高溫合金的應(yīng)用

有研究表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金占高溫合金總需求一半以上，此外還廣泛應(yīng)用于電力、汽車、機(jī)械等行業(yè)中。

（一）航空發(fā)動(dòng)機(jī)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量高、難度大的部件之一。作為飛機(jī)動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中高的性能要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步與高溫合金的發(fā)展密切相關(guān)，高溫合金是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的尤為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。提高推重比直接和的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟?。因此高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著航空裝備的不斷升級(jí)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重的要求比不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高性能高溫合金材料的依賴越來越大。

在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%-60%。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常以其推重比的大小來綜合判定發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。提高推重比直接、的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃?xì)鉁囟取?/p>

燃燒室

燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮?，是?dòng)力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動(dòng)，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。

用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結(jié)構(gòu)鋼；其中用量大、尤為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統(tǒng)的高溫合金板材受限于合金的熔點(diǎn)的限制，現(xiàn)在基本已經(jīng)達(dá)到其極限使用溫度，難以進(jìn)一步發(fā)展。要使燃燒室用高溫合金材料進(jìn)一步發(fā)展，必須研究全新的材料基體和材料制備工藝。目前國際在研的新材料有碳/碳復(fù)合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強(qiáng)化合金、金屬間化合物、高溫高強(qiáng)鈦合金等。

導(dǎo)向葉片

導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃?dòng)方向的部件，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。

在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金。

渦輪盤

渦輪盤在四大熱端部件中所占大。渦輪盤工作時(shí)，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個(gè)部件的溫差大；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)承受重大的離心力；啟動(dòng)和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。

用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量大、應(yīng)用范圍*的一個(gè)主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，對(duì)渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)使其成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進(jìn)一步研制中。

渦輪葉片

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境，渦輪葉片在承受高溫同時(shí)要承受很大的離心應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、熱應(yīng)力等。

用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應(yīng)用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀(jì)80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行使用。

（二）航天發(fā)動(dòng)機(jī)

航天發(fā)動(dòng)機(jī)中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動(dòng)態(tài)載荷和特殊戒指的考驗(yàn)，因此對(duì)材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)大的比重，在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術(shù)的發(fā)展直接影響航天發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平。

航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金，但航天發(fā)動(dòng)機(jī)材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動(dòng)機(jī)上一直沒有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。隨著航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、多位一體、無余量的趨勢(shì)。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。

我國的“長征”系列火箭以及“神舟”系列飛船，發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部分都采用了高溫合金材料。目前，航天領(lǐng)域使用的液氧煤油和液氧液氫航天運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)、小型渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)定型，并開始批量生產(chǎn)，國內(nèi)對(duì)航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長，進(jìn)入一個(gè)新的增長期。

（三）民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用