航空工程材料 高温合金

高温合金的认知制造航空发动机、火箭发动机及燃气轮机零部件如燃烧室、涡轮叶片、涡轮盘、导向叶片、尾喷管等所用的材料，需在高温（一般指600～1100℃)氧化性气氛中和燃气腐蚀条件下承受振动、气流冲刷、高速旋转离心力的条件下长期工作，显然，耐热钢已不能满足上述要求，必须使用高温合金。一．高温合金高温合金是指工作温度在600～1000℃（或更高温度）下的合2.性能特点高温合金有较高的高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性能，以及良好的抗疲劳性、断裂韧性、塑性等综合性能。按生产工艺的不同，高温合金又可分为变形高温合金和铸造高温合金两大类。按成分分有铁基、铁—镍基、镍基和钴基高温合金。4.牌号首字母4位数字表示。“GH”后的第一位数字表示分类号，即高温合金的类型：1和2表示铁基或铁镍基高温合金，3和4表示镍基高温合金，5和6表示钴基高温合金（其中的奇数1，3和5为固溶强化型合金，偶数2，4和6为时效沉淀强化型合金“GH”后的第二、三、四位数字表示合金的编号，如GH4169表示时效沉淀强化型的镍基高温合金，合金编号为169。铸造高温合金的牌号以汉语拼音字母“K”＋3位数字表示。“K”后的第一位数字表示分类号，即合金的类型（其含义与变形合金相 同第二、三位数字表示合金的编号，如K418表示时效沉淀强化 型镍基铸造高温合金，合金编号为18。此外，“FGH”表示粉末高温合金，“MGH”表示机械合金化粉二．常用的高温合金1.铁基高温合金铁基高温合金主要是奥氏体耐热合金钢。用奥氏体作为基体，是因为面心立方晶格原子间结合力较强，再结晶温度较高，比以往以铁素体为基的钢具有更高的热强性。这类合金的主加元素是Cr和Ni，有时还有相当数量的Mn。铬提高抗氧化性，镍和锰使基体变成奥氏体组织，加入的W、Mo、V、Ti、Al进一步提高再结晶温度和强化金属。常用的铁基高温合金有：（1）GH1035GH1035是固溶强化型铁基高温合金，其主要化学成分是Cr22Ni38WTi，常用于800℃以下工作的高温薄壁零件，在固溶状态下使用。（2）GH2036GH2036是时效强化型铁基高温合金，其主要化学成分是4Cr12Ni8MoV，热处理为1140℃淬火、水冷，然后在650~670℃时效强化，常用来制造涡轮盘，在时效状态下使用。2.镍基高温合金镍的熔点高，又是面心晶格，而且表面能形成致密的氧化膜，能防止800℃以下剧烈氧化，因此是优良的耐热基体金属。在镍中还加入Cr、W、Mo等元素提高抗氧化性与热强性。镍基高温合金是当前700～1000℃工作温度区使用较为广泛的高温合金，是在Cr20Ni80合金中加入Al、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Co等强化元素发展起来的。固溶强化、晶格沉淀强化、碳化物强化以及晶界控制等的联合作用改善了合金的热强性。镍基高温合金根据加工工艺又可分为变形镍基高温合金和铸造镍基高温合金。变形镍基高温合金有优良的热稳定性和热疲劳性，冷压和焊接性良好，常用作燃烧室联焰管、引燃管等。常用合金有：Cr20Ni75Mo2AlTiNb，常用作900℃以下工作的火焰筒及加力燃烧室等冷压焊接零件。Cr25Ni60W15Ti，常用于950～1100℃工作的燃烧室、鱼鳞片内腹板等冷压焊接件。（3）GH3128GH3128是我国研制的合金，目前主要用于制造950℃以下长期工作的火焰筒、加力燃烧室、导向叶片等零件。3.铸造高温合金同变形高温合金相比，铸造高温合金的优点是：可大幅度加入合金元素，可以避免因合金元素多而使工艺性能变坏的问题；使用温度可相对提高20～30℃,甚至80℃；可铸成精度高和形状复杂的零件；可以采用新工艺，如定向结晶消除横向晶界，控制冷却速度获得所需的晶粒度或使叶片边缘晶粒细化，以提高叶片的力学性能。航空发动机的导向叶片通常采用铸造高温合金，以普通精密铸造工艺或定向凝固工艺生产。比较有代表性的钢种有：K214、K232、K406、K417、K403、K409、K418等。三．高温合金的应用在航空涡轮发动机上，高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等四大类零部件。1.燃烧室用高温合金燃油雾化、油气混合、点火、燃烧等过程都是在燃烧室（也称火焰筒）内进行的，因此，燃烧室是发动机各部件中温度最高的区域。燃烧室内的燃气温度达到1500～2000℃时，壁部合金材料承受的温度可达800～900℃以上，局部处可达1100℃。用作燃烧室的合金除承受急热急冷的热应力和燃气的冲击外，不承受其他载荷。因此，燃烧室材料的工作特点是温度高、热应力大而机械应力小，常用易成形、可焊接的高温合金，如新型镍基和钴基高温合金板材制造。为了防止燃气冲刷、热腐蚀和隔热，常喷涂防护涂层。弥散强化合金不需涂层，即可用于制造耐1200℃的燃烧室。燃烧室用的材料均可用于制造加力燃烧室和尾喷管。用于燃烧室的高温合金代表性牌号有：GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、GH3018、GH3022、GH3128、GH3170。板材合金除了固溶强化的外，在用于温度较低、应力较大的部件时，也采用固溶加时效强化的合金，此种合金牌号有GH21232、GH4141、GH4167、GH4163。2.导向器用高温合金导向器也称导向叶片，它是涡轮发动机上受热冲击最大的零件之一。其失效方式通常为由热应力引起的扭曲、温度剧烈变化引起的热疲劳裂纹以及局部的烧伤。用作导向器的合金大多数采用熔模铸造生产。这样，合金中可以加入较多的W、Mo、Nb、Al、Ti等固溶强化和时效强化元素。有些导向叶片则采用时效强化的合金板材焊接而成。目前，先进航空发动机多采用空心铸造叶片，其冷却效果好，可以提高合金的使用温度。国内导向叶片合金的使用温度可达1000~K409、K418、K423B等。导向叶片合金除了用普通精密铸造工艺生产外，还采用定向凝固工艺生产出定向合金和单晶合金。定向合金由于晶界与应力方向一致，单晶合金则无晶界存在，都使合金的持久强度、热疲劳性大大提高，使用温度提高，并且有较好的薄壁性能。该类合金有DZ3、DZ5、DZ22、DD3、DD402等。3.涡轮叶片用高温合金涡轮叶片是航空发动机上最关键的构件之一，又是最重要的转动部件。涡轮叶片的工作条件最为恶劣，除工作环境温度较高外，转动时还承受很大的离心力、振动力、气流的冲刷力等作用。制造涡轮叶片和涡轮盘的材料是影响发动机性能的重要材料。用作制造航空发动机涡轮叶片的材料有时效强化型镍基变形高温合金，目前普通精铸、定向和单精铸造叶片合金也得到了广泛的应用。用作涡轮叶片合金的典型牌号有：变形合金GH4033、GH4037、DZ3、DZ22等。随着燃气涡轮进口温度的提高，普通精铸涡轮叶片已不能满足航空发动机的需要，先进航空发动机采用了单晶涡轮叶片，合金的使用温度可提高到1100～1150℃,使航空发动机的性能进一步提高，如DD402、DD3、DD6单晶合金已在部分应用。4.涡轮盘用高温合金涡轮盘也是航空发动机上很重要的转动部件，如图5-9所示，在四大类部件中所占重量最大（大型涡轮盘单件质量达几百千克）。工作时，涡轮盘的温差相当大，产生的盘件径向热应力也很大。涡轮正常转动时带动涡轮叶片高