航空航天材料

航天用特殊材料加工技术论文学校：上海第二工业大学

学院：机电工程学院

专业：机械工程及自动化

指导老师：李学磊

班级：11机自A1

学号：20114810336

姓名：潘磊涡轮叶片镍基高温合金、零件的结构特点工作叶片的外型结构由叶身、缘板、过渡段、榫齿等组成，内型结构包括横向肋、纵向肋、找流柱和积叠轴。导向叶片由外缘板、叶身和内缘板构成。涡轮是处于燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室中产生的高温高压燃气首先经过燃气导向叶片，此时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮工作叶片。涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位。在涡轮发动机中叶片无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀，以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作。涡轮叶片是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。目前航空发动机涡轮叶片都采用空心结构。就是在涡轮叶片上设计了很多细小的管道，可以使高压冷空气通过这些管道流经高温叶片，起到强制冷却作用，以提高涡轮的耐热性能。为了提高航空发动机中燃气涡轮的效率，增加航空发动机推重比，就必须提高发动机燃烧室出口燃气温度也即涡轮前的进口温度。也就必须提高涡轮叶片(导叶+动叶)的高温性能。为此，人们在涡轮叶片设计、高温材料的研制、冷却方法研究及表面涂层等方面作了大量的工作。、材料的发展过程、分类、性能、组织发展过程竦基高温合金(以下简称竦基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出竦基合金Nimonic75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出竦基合金。竦基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的竦基合金创造了条件。初期的竦基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结品和单品高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铭竦基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，竦基合金的工作温度从700°C提高到1100C，平均每年提高10C左右。竦基高温合金的发展趋势见图1。31瞄本用类别变形高温合金变形高温合金是指可以进行热、冷变形加工，工作温度范围-253—1320C,具有良好的力学性能和综合的强、韧性指标，具有较高的抗氧化、抗腐蚀性能的一类合金。按其热处理工艺可分为固溶强化型合金和时效强化型合金。1、固溶强化型合金使用温度范围为900—1300C,最高抗氧化温度达1320^。例如GH128合金，室温拉伸强度为850MPa、屈服强度为350MPa;1000C拉伸强度为140MPa、延伸率为85%,1000C、30MPa应力的持久寿命为200小时、延伸率40%。固溶合金一般用于制作航空、航天发动机燃烧室、机匣等部件。2、时效强化型合金使用温度为-253—950C,一般用于制作航空、航天发动机的涡轮盘与叶片等结构件。制作涡轮盘的合金工作温度为-253—700C,要求具有良好的高低温强度和抗疲劳性能。例如：GH4169合金，在650C的最高屈服强度达1000MPa;制作叶片的合金温度可达950C，例如：GH220合金，950C的拉伸强度为490MPa，940C、200MPa的持久寿命大于40小时。变形高温合金主要为航天、航空、核能、石油民用工业提供结构锻件、饼材、环件、棒材、板材、管材、带材和丝材。铸造高温合金是指可以或只能用铸造方法成型零件的一类高温合金。其主要特点是：具有更宽的成分范围由于可不必兼顾其变形加工性能，合金的设计可以集中考虑优化其使用性能。如对于镣基高温合金，可通过调整成分使^含量达60%或更高，从而在高达合金熔点85%的温度下，合金仍能保持优良性能。具有更广阔的应用领域由于铸造方法具有的特殊优点，可根据零件的使用需要，设计、制造出近终形或无余量的具有任意复杂结构和形状的高温合金铸件。根据铸造合金的使用温度，可以分为以下三类：第一类：在-253-650C使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在很大的范围温度内具有良好的综合性能，特别是在低温下能保持强度和塑性均不下降。如在航空、航天发动机上用量较大的K4169合金，其650C拉伸强度为1000MPa、屈服强度850MPa、拉伸塑，性15%;650C，620MPa应力下的持久寿命为200小时。已用于制作航空发动机中的扩压器机匣及航天发动机中各种泵用复杂结构件等。第二类：在650-950C使用的等轴晶铸造高温合金这类合金在高温下有较高的力学性能及抗热腐蚀性能。例如K419合金，950C时，拉伸强度大于700MPa、拉伸塑性大于6%;950C，200小时的持久强度极限大于230MPa。这类合金适于用做航空发动机涡轮叶片、导向叶片及整铸涡轮。第三类:在950-1100C使用的定向凝固柱晶和单晶高温合金这类合金在此温度范围内具有优良的综合性能和抗氧化、抗热腐蚀性能。例如DD402单晶合金，1100C、130MPa的应力下持久寿命大于100小时。这是国内使用温度最高的涡轮叶片材料，适用于制作新型高性能发动机的一级涡轮叶片。随着精密铸造工艺技术的不断提高，新的特殊工艺也不断出现。细晶铸造技术、定向凝固技术、复杂薄壁结构件的CA技术等都使铸造高温合金水平大大提高，应用范围不断提高。粉末冶金高温合金采用雾化高温合金粉末，经热等静压成型或热等静压后再经锻造成型的生产工艺制造出高温合金粉末的产品。采用粉末冶金工艺，由于粉末颗粒细小，冷却速度快，从而成分均匀，无宏观偏析，而且晶粒细小，热加工性能好，金属利用率高，成本低，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。FGH95粉末冶金高温合金，650C拉伸强度1500MPa;1034MPa应力下持久寿命大于50小时，是当前在650^工作条件下强度水平最高的一种盘件粉末冶金高温合金。粉末冶金高温合金可以满足应力水平较高的发动机的使用要求，是高推重比发动机涡轮盘、压气机盘和涡轮挡板等高温部件的选择材料。氧化物弥散强化(ODS)合金是采用独特的机械合金化(MA)H艺，超细的小于50nm)在高温下具有超稳定的氧化物弥散强化相均匀地分散于合金基体中，而形成的一种特殊的高温合金。其合金强度在接近合金本身熔点的条件下仍可维持，具有优良的高温蠕变性能、优越的高温抗氧化性能、抗碳、硫腐蚀性能。目前已实现商业化生产的主要有三种ODS合金：MA956合金在氧化气氛下使用温度可达1350^，居高温合金抗氧化、抗碳、硫腐蚀之首位。可用于航空发动机燃烧室内衬。MA754合金在氧化气氛下使用温度可达1250^并保持相当高的高温强度、耐中碱玻璃腐蚀。现已用于制作航空发动机导向器蓖齿环和导向叶片。MA6000合金在1100°C拉伸强度为222MPa、屈服强度为192MPa；1100°C,1000小时持久强度为127MPa,居高温合金之首位，可用于航空发动机叶片。金属间化合物高温材料金属间化合物高温材料是近期研究开发的一类有重要应用前景的、轻比重高温材料。十几年来，对金属间化合物的基础性研究、合金设计、工艺流程的开发以及应用研究已经成熟，尤其在Ti-Al、Ni-Al和Fe-Al系材料的制备加工技术、韧化和强化、力学性能以及应用研究方面取得了令人瞩目的成就。Ti3Al基合金(TAC-1)，TiAl基合金(TAC-2)以及Ti2AlNb基合金具有低密度(3.8〜5.8g/cm3)、高温高强度、高钢度以及优异的抗氧化、抗蠕变等优点，可以使结构件减重35〜50%。Ni3Al基合金，MX-246具有很好的耐腐蚀、耐磨损和耐气蚀性能，展示出极好的应用前景。Fe3Al基合金具有良好的抗氧化耐磨蚀性能，在中温(小于600C)有较高强度，成本低，是一种可以部分取代不锈钢的新材料。环境高温合金在民用工业的很多领域，服役的构件材料都处于高温的腐蚀环境中。为满足市场需要，根据材料的使用环境，归类出系列高温合金。1、高温合金母合金系列2、抗腐蚀高温合金板、棒、丝、带、管及锻件3、高强度、耐腐蚀高温合金棒材、弹簧丝、焊丝、板、带材、锻件4、耐玻璃腐蚀系列产品5、环境耐蚀、硬表面耐磨高温合金系列6、特种精密铸造零件(叶片、增压涡轮、涡轮转子、导向器、仪表接头)7、玻棉生产用离心器、高温轴及辅件8、钢坯加热炉用钻基合金耐热垫块和滑轨9、阀门座圈10、铸造“形电阻带11、离心铸管系列12、纳米材料系列产品13、轻比重高温结构材料14、功能材料（膨胀合金、高温高弹性合金、恒弹性合金系列）15、生物医学材料系列产品16、电子工程用靶材系列产品17、动力装置喷嘴系列产品18、司太立合金耐磨片19、超高温抗氧化腐蚀炉辊、辐射管。成分和性能竦基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是竦基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物Y'[Ni3，ATi）]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钻基高温合金更高的高温强度；三是含铭的竦基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。竦基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钻、铭和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。竦基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。■固溶强化型合金具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大（每平方毫米几公斤力，见表1）的部件，如燃气轮机的燃烧室。■沉淀强化型合金通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高（每平方毫米十几公斤力以上，见表2）的部件，如燃气轮机的涡轮叶片、涡轮盘等。组织竦基合金的显微组织特点及其发展情况，合金中除奥氏体基体外，还有在基体中弭散分布的Y'相，在晶界上的二次碳化物和在凝固时析出的一次碳化物和硼化物等。随着合金化程度的提高，其显微组织的变化有如下趋势：Y'相数量逐渐增多，尺寸逐渐增大，并由球状变成立方体，同一合金中出现尺寸和形态不相同的Y'相。在铸造合金中还出现在凝固过程中形成的Y+Y'共晶，晶界析出不连续的颗粒状碳化物并被Y'相薄膜所包围，组织的这些变化改善了合金的性能。现代竦基合金的化学成分十分复杂，合金的饱和度很高，因此要求对每个合金元素（尤其是主要强化元素）的含量严加控制，否则会在使用过程中容易析出有害相，如。、µ相，损害合金的强度和韧性。在竦基铸造高温合金中发展出了定向结品涡轮叶片和单品涡轮叶片。定向结品叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能。单品叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能。三、材料的切削加工性竦基高温合金其相对加工性仅为45#钢的5—15%。切削温度高由于竦基高温合金不仅具有较高常温硬度和强度，而且具有高温强度和高温硬度。在切削过程中小号的切削变形功率大，产生热量多，然而它的导热系数小，切削区集中了大量的切削热，形成很高的切削温度。切削力大竦基高温合金具有很高的硬度和强度，原子密度和结合力大，抗断裂韧性和持久塑性搞，在切削过程中切削力大，而且切削力的波动也比切削合金钢大。加工硬化倾向大由于竦基高温合金的塑性、韧性、强化系数高，在切削过程中的切削力和切削热的作用下，产生巨大的塑性变形，造成加工硬化。在切削热的作用下，材料吸收周围介质中的氢、氧、氮等元素的原子，从而形成硬脆的表层，给切削带来很大的困难。刀具磨损大切削竦基高温合金的切削力大，切削温度高，道具与切屑之间的摩擦加剧，刀具材料与工件材料产生亲和作用，材料硬质点的存在和严重的加工硬化现象产生，使刀具在切削过程中产生粘结、扩散、磨料、边界和沟纹磨损，而使刀具丧失切削的能力。5.切屑难处理材料的强度高，塑性和韧性大，切削时的切屑呈带状的缠绕屑，既不安全，又影响切削过程的顺利进行，而且也不便处理。切削变形大竦基高温合金切削加工过程中，切削温度很高，塑性很大，在加工中容易热变形，因而一些尺寸和形状精度发生变化，不易保证。加工成本高在工厂的实际加工中，由于没有找到好的刀具材料和最佳切削参数，很多时候造成材料和设备的浪费，造成成本高而效率低。四、材料的加工方法竦基合金，特别是沉淀强化型合金含有较高的铝、钛等合金元素。通常采用真空感应炉熔炼，并经真空自耗炉或电渣炉重熔。热加工采用锻造、轧制工艺，对于高合金化合金，由于热塑性差，则采用挤压开坯后轧制或用软钢（或不锈钢）包套直接挤压工艺。铸造合金通常用真空感应炉熔炼母合金，并用真空重熔-精密铸造法制成零件。变形合金和部分铸造合金需进行热处理，包括固溶处理、中间处理和时效处理，以Udmet500合金为例，它的热处理制度分为四段：固溶处理，1175°C，2小时，空冷；中间处理，1080°C，4小时，空冷；一次时效处理，843^，24小时，空冷；二次时效处理，760C，16小时，空冷。以获得所要求的组织状态和良好的综合性能。五、此零件在加工过程中难点与易出现的问题采用传统加工方式较难加工、尺寸要求高难以加工、切削加工性难度高。六、合适加工方法与选择理由•电子束焊接法--EJ200即采用此法制造,即先将单个叶片用电子束焊接成叶片环，后用电子束焊接技术将锻造和电解加工成形的轮盘腹板与叶片环焊接成整体叶盘结构。这种整体叶盘结构比传统的榫头连接的叶盘转子结构重量减轻30%，并可根除榫槽断裂危险。此方案采用的制造技术有电子束焊接技术、锻造技术、电解加工技术，以及线性摩擦焊接修理技术。•锻接法（用锻压植入叶片+扩散连接）--普惠公司试用锻接法制造整体涡轮转子。锻接法是用局部加热法将单品精铸叶片直接连接到锻造涡轮盘的轮缘上。涡轮盘轮缘局部加热全变形温度后，用待连接的单品叶片在局部加热的轮缘连接部位施压，使局部加热区域产生变形，即将叶片植入轮缘内的同时进行扩散连接过程，将叶片牢固地连接在涡轮盘的轮缘内。锻接法的关键是正确有效地控制局部加热变形参数（温度、压力、变形量），这对叶片与轮盘之间消除松动、产生完全致密的高强度结合面是非常重要的。用此法制造的整体叶盘结构必须确保锻接过程中，叶片始终准确定位，并始终保持定位的位置。普惠公司已研究出叶片/盘的锻接工具，可准确地保持叶片的正确位置。•五坐标计算机数控加工或电解加工技术--整体叶盘结构的制造还可采用经模锻的高温合金或钛合金实体整体叶盘毛坯经五坐标数控加工技术或数控电解加工技术成形。此种方法要切掉大量金属材料，价格昂贵，加工时间和制造周期长。•线性摩擦焊接（LFW）法--用线性摩擦焊将叶片焊接在轮盘上，可节省大量叶片的连接件和结构重量。它是先将叶片夹紧在轮缘的叶根上，并使轮盘周向以高速振动，在叶片和轮盘叶根界面产生一个窄的摩擦加热区，当加热区的温度达到要求的温度时即停止振动，叶片与轮盘固定直至固结在一起。此法要比用实体毛坯加工法更经济。欧洲战斗机的EJ200发动机的3级低压压气机的整体叶盘是线性摩擦焊接技术成功应用的顶极标志。目前罗-罗公司和MTU公司已用LFW技术成