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高温合金在航空发动机领域的应用现状与发展

高温合金在航空发动机领域的应用现状与发展

航空工业的发展主要体现在航空涡轮发动机的设计、制造工艺和生产技术是否达到先进水平,能否生产出先进航空发动机体现着国家科技程度、军事力量和综合国力。现代先进航空发动机必须满足超高速、大升限、长航时、远航程的要求,因此,航空涡轮发动机推力势必增大,燃烧室的温度随之升高,航空发动机的工作性能和可靠性主要取决于其零部件能否有效承受热冲击、高温腐蚀、高热变和复杂应力。为达到航空发动机在高温环境下可靠运行的目的,航空零部件大量使用高温合金制造,以此保证航空发动机在高温工作时的安全性和各项性能达标。本文主要介绍现代先进航空发动机的制造材料、内部构造及加工特点和高温合金在航空工业领域的发展过程与研究应用的现状,综合目前国内航空发动机的发展近况,对中国航空发动机先进高温合金的发展提出建议。

1 航空发动机制造材料、内部构造及加工特点

衡量一款先进航空发动机的性能是否优越,其推力和推重比大小是关键之一,因此,现代航空发动机大量采用轻量化、整体化结构。航空发动机的零部件制造普遍使用高温钛合金、镍基高温合金等材料,由于航空发动机的制造材料和内部构造复杂等特点,先进航空发动机的制造工艺难度主要表现在制造材料加工困难、内部构造复杂、加工精度要求高等方面。

(1)制造材料加工

航空发动机的主要高温零部件普遍使用高温钛合金和其他高温合金材料制造,这类材料拥有很高的热硬度、热强度和动态切变强度,加工十分困难,加工过程中容易导致刀具与工件产生剧烈磨损,降低工件表面加工质量和表面完整性。为保证航空发动机工作时零部件的性能和安全,其核心转子部件通常使用整体锻造毛坯生产,导致加工过程中材料切除率超过90%。因此,现代航空工业致力于改善航空发动机零部件制造过程中的加工精度、加工工艺和表面完整性。

(2)内部构造

现代航空发动机采用轻量化结构以增加工作效率,其零部件普遍设计为复杂曲面和高效率结构整体,因此航空发动机零部件的制造需要更加先进的制造工艺和制造设备。大涵道发动机内部结构尤其复杂,以现有的制造工艺与制造设备无法生产出符合要求的零部件。因此,面对复杂的零件构造,在现有基础上应积极研究先进制造工艺和先进制造技术,提高复杂航空零部件的制造水平并有效控制制造成本。

(3)加工精度

航空发动机的工作性能和运行安全性取决于其零部件的精度,因此航空发动机零部件制造要求极高的加工精度。由于航空发动机制造材料加工困难、内部构造复杂,目前的加工工艺无法满足其高精度制造的要求,导致国产航空发动机零部件一致性差、合格率低等问题,生产工艺的落后极大地阻碍了我国先进航空发动机的研制进度。

为了保证先进航空发动机的推力、推重比以及可靠性,生产过程中普遍采用大量高温合金,内部构造复杂,零部件加工精度要求十分苛刻,使得航空发动机的生产制造需要更加先进的制造工艺和设备。为了达到新一代航空发动机的性能提升、轻量化结构的目的,制造技术与制造材料起着关键作用。

2 高温合金在航空发动机领域的发展过程

我国在高温合金领域的研发已有60年,根据2012年出版的《中国高温合金手册》,列入高温合金牌号205个,成为继美、英、俄后第四个拥有自主高温合金体系的国家,使我国航空发动机的生产和发展逐渐突破了高温合金材料的瓶颈。

我国高温合金的研发始于1956年,经过前苏联专家的指导,我国生产了高温合金GH3030。1960年后,前苏联专家撤华,我国需要自主研发一批新型高温合金材料来满足当时在研航空发动机WP-5、WP-6、WP-7和WP-8的性能需求,因此,我国自主的高温合金生产工厂和研究基地陆续成立并完善,同时装备了完整的生产、检测和科研仪器设备。起初我国主要仿制生产了一系列前苏联高温合金,如GH4033、GH4037、GH4049、GH2036、GH3030、GH3039、GH3044、K401、K403和K406等,同时自主研制出一系列铁镍基高温合金,如GH1140、GH2135、GH2130、GH2302等。

1964年,我国在研制WP-7发动机时,为了达到涡轮前温度提高100℃的需求,研发了低密度、高强度镍基铸造高温合金K417,并在此后30多年使用该高温合金累计生产41万片空心铸造涡轮叶片装备WP-6、WP-7航空发动机,这类发动机在服役期间未曾发生重大事故,证明了K417的可靠性。

20世纪70年代初至90年代初,在研制新型高温合金用以装备WS-9、WZ-6、WZ-8等发动机的过程中,我国引进了一系列欧美国家的先进高温合金与制造技术,并按照国外的技术标准进行自主研发生产,极大提高了材料综合性能。在此过程中,我国的生产工艺取得进步,同时建立并完善了高温合金质量管理体系,并成功研发了一系列高性能变形合金、铸造合金、定向凝固及单晶合金。

20世纪90年代初至21世纪初,我国各型号军机发动机面临更新换代,第三代战斗机和某型无人机研制项目启动,各项先进航空发动机研发项目提上日程,包括WP-14、WS-9、WS-10等。因此,我国研发了一批满足以上航空发动机性能要求的新型高温材料,并在研发过程中建立和完善了旋转电极制粉工艺粉末高温合金生产线,研制了粉末涡轮盘材料FGH4095和FGH4096;采用机械合金化工艺技术,研制了氧化物弥散强化高温合金MGH4754和FGH2756;研制了第一代、第二代单晶高温合金DD3、DD402、DD408、DD406等,新型定向凝固柱晶合金DZ4125、DZ4125L、DZ604M、DZ417G,低膨胀系数合金GH2907、GH2909以及耐热腐蚀高铬合金GH4648等。在这一阶段,GH2132、GH4169、GH738、GH4141、GH605、GH706等多种高温合金被用于各型涡扇发动机制造。

回顾我国60年高温合金发展历史,可见,航空发动机性能指标的提高推动着新型高温合金的发展。

3 高温合金在航空发动机领域的应用现状

21世纪初至今,为应对复杂的国际环境和加强国防建设,我国航空工业开展了一系列新型航空器的研制工作,其中包括第四代战斗机项目、航空母舰舰载机项目、新一代远程战略轰炸机项目、通用型中型直升机项目与军用大型运输机项目。为了达到上述航空器整机国产化、脱离受制进口俄制发动机的目的,我国同时开展了一批先进航空发动机的研制工作,其中包括WS-12、WS-13、WS-14、WS-15、WS-17、WS-18、WS-20等一系列发动机。为了达到先进航空发动机超高速、大升限、长航时、远航程的要求,燃烧室温度进一步升高,现有高温合金制造的零部件无法满足先进航空发动机的性能要求,因此,新型高温合金的研发与生产是我国先进航空发动机制造的关键之一。

(1)第三代单晶高温合金DD9

现代先进航空发动机对于叶片的制造材料有极高的要求,因此,我国自主研发了第三代单晶高温合金DD9。DD9单晶高温合金以Ni为基,由Co、W、Ta、Al、Cr、Mo、Re、Nb、Hf、C等合金元素组成。实验表明,DD9单晶高温合金的熔化温度范围达到1360℃-1411℃,因为DD9中含有较多W、Mo、Ta、Re等高熔点元素,显著提高了DD9在高温环境下的拉伸性能。在980℃以上的高温条件下,DD9合金表现出很高的屈服强度;在1100℃的高温条件下,DD9合金表现出的屈服强度更加显著。目前,DD9主要应用于太行改进型发动机的叶片制造。

(2)新一代600℃高温钛合金TA29

由北京航空材料研究院研发的新一代600℃高温钛合金TA29在620℃仍具有良好的蠕变抗力,满足其他性能指标的同时,可在620℃高温环境下长时间使用。TA29高温钛合金由Ti、Al、Sn、Zr、Nb、Ta、Si、C等元素组成,其主要成分特点是通过Nb与Ta元素进行合金化,以此达到固溶强化增强的作用,由此提高了TA29在高温环境下的抗氧化能力,并提高了其热稳定性。TA29经过成分控制后拥有低Fe低O的成分特点,因此,TA29拥有较好的高温蠕变性能。此外,TA29在750℃-800℃高温环境下拥有较高的抗拉强度。

(3)优质GH4738合金

在GH4738合金及其盘锻件研制的基础上,通过优化冶炼工艺、成分控制、开坯工艺、锻造工艺及热处理工艺,成功研制了满足航空发动机盘锻件要求的GH4738合金,并命名为优质GH4738合金。优质GH4738的合金成分与普通的GH4738的合金成分最显著的区别在于其具有低碳、高Al高Ti、低S低O的特点。受成分特点影响,优质GH4738合金的强度、合金纯净度显著提高。通过优化GH4738合金的开坯工艺、锻造工艺及其热处理工艺,优质GH4738合金航空涡轮盘的组织得到有效控制,使得其盘体部分晶粒度普遍达到ASTM8-9级,轴部晶粒度更是达到了ASTM5级甚至更细,实现了对合金力学性能的提升。

小结

目前我国的高温合金产业正处于高速发展阶段,无论在军事领域或是民用领域,高温合金都有广泛应用,尤其在航空航天领域起着关键作用。我国目前自主设计制造的航空发动机与俄罗斯和欧美国家生产的航空发动机性能上仍然存在较大差距。通过分析航空发动机的发展趋势,高温合金必定向着低成本、高强度、高抗热腐蚀性、低密度的方向发展。综合我国目前航空发动机高温合金的研究发展状况提出以下建议:

(1)在现有工艺基础上,继续改善高温合金在各温度下的承受载荷能力,进一步延长合金工作寿命。应进一步加大对高温合金领域的科研资金投入,研发新型高温合金,使其具有更加优异的关键性能,致力于提高其表面耐高温的能力,使高温合金材料的适用范围进一步涉及到更多领域。

(2)开发低密度单晶高温合金,航空发动机对动叶片工作时具有非常大的离心力,因此,低密度合金有助于改善发动机性能。积极借鉴国外的先进生产工艺、生产技术,在此基础上探索研发新工艺、新技术,降低高温合金材料的生产成本。

原载《工具技术》 作者:秦琴

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