主導(dǎo)推動，并成功將新材料應(yīng)用于颶風(fēng)戰(zhàn)斗機的M88發(fā)動機中[1]。法國粉末高溫合金的研發(fā)具有自己獨特的思路和方式，例如N18、NR3、N16等盤合金的成功設(shè)計和應(yīng)用標(biāo)志著法國在國際高溫新材料的研發(fā)中具有一席之地。目前，N19合金是法國最新的粉末高溫合金，本文將綜述該合金的設(shè)計、工藝、顯微組織與性能，為國內(nèi)粉末高溫合金設(shè)計與開發(fā)人員提供借鑒。

1 N19合金的開發(fā)背景與設(shè)計思路

1.1 合金成分設(shè)計和篩選

法國對粉末高溫合金的開發(fā)可追溯到20世紀70年代末，主要由法國國家航空航天研究中心（Office National d’ Etudes et de Recherches Aérospatiales，簡稱Onera）進行研制[2]。在20世紀80年代早期，法國飛機發(fā)動機制造商Snecma（現(xiàn)在的Safran Snecma）啟動了軍用發(fā)動機M88的研發(fā)項目，為Dassault公司的颶風(fēng)戰(zhàn)斗機提供動力。為了滿足M88發(fā)動機對渦輪盤的嚴格要求，Snecma希望使用一種新的粉末高溫合金來保證盤件可靠性。因此，Snecma、國立巴黎高等礦業(yè)學(xué)院（MINES ParisTech）和Onera等合作開展了合金開發(fā)計劃。該計劃研發(fā)出粉末高溫合金N18，后來該合金也成功應(yīng)用于M88發(fā)動機中高壓壓氣機和高壓渦輪盤。

從20世紀80年代末開始，法國武器裝備總署（DGA）國防采購提出了工作溫度高于700℃（最高為750℃）的新型粉末高溫合金需求。為此，Snecma、Onera和MINES ParisTech開展了一項合作項目，即開發(fā)一種新的粉末高溫合金，要求如下[3]：合金能夠通過固溶處理獲得需要的晶粒尺寸；在750℃的長期熱暴露下顯微組織穩(wěn)定性良好，沒有TCP相析出；與N18合金相比，在700℃的溫度下具有更高的蠕變和疲勞抗性；合金密度低于8.35g/cm3。

為了滿足上述要求，新型高溫合金的γ'相含量應(yīng)為40%～50%，與N18合金相比降低了9%～27%。由于γ'相含量降低，需要進一步強化γ基體和γ'相強度。通過Cr、Mo和W元素間的配比調(diào)控，優(yōu)化γ基體和γ'相的化學(xué)成分。為增加γ基體的固溶強化作用，適當(dāng)降了Mo并添加W。通過適量提高Cr的含量來增強高溫抗氧化和耐腐蝕性，避免TCP相在目標(biāo)溫度析出。其中重點平衡了Co的含量，原因是當(dāng)Co含量增加時，γ'相固溶溫度通常會降低。為了強化γ'相，（Ti+Nb+Ta）/Al的比值（at.%）增至1左右（N18合金為0.57）。部分設(shè)計合金與N18成分的對比見表1[3]。

表1 由Onera開發(fā)的盤合金名義成分

通過綜合考慮所有合金的力學(xué)性能、顯微組織穩(wěn)定性和耐蝕性等，在10種合金中選擇2種最優(yōu)合金，即14#合金（SMO48合金），該合金具有高抗拉伸和抗蠕變性能和良好的相穩(wěn)定性；22#合金（SMO43合金），該合金抗拉性能高。與14#合金相比，22#合金抗蠕變性能適中，但該合金γ'相含量較低，γ'相固溶溫度也較低。最終，SMO43合金申請了專利[4]，并命名為N19合金。

1.2 鍛坯試制

N19合金的粉末采用氬氣霧化方法制備，粉末根據(jù)N18粉末高溫合金的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)流程進行試制，包括篩分（≤53μm（270目）），包套裝粉和1150℃熱等靜壓（HIP）。等靜壓后進行熱擠壓變形，擠壓棒尺寸為φ70mm×700mm。N19的擠壓條件是根據(jù)Astroloy和N18上的經(jīng)驗確定的，擠壓溫度遠低于γ′固溶溫度（1070℃）。坯料熱擠壓（HEX）后，進行等溫鍛造（ITF），所得餅坯直徑為φ200mm。擠壓棒坯和等溫鍛后的餅坯如圖1所示[3]。

圖1 N19合金熱機械加工樣件

2 N19粉末高溫合金的顯微組織

2.1 熱變形后N19合金的顯微組織

經(jīng)過HIP+HEX+ITF后的N19合金的變形顯微組織如圖2所示[3，5-6]。γ基體晶粒組織均勻，平均晶粒尺寸約為3μm。一次γ′相粗大且與基體晶粒尺寸接近，尺寸為0.2μm～3μm，面積分數(shù)為25.3%。最大尺寸一次γ′相約為1μm～3μm，主要在晶界位置；0.2～0.8μm的γ′相主要分布在晶內(nèi)；晶內(nèi)更細小的γ′相（30nm～100nm）可通過透射電鏡暗場成像觀察到（如圖2（d）所示）。因此，該合金熱變形后具有γ+γ′相雙相組織特征。

圖2 經(jīng)過HIP+HEX+ITF后的N19合金變形顯微組織特征

2.2 熱處理對N19合金顯微組織的影響

DUMONT[5]對N19鍛件熱處理做了大量工作，通過掃描電子顯微鏡觀察法統(tǒng)計了大尺寸一次γ'相的含量隨固溶溫度的變化情況。不同固溶溫度下N19合金大尺寸一次γ'相回溶量的變化如圖3所示[5]。從圖4可以明顯看出，當(dāng)溫度越接近γ'相固溶溫度（1150℃）時，晶界處一次γ'相含量越少，晶粒尺寸越大。

圖3 不同固溶溫度下N19合金的顯微組織

圖4 不同熱處理工藝方法對N19合金γ'相形貌和尺寸的影響

晶內(nèi)的二次γ'相和三次γ'相對固溶溫度和冷速較敏感，DUMONT針對N19合金設(shè)計了5種過固溶處理工藝（如圖4所示）[5]，主要根據(jù)γ'相的溶解溫度和冷卻速度給出了不同工藝下晶內(nèi)γ'相的形貌和尺寸。試驗證實可以通過固溶處理的溫度和冷速調(diào)控N19合金中二次和三次γ'相的尺寸和分布。

3 N19粉末高溫合金的力學(xué)性能

N19合金與法國上一代N18與美國第二代粉末高溫合金Rene88DT室溫和高溫拉伸強度的對比見表2[3]。可以看出，在3個合金中，N19合金的室溫和高溫強度最優(yōu)異。屈服和抗拉強度提升的原因是N19合金在N18合金的基礎(chǔ)上添加了1at.%的Nb元素和1at.%的W元素（見表1）。Nb元素主要進入γ'相內(nèi)Al點位，能提高γ'相的反向疇界能，因此能進一步強化γ'相。而W元素既能進入γ基體，起到固溶強化的作用，又可以進入γ'相，起到同時強化γ基體和γ'相的作用。

表2 旋轉(zhuǎn)電極制備的粉末高溫合金拉伸性能對比

Rene88DT、N18和N19粉末高溫合金蠕變性能對比見表3。從表3中的蠕變結(jié)果可以看出，與Rene88DT和N18相比，N19合金在650℃～700℃下具有良好的抗蠕變性能。在650℃條件下，達到相同的蠕變應(yīng)變0.2%時，N19比N18合金的蠕變強度提高了約275MPa。在700℃/700MPa條件下，N19合金0.2%應(yīng)變的蠕變時間比N18合金延長了約46%。N18和N19合金的抗蠕變性能均遠優(yōu)于Rene88DT合金。

表3 Rene88DT、N18和N19粉末高溫合金蠕變性能對比

4 結(jié)語

法國新型粉末高溫合金N19是法國自主研發(fā)的最新合金，其合金成分設(shè)計思路與歐美系合金（如Rene95、Rene88DT、Rene104和RR1000）和俄系合金（EP741NP）具有根本區(qū)別。作為法國航空發(fā)動機渦輪盤的備選材料，N19合金表現(xiàn)出穩(wěn)定的顯微組織和優(yōu)異的力學(xué)性能。然而，N19合金化程度復(fù)雜，國內(nèi)、外對其報道較少，很多性能（耐氧化腐蝕性能、長時熱穩(wěn)定性和蠕變性能等）還沒有詳盡的數(shù)據(jù)，合金的變形機理尚不明確。一方面，該合金的開發(fā)思路可以為粉末高溫合金開發(fā)、設(shè)計和研究人員提供參考，另一方面可以深入研究該合金變形機理，必要時可通過成分改性進行二次開發(fā)，為我國粉末高溫合金的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。