高溫合金的應用

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

（一）航空發(fā)動(dòng)機

航空發(fā)動(dòng)機被稱(chēng)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。作為飛機動(dòng)力裝置的航空發(fā)動(dòng)機，特別重要的是金屬結構材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結構材料中高的性能要求。

航空發(fā)動(dòng)機的技術(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)機發(fā)展的尤為關(guān)鍵的結構材料。航空發(fā)動(dòng)機通?？梢杂闷渫浦乇龋ㄍ屏?重量）綜合地評定發(fā)動(dòng)機的水平。提高推重比直接和的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃氣溫度。因此高溫合金材料的性能和選擇是決定航空發(fā)動(dòng)機性能的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)航空裝備的不斷升級，對航空發(fā)動(dòng)機推重的要求比不斷提高，發(fā)動(dòng)機對高性能高溫合金材料的依賴(lài)越來(lái)越大。

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

航空發(fā)動(dòng)機通常以其推重比的大小來(lái)綜合判定發(fā)動(dòng)機的水平。提高推重比直接、的技術(shù)措施是提高渦輪前的燃氣溫度。

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)力機械能源的發(fā)源地。燃燒室內產(chǎn)生的燃氣溫度在1500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周?chē)鲃?dòng)，穿過(guò)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800~900℃以上，局部可達1100℃。

用于制造燃燒室的主要材料有高溫合金、不銹鋼和結構鋼；其中用量大、尤為關(guān)鍵的是變形高溫合金。由于傳統的高溫合金板材受限于合金的熔點(diǎn)的限制，現在基本已經(jīng)達到其極限使用溫度，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/碳復合材料、高溫陶瓷材料、氧化物彌散強化合金、金屬間化合物、高溫高強鈦合金等。

導向葉片

導向葉片是調整從燃燒室出來(lái)的燃氣流動(dòng)方向的部件，是航空發(fā)動(dòng)機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來(lái)講，導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向葉片的主要制造材料。近年來(lái)，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導向葉片的工藝也在試制中；此外，FWS10發(fā)動(dòng)機渦輪導向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。

渦輪盤(pán)

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

用于渦輪盤(pán)制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量大、應用范圍*的一個(gè)主要品種。近年來(lái)，隨著(zhù)航空發(fā)動(dòng)機性能不斷提高，對渦輪盤(pán)要求也越來(lái)越高，粉末渦輪盤(pán)組織均勻、晶粒細小、強度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)使其成為航空發(fā)動(dòng)機上理想的渦輪盤(pán)合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤(pán)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)機上最關(guān)鍵的構件，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力、振動(dòng)應力、熱應力等。

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(lái)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，成為高性能現金航空發(fā)動(dòng)機高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀80年代開(kāi)始單晶合金研制，根據專(zhuān)著(zhù)《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)機中進(jìn)行使用。

（二）航天發(fā)動(dòng)機

航天發(fā)動(dòng)機中的特殊工作環(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，因此對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)占據了航天發(fā)動(dòng)機相當大的比重，在發(fā)動(dòng)機中的應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)機研制水平。

航天發(fā)動(dòng)機用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動(dòng)機用高溫合金，但航天發(fā)動(dòng)機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(guò)去形狀極其復雜的結構件在航天發(fā)動(dòng)機上一直沒(méi)有真正加以應用。隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無(wú)余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機結構，降低發(fā)動(dòng)機重量，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)機可靠性。隨著(zhù)航天發(fā)動(dòng)機技術(shù)的進(jìn)步，航天發(fā)動(dòng)機用高溫合金逐漸呈現出復雜化、薄壁化、復合化、多位一體、無(wú)余量的趨勢。典型的有渦輪轉子、導向器、泵殼體等。

我國的“長(cháng)征”系列火箭以及“神舟”系列飛船，發(fā)動(dòng)機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載發(fā)動(dòng)機、小型渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機已經(jīng)定型，并開(kāi)始批量生產(chǎn)，國內對航天用高溫合金母合金和精鑄件的需求也在不斷增長(cháng)，進(jìn)入一個(gè)新的增長(cháng)期。

（三）民用工業(yè)高溫合金的應用