精密铸造高温合金的应用与需求.pdf

第3 4 卷第3 期 2 0 1 4 年0 6 月 矿冶工程 皿N 耵呵GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G 眦E R 耵q G V 0 1 ．3 4 争b 3 J u n e2 0 1 4 精密铸造高温合金的应用与需求① 姜勇，李中权，张国伟，张旭亮，袁勇 上海航天精密机械研究所，上海2 0 1 6 ∞ 摘要介绍了国内外高温合金特别是单晶高温合金材料开发和制备方法的研究现状，综述了精密铸造高温合金在航空发动机、 地面燃机、火箭发动机、舰船和车辆等军用和民用领域的应用及需求情况。指出高温合金的研发事关国家安全与国计民生。 关键词高温合金；精密铸造；单晶合金；涡轮叶片 中图分类号T G l 3 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 “．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 3 1 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 3 一0 1 1 6 一0 3 D e m a n d sf o rP r e c i s e l yC a s t e dS u p e r a U o y sa n dT h e i rA p p l i c a t i o n s J I A N GY o n g ，ⅡZ h o n g - q u a n ，Z H A N GG u o - w e j ，Z H A N GX u l i a n g ，Y U A NY o n g s 而。憎九o i 却o c 够话mP 眦缸i o nJ | l 妃c 危讹秒R e s e 口r c hj 珊砌“抛，跏D 哪o i2 0 16 0 0 ，吼i 凡口 A b s t r a c t A ni n t r o d u c t i o nw a sm a d et ot h es t a t u s d e v e l o p m e n ta n dp r e p a r a t i o no fm a t e r i a l sf o rs u p e r a l l o y s ，e s p e c i a l l y s i n g l ec r y s t a Is u p e r a l l o y s ，a th o m ea n da b r o a d ．‘r h ea p p l i c a t i o n so fp r e c i s e l yc a s t e ds u p e r a l l o y si nc i V i la n dm i l i t a r y6 e l d s s u c ha sa e r o e n g i n e s ，g a st u r b i n ee n g i n e s ，r o c k e te n g i n e s ，s h i p sa n dv e h i c l e sw e r eo v e r v i e w e da sw e Ⅱa st h ed e m a n d s f b rt h es u p e r a n o y s ．I ti s p o i n t e do u tt h a tt h ed e v e l o p m e n to fs u p e r a l l o y sc o n c e m sb o t ht h en a t i o n a ls e c u r i t ya n dt h e n a t i o n a lw e l 曲ea n dp e o p l e ’sl i v e l i h o o d ． K e yw o r d s s u p e r a l l o y ；p r e c i s i o nc a s t i n g ；s i n g l ec r y s t a la l l o y ；t u r b i n eb l a d e 高温合金一般指能够在6 0 0 ℃以上高温长期使 用，承受较大复杂应力，具有较强表面稳定性的金属材 料。高温合金有多种分类方法，按基体元素主要可分 为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金屯o 。 按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉 末高温合金L 3 “J 。高温合金材料具有优良的耐高温、 耐腐蚀、抗疲劳等性能，主要用于制造航天飞行器、火 箭发动机、舰船用发动机、发电燃气轮机、汽车废气增 压器涡轮、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能 源转换装置。随着科技的进步，目前高温合金产品应 用领域越来越大，已开始逐步应用到汽车、冶金、玻璃 制造、医学等领域。 根据中国金属学会高温材料分会的预测，我国目 前高温合金材料每年需求超过2 万吨，市场容量超过 8 0 亿元，而我国高温合金材料的年生产量仅为1 万吨 左右，国内高温合金材料供不应求的现象明显，高温合 金企业面临巨大发展空间。预期未来1 0 年高温合金 需求每年增长1 5 ％，l o 年后高温合金材料需求量将超 过4 0 万吨，市场容量超过16 0 0 亿元。 1 高温合金材料 相对于铁基和钴基高温合金，镍基高温合金在现 代工业中使用最广泛，牌号最多，地位也最重要。镍基 高温合金是以N i c r 二元系为基体，加入c o 、M o 和W 等固溶强化、沉淀强化和晶界强化元素。目前世界 上的高温合金，特别是单晶高温合金材料的发展已 经历了4 代，如图1 所示。第1 代单晶高温合金 P w A l 4 8 0 、R e n e N 4 等在多种航空发动机上获得广泛应 用。2 0 世纪8 0 年代后期以来，以P w A l 4 8 4 、R e n e N 5 为代表的第2 代单晶高温合金叶片也在c F M 5 6 、 F 1 0 0 、F 11 0 、P w 4 0 0 0 等先进航空发动机上得到大量使 用，目前美国的第2 代单晶高温合金已成熟，并广泛应 用在军民用航空发动机上。2 0 世纪9 0 年代后期以 来，美国研制成功第3 代单晶高温合金c M s x 一1 0 。之 后，G E 、P W 以及N A S A 合作开发了第4 代单晶高温 合金E P M 一1 0 2 。法国和英国也分别研制单晶高温合 金，并实现了工程应用p 。0o 。 ①收稿日期2 0 1 3 1 2 2 3 作者简介姜勇 1 9 8 2 一 ，男，山东泰安人，高级工程师，工学博士，主要从事精密铸造和3 D 打印技术研究。 万方数据 第3 期 姜勇等精密铸造高温合金的应用与需求 年份 图l四代高温合金发展历程 我国高温合金的研究、生产和应用也经历了5 0 多 年的发展历程，从仿制到自主创新，产品质量不断提高， 逐步建立和完善了我国的高温合金体系。2 0 世纪8 0 年代初，中航工业航材院在国内率先研制成功了我国 的第1 代单晶高温合金D D 3 ，并在航空发动机涡轮叶 片上成功应用，2 0 世纪9 0 年代又研制成功了的第2 代单晶高温合金D D 6 ，该合金各项性能均达到或接近 了国外广泛应用的第2 代单晶合金的性能水平，已经 被我国某在研发动机高压涡轮叶片选用。总体上讲， 我国铸造高温合金的用量约为5 0 0 ～6 0 0 ∥a ，远小于英 美国家。国内高温合金材料，特别是单晶高温合金材 料的冶金质量水平还较低，主要表现在材料的纯净度 低，合金性能波动大，对原材料和高温材料杂质和气体 含量的要求不够严格，影响到合金性能及其稳定。 2 精密铸造高温合金的应用 2 ．1 航空发动机 高温合金是在2 0 世纪4 0 年代随着航空喷气发动 机的需要而发展起来，半个多世纪以来，发动机涡轮温 度从7 3 0 ℃提高到16 7 7 ℃，推重比从3 提高到1 0 ，带 动了发动机高温合金材料的快速增长和制备技术的不 断进步。目前世界上商用和军用航空发动机市场基本 被通用、罗罗、普惠等几家国际巨头垄断。相对于军用 发动机，民用飞机发动机由于长寿命、高可靠性的使用 要求，对叶片等配件的循环参数要求比军机还高。叶 片从材料上要求为单晶结构，同时为进一步提高使用 温度和可靠性，结构上大量采用级联、双层壁等更有利 于散热的复杂结构。由于我国在材料冶金、铸造和压 力加工等工艺技术上的差距，无论是2 0 1 6 年将要投入 使用的c 9 1 9 干线大飞机，还是A 砌2 1 支线客机，配装 的都是进口发动机。铸造高温合金是指由合格的母合 金重熔后直接浇注或定向凝固成零件毛坯或零件的高 温合金。按凝固方法可分为精密铸造等轴晶高温合 金、定向凝固柱状晶高温合金和单晶高温合金。采用 定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒，消除垂直 于应力方向的晶界，可使材料承温提高2 0 ～2 5 ℃，热 疲劳寿命提高1 0 倍以上。单晶叶片承温能力在柱状 晶产品上又可提高2 0 ～2 5 ℃，寿命增加4 倍。8 1 。目 前，几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特 色，正在研制中的推重比为1 0 的发动机F 1 1 9 美 ， E J 2 0 0 英、德、意、西 ，M 8 8 2 法 ，P 2 0 0 0 俄 以及其 他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。国 内于2 0 世纪8 0 年代初开始进行单晶合金的研制，在 单晶材料及无余量精铸涡轮叶片研制方面已经取得重 要进展，我国逐渐掌握了单晶及单晶涡轮叶片铸造技 术，但我国单晶叶片精铸件毛坯合格率比较低，发达国 家的空心定向叶片和单晶的合格率可达到7 0 ％一 9 0 ％，而国内同类叶片铸件毛坯合格率一般不超过 1 5 ％。 2 ．2 地面发电燃气轮机 燃气轮机的研制技术一直被美国通用、日本三菱、 德国西门子和法国阿尔斯通等跨国巨头垄断。而从国 内目前正在运行的重型燃机看，我国发电设备制造业 目前还不具备燃机整机自主制造能力和热端部件的维 修和制造能力。国外对此项技术严格保密，严重制约 我国重型燃气轮机的发展。我国生产的燃气轮机可分 为两类一是引进型，二是自主研发型。引进型燃机热 端部件全部进口，重型燃气叶片产品进口价格为1 0 亿 形吨，该部分成本占整台燃气轮机的2 5 ％一3 0 ％。同 时还会签订对应服务合同，配件全部由原厂商提供。 同时国外公司在出售维护燃机热端部件的同时会要求 签署补充设备维护协议，保修期内 一般为l O 年 的 配件需全部采用原装配件，该部分价值可能比设备本 身还高。由华清公司牵头的我国自主研发的7 0 M W 级燃气轮机目前处于施工期设计阶段，预计2 0 1 5 年出 样机。中航工业黎明公司研发的具有自主知识产权的 1 1 0 M w 级R 0 1 1 0 重型燃气轮机通过试验验证了设计 状态。沈阳世新，黎阳发动机等公司也利用原有航空 发动机研制的优势进行航改燃小型燃机的研制。 2 - 3 火箭发动机 高温合金是火箭发动机的关键材料，我国长征系 列火箭发动机的核心部分都采用了高温合金材料。其 它在各种导弹和无人机上，高温合金无余量精密铸件 也广泛用于小型涡轮发动机，如整铸涡轮转子、导向 器、增压器涡轮、尾喷口调节片等。国外长程大推力火 箭发动机采用I n c o n e l 7 1 8 合金制造高压导管，国内研 制的G H l 6 9 合金管的疲劳寿命约为1 C r l 8 N i 9 T i 钢管 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 的3 倍以上，具有良好弯管和焊接等工艺性能，还可用 于发动机涡轮转子和主铀。G H 3 0 金丝网多孔发散冷 却材料用于火箭发动机、制作喷注器面板，既作防热材 料又作结构材料使用。G H l 3 1 铁基高温合金旋压管 用于大型液体火箭发动机涡轮燃气进气导管，还用于 9 0 0 ～10 0 0 ℃使用的大型火箭发动机燃烧室、隔热板、 涡轮进气导管，以及航空发动机的加力燃烧室、鱼鳞片 等。G H l 8 8 A 合金与国际上最高强化型- 钴基变形合 金H s 一1 8 8 相当，用于液体火箭姿态控制器发动机头 部与身部结合处的高温弹性密封件。 2 ．4 舰船 舰船使用的动力主要有蒸汽轮机、柴油机、核动 力、燃气轮机和联合动力装置。燃气轮机具有蒸汽轮 机和柴油机不可比拟的优势，是近年来迅速发展起来 的新型动力装置，得到广泛应用，已成为世界上军用舰 艇的主力动力系统。美、英、苏、德、日等国在2 0 世纪 7 0 年代以后建造的大、中、小型水面舰艇的主动力绝 大部分采用全燃气轮机动力装置或柴油机．燃气轮机 联合动力装置，使船舰总功率得到大幅提高。比如世 界上使用最广泛的舰用燃气轮机美国G E 公司的 L M 2 5 0 0 型就是由T F 3 9 航空涡扇发动机改造的。我 国燃气轮机的技术较为落后。我国有6 艘驱逐舰使用 了燃气轮机动力系统，但均是国外产品。其中2 0 0 6 年 底服役的“沈阳号”和“石家庄”号使用的仍是蒸汽动 力，成为2 1 世纪唯一使用蒸汽动力的新一代主力战舰。 2 ．5 车辆 目前内燃机机车或汽车等民用运输工具使用的涡 轮增压器选用的是细晶等轴晶高温合金叶片。内燃机 机车主要是由北车集团生产，每辆机车两台高温合金 内燃机涡轮增压，目前大连机车研究所已具备生产能 力。汽车用增压涡轮叶片采用等轴晶高温合金，目前 国内已有数家公司在研制生产，年产量可达几万件。 在战车领域，目前世界上只有美国将燃气轮机作为主 战坦克动力，美M 1 型系列坦克均装配了小型燃气轮 机作为动力，效率高、启动快、马力大。俄罗斯也曾列 装了一批燃气轮机动力坦克，但在使用中燃机故障率 极高，最终放弃了该方案。南方动力研制了一批坦克 用燃气轮机并进行了装车试验，目前军方对坦克动力 装置采用的是往复式柴油发动机。 3 精密铸造高温合金的研究与生产 高温合金材料制造行业由于具有技术含量高、加 工工艺复杂、产品可靠性要求高等特点，属于高壁垒行 业。因此从事高温合金材料生产的企业数量有限，行 业竞争格局非常稳定。 国内现从事高温合金材料生产的企业主要是基于 国家在计划经济时期规划的高温合金生产基地和研发 基地两大类，一类是以抚顺特钢、上海宝钢、长城特钢 等特钢企业为主体的变形高温合金基地和以航空发动 机制造公司精密铸造厂为主体的铸造高温合金生产基 地，另一类是以中国科学院沈阳金属研究所、北京航空 材料研究院和中国钢研科技集团公司等为代表的研究 基地，在实行市场经济以后，由研发向自主生产转型的 企业。国内高温合金行业规模型企业也仅十几家，代 表的有钢研高纳、沈阳中科三耐新材料、北京航空材料 研究所等。 在高温合金产品领域，主要厂家基本上都瞄准了 高端产品叶片，国际上单晶叶片供货商仅3 家瑞士、 英国和美国各一家，国内北京航空材料研究所和中航 工业贵州新艺机械厂在航空单晶高温合金制备上开展 了大量工作。无锡透平叶片有限公司、无锡永瀚叶片 厂、丹阳叶片厂、中国钢研科技集团公司和哈尔滨汽轮 机厂也分别生产应用于航空、航天、舰船和燃机的叶 片。上海大学高温合金叶片研究中心试制成功了F 级重型燃气轮机涡轮高温叶片，研制出西门子重载燃 气轮机V 9 4 ．3 A 涡轮第2 、3 级空心柱状晶动叶片样品。 4 结语 我国在高温合金技术水平与生产规模方面，与美 国、俄罗斯等国仍有着较大差距。伴随着我国航空航 天产业的发展，以及军工、发电领域的高速发展的需 要，高温合金材料在供应上将存在无法满足应用需求 的情况，同时对我国高温合金制造企业的研发能力、装 备水平以及生产更高性能高温合金材料的实力提出了 更高的要求。目前航空发动机及燃气轮机的核心部件 技术基本掌握在欧美、日本等国，并垄断了国际市场的 供应，我国对这些核心部件主要依赖于进口，因此，发 展核心部件的自主研发，是推动国家基础技术发展的 战略要求。 据悉，继“十一五”期间，中央财政投资4 0 0 亿确 定的科技部1 6 个重大专项后，科技部预计将于2 0 1 4 年增加第1 7 个重大项目，即飞机发动机及重型燃气轮 机项目。由此可见，飞机发动机及重型燃气轮机的自 主技术研发将提升到国家战略发展高度，而高温合金 材料作为航空航天发动机及燃气轮机的核心材料，我 国高温合金材料将进入全新的发展阶段。不突破现代 燃气轮机高温涡轮叶片及其制造等关键技术，我国的 大飞机、航母、未来主战坦克和地面燃机等事关国家安 全和国计民生的重大工程均将受制于人。 下转第1 2 3 页 万方数据 第3 期宋字峰等泡沫铝三明治结构材料的制备及其组织性能分析 1 2 3 图7 胶粘法制备的泡沫铝三明治结构材料及其高温失效外观 样品编l j 。 图8 钎焊和胶粘粘结法制备泡沫铝三明治结构材料剪切强度 3 结论 1 采用钎焊的方法，可以制备结构性能良好的泡 沫铝三明治结构材料。 2 面板与夹心层连接过渡良好，s i 浓度在焊接层 附近呈现阶梯状分布并生成A l s i 等相对焊接层，起 到强化作用。 3 实验分析了工艺参数对泡沫铝三明治结构材 料性能的影响，得到了焊接温度是最重要的实验因素， 最佳工艺为焊接温度6 4 0c C ，焊接时间1 5m i n ，去应 力退火温度4 0 0 ℃，去应力退火时间3 0m j n 。 4 采用胶粘粘结法制备的样品在4 0 0 ℃下失效。 参考文献 [ 1 ]z h 叫J ，s h m t r i y aP ，s o b o y e j ow0 ．M e c h a r I i s m sa I l dm e c h a I l i c s0 f c o m p r e s s i v ed e f b 瑚a t i o ni n 叩e n - c e uA lf o a 眦[ J ] ．M e c h a I l i c so fM a t e r i 8 1 s ，2 0 0 4 ，3 6 8 7 8 卜7 9 7 ． [ 2 ] “uJ i a 一锄，Y uS i - m n g ，z h ux i a n - y o n g ，e ta 1 ．n ec o m p r e 翳i v ep m p e r ’ t i e s o fc l o s e d c e uz n 一2 2 A lf 0 锄s [ J ] ．M a t e r i a l sk t t e 璐，2 0 0 8 ，6 2 4 6 8 3 6 8 5 ． [ 3 ] L i uJ i a a l l ，Y us i m n g ，z h ux i 8 J 1 一y o n g ，e t a l ．D y l l 锄i cc o m p r e 鹊i V e s t r e n g 山z n 一2 2 A l 缸皿s [ J ] ．J o u m a lo fA j l o y s 粕dC o m p o u n d s ， 2 0 0 9 ，4 7 6 1 4 6 6 ～4 6 9 ． [ 4 ]z h i r n i n gD u ，G 趴gc H E N ，J u nu u ，e ta 1 ．T e n s i l ep p 叩e r t i e 80 f 鹊一 d e f o 唧e d2 A 5 08 l u I I l i n u ma l l o yi ns e m i s o l i ds t a t e [ J ] ．T h n 铺c t i o n so f N o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t y0 fC h i n a ，2 0 1 0 ，2 0 9 1 5 9 7 一1 6 0 2 ． [ 5 ]H a i - j u nY u ，G u 锄g _ c h u nY A 0 ，Y i - h 蛐u U ．T e n s i l ep 唧e n y0 f A l - s ic l o s e d ．c e ua l u I I l i n u mf 妇l [ J ] ．T r 粕阻c t i o n so fN 伽如n n u sM e t a l s s o c i e t y0 fC h i n a ，2 0 0 6 ，1 6 6 1 3 3 5 一1 3 4 0 ． [ 6 ]c a d ycM ，G r a yI ⅡGT ，b uc ，e ta 1 ．c o m p r e 鹤i v ep m p e m e s0 fa c l o ∞d - c e ua l u I n i n u mf o 锄鹄af u n c t i o no fs 嘶nm t e 姐dt e m p e m t u I e [ J ] ．M a t e r i a l ss c i e n c e8 I l dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，5 2 5 1 卜6 ． [ 7 ] M 0 h 锄e ds h e h a bA l y ．B e h 撕o r0 fc l o s e dc e ua l u m i n i u mf o a 吣印o n c o m p r e s s i v et e s t i n ga te l e V a t e dt e m p e m m 阳s E x p e r i m e n t a lr e s I l l t s [ J ] ． M a 上e r i a l sL e t t e 碍，2 0 0 7 ，6 l 1 4 3 1 3 8 3 1 4 1 ． [ 8 ]c n l p iV ，M ∞t a I l i n iR ．灿u m i n i u mf 0 锄s a I l d w i c h e sc o u 印∞m o d e s u n d e rs t a l i c 蛐dd y T l a m i c 吐I r e e p o i n tb e n d i n g [ J ] ．I I l tJ I m p a c tE n g ， 2 0 0 7 ，3 4 3 5 0 9 5 2 1 ． [ 9 ]张敏，祖国胤，姚广春，等．泡沫铝夹心板的制备及其界面结合 机理的研究[ J ] ．功能材料，2 0 0 6 ，3 7 2 2 8 卜2 8 3 ． [ 1 0 ]张敏，祖国胤，姚广春，等．泡沫铝夹心板的制备及泡沫孔的研 究[ J ] ．东北大学学报，2 0 0 6 ，2 7 5 5 1 7 5 1 9 ． [ 1 1 ] 梁晓军，朱勇刚，陈锋，等．泡沫铝三明治结构的制备[ J ] ．江 苏冶金，2 0 0 4 ，3 2 1 8 1 1 ． [ 1 2 ] 王录才，陈玉勇，游晓红，等．三明治复合结构泡沫铝的制备及界 面组织分析[ J ] ．粉末冶金技术，2 0 1 0 ，2 8 6 4 3 4 4 3 8 ． [ 1 3 ]H 锄s 一脚gs ．M a I I u 缸t u r eo fa l u r n i n 岫f o 锄p r o d u c t i 彻u s i n g r e 8 l - 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