粉末冶金高温合金

历史

镍基粉末冶金（PM）高温合金在喷气发动机飞机的热点领域已经有超过25年的历史。与传统高温合金相比，它们在更高温度下具有更好的强度、抗蠕变性、蠕变疲劳性和更好的低周疲劳性能。断裂力学强调缺陷尺寸和裂纹扩展速率，是其应用的主要设计标准，关于定义和限制PM产品固有缺陷的方法的关注仍在继续。原子化后处理过程中严格的过程控制限制非常成功地处理了非金属缺陷。通过在洁净室环境中进行处理，通常使用真空或惰性气体筛选和装载，污染被最小化或消除。引用一位PM用户的话，“粉末不是问题。过程控制是关键。几乎所有发动机制造商都认为粉末冶金高温合金将改善高温性能。

报告已经认识到，高温合金的疲劳寿命受缺陷的限制，但改善合金可能来自PM。在1995年的一份报告中，美国国家材料顾问委员会(US Nation欧洲杯足球竞彩al Materials Advisory Board)表示，“涡轮发动机的应用约占高温合金市场的90%”，而且很可能100%的应用都是在燃气涡轮发动机中。

处理

粉末冶金高温合金最初用于as HIP和热处理条件下的近净形状，使用粗粉作为起始材料。尽管合金在过去二十年中得到了发展，但两种工艺变化代表了粉末冶金高温合金技术的更重大进步；由普惠公司发起的向“加冰”或等温锻造的转变，以及使用更细的粉末。目前，所有粉末高温合金都使用最大粒径不超过106微米的粉末，在许多情况下，最大粒径仅为44微米。这两个变化是由性能驱动的——从尺寸分布紧密的较小非金属缺陷（更细的粉末）开始，或使存在的缺陷不易发生断裂萌生和扩展（等温锻造）。原子化改进使粉末制造商能够在几乎不牺牲成本的情况下提高细粉末的产量，并且等温锻造产品的低周疲劳性能优于热等静压产品。等温锻造挤压坯料中的细粒结构使其能够使用高灵敏度超声波检测来检测可能存在的小缺陷。尽管当今发动机中的绝大多数粉末冶金零件都是等温锻造的，但HIP零件仍在使用，特别是在蠕变强度是唯一设计标准的应用中。第三个在当前规范中更频繁出现的变化是转向超溶剂热处理，以增加晶粒尺寸和损伤容限。目前使用的粉末冶金高温合金均为镍基和伽马素硬化合金，见表1。在MERL 76中，伽马素数的体积百分比变化高达64%，但在最近的两种合金中，N-18和Rene 88DT的百分比较低，表明可能已超过最佳值。

表1。某些粉末高温合金的成分

使用PM技术部件的发动机制造商包括普惠、通用电气、MTU、SNECMA、国际航空航天、CFM国际、IHI和Allied Signal。PM部件的范围为T 700散热盘1.4kg (3.1bs)左右到GE 90压缩机盘640kg (14001bs)左右。

选择发动机中的大多数PM高温合金零件是因为每个零件都可以提供性能。虽然这曾经是选择合金的唯一标准，但对于许多制造商来说，成本因素现在是一个主要因素。

合金发展pment

合金的开发也在继续，特别是与NASA 2.4马赫高速民用运输项目和IHPTET项目的合作，该项目寻求更高的温度能力和更长的T3max时间。由于IHPTET的两个近期目标是将功率重量比提高80%和减少30%的特定燃料消耗，因此使用钛铝化合物几乎是强制性的。由于温度限制，人们对α -2合金的兴趣已经减弱，但整体γ和γ金属基复合材料的研究仍在继续。

Ti-48Al-2Nb-2Cr离心式压缩机扩压器已经取代IN718，重量减少45%。这一成功使伽玛TiAl扩散器成为未来联合技术先进气体发生器(JTAGG)的一部分。正交铝酸盐可能是这一领域的最大参与者。

这些材料的特殊强度优势可能会把一些高温合金挤出压缩机部件，它们的高温性能可能会在其他欧洲杯足球竞彩发动机部件中产生类似的结果。铝化物的生产应用将会减少高温合金的使用，但这仍然是一个短期的道路，涉及成本降低和合金发展的变化可能会很快影响PM高温合金的使用情况。

合金发展的原因并不新鲜。涡轮盘在轮缘和内径处的工作速度和温度不断增加。普惠(Pratt & Whitney)、通用电气(General Electric)、劳斯莱斯(Rolls Royce)和斯奈克马(SNECMA)正在独立进行研究，以开发一种新的圆盘合金或改进工艺，使轮缘温度能够在700至750°C之间。

在这些温度下的发展标准仍然是裂纹扩展公差、低循环疲劳、抗蠕变、蠕变疲劳和抗环境侵蚀。涡轮盘的孔温也会升高，主要的判据是温度强度升高。其中三家公司明确表示，任何新合金都将是粉末。新合金也可能是对现有合金的改进。通用电气拥有多项专利，可以利用钽作为主要的合金元素来改变现有合金的成分，在某些情况下可以完全用钽代替钨。

处理

继续改进现有或改良合金的工艺。使用较细的粉末满足了民用飞机提高可靠性的要求。提高晶粒尺寸的超溶热处理被证明是提高疲劳寿命的可靠手段，在N-18的情况下，拉伸强度仅降低5%。

对于盘用单一合金，必须考虑选择性热处理。其结果是，在同一材料内，从边缘到孔的晶粒尺寸各不相同，其性能也各不相同。普惠公司在F-119发动机的第6、7、8和9级压缩机中使用in -100“整体叶片转子”是一个非常具体的例子，其性能是由过程控制的。为F-22先进战斗机提供动力的这种发动机的首次飞行预定在1996年年初。压气机叶片看不到涡轮叶片的高温，所以这个过程可能仅限于压气机叶片。使用整体叶片转子意味着更薄，更轻的轮辋，但这一过程可能将仅限于军事发动机，因为商业运营商可能更喜欢更换单个叶片而不是整个磁盘。

另一种更高工作温度的加工方法是双合金方法，其中叶片和环组件结合到圆盘的轮毂上。这使得在可能导致蠕变失效的圆盘最高温区域使用铸造叶片合金成为可能。根据温度要求，轮毂可以是PM合金。也可能有工作正在做的概念三重合金，包括一个为叶片，第二个为轮辋，和第三为轮毂。

NASA高速民用运输的要求最初集中在燃烧室和排气喷嘴，但现在包括将铸造的空气翼型，风扇容器盘和涡轮盘。后者构成了最大的挑战。虽然轮辋的温度约为700°C，但在起飞过程中，它将保持2至3小时的高温，以呈现发动机的最高温度，但只有几分钟。

据报道，轮辋和轮毂之间将没有温度梯度，因此很可能工艺创新和新合金将是解决方案。因为最高温度只有700°C，这个圆盘将保持镍基，并将是PM高温合金。美国国家航空航天局的目标是在2003年之前拥有所有可用的技术，这样就可以做出商业决定，在2005年之前建造一架飞机。

降低成本

有三个成本改进过程可能会对PM高温合金的使用产生早期影响。其中两个非常相似。这些是雾化沉积(spray cast X)和电渣重熔作为喷雾成形的来源。三是用PM as-HIP高温合金替代VIM-VAR高温合金。

由Howmet公司为普拉特惠特尼公司开发的喷铸X是一种成本较低的高温合金环生产方法。它提供了一个直接的一步转换真空熔化高温合金半成品环。比较了用小方坯和喷铸法生产环的情况。从经济上看，它是有利的，但粒度控制提出了挑战。目前，普惠并未考虑将此流程作为IN-100的替代。其目的是替代铸造和锻造合金以降低成本。

通用电气设想其专利工艺，使用电渣还原炉和冷感应导向喷嘴，作为一种方法来制造将等温锻造的预制件，以取代一些PM高温合金硬件。它是否能生产出所需的质量来取代目前由粉末制成的部件，还有待观察。由于在预制件上凝固的产品大约是半液体半固体的，必要的晶粒尺寸控制可能是开发工作中一个非常棘手的问题，最终可能会限制这一工艺的使用。

第三个降低成本的过程是Allied Signal首次在其APU上的磁盘中使用PM Astroloy时使用的过程。成本分析（最终部件成本为原材料成本加上制造成本）表明，均匀细粒度粉末冶金产品的加工性能远远优于锻造星形合金，并降低了总成本。在过去的十年里，该公司的经验非常好。在回答“为什么用作臀部”的问题时，回答是“最好了解自己最严重的缺陷，并准备好处理它。”。了解陶瓷缺陷的大小，并使用断裂力学从设计角度处理，以获得缺陷公差。这样就不必担心不可预见的锻造缺陷。”

as-HIP PM高温合金的另一个非常大的用户是俄罗斯航空航天工业，他们所有的PM高温合金都是as-HIP。他们在这一产品上有15年的经验，对as-HIP硬件很满意。这些经验可能会重新开启as- hip硬件的评估，以降低成本。

另一种降低成本的方法是在原子化过程中使用氮气代替氩气作为惰性气体，这可能不会成功。氩气的成功应用已有很长一段历史，而使用氮气的唯一方法可能是喷雾沉积，以确保产品中没有孔隙。

点成长

被称为“问题少年”的PM高温合金现在已经完全成熟。近期的增长将取决于波音777的成功，因为普惠和通用电气的这款飞机的发动机中都有大量的粉末。仅GE 90就有6个PM部件，总重量为2100kg (47001b)。

另外两个需要增长的领域是低推力发动机市场，该市场对提高效率的需求可能会让PM高温合金发挥作用，以及用于发电的陆基涡轮机。这个行业可能会借鉴航空航天领域的技术。

关键属性

与传统生产的高温合金相比，PM高温合金提供:

•提高强度

•改进的蠕变强度

•改进的蠕变疲劳

•较好的低周疲劳性能

主要作者:威廉·艾森博士

资料来源：《材料欧洲杯足球竞彩世界》，第4卷，第22-241996页

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