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为“雄鹰”打造强大“心脏”——我国高温合金在航空发动机应用一览

为“雄鹰”打造强大“心脏”——我国高温合金在航空发动机应用一览

  • 发布时间:2019-11-11
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【概要描述】11月11日,中国人民解放军空军迎来成立70周年纪念日。70年来,在党的坚强领导下,人民空军在维护国家主权、安全、发展利益等方面发挥着至关重要的作用,建立了不朽的功勋。
70年来,钢铁工业为现代空军建设和发展做出了突出贡献,打造出一系列“空中铁拳”“蓝天利器”。今天,小编要给您介绍的是在航空发动机上应用的高温合金钢,正是它,为空军“雄鹰”打造了强大的“心脏”!

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11月11日,中国人民解放军空军迎来成立70周年纪念日。70年来,在党的坚强领导下,人民空军在维护国家主权、安全、发展利益等方面发挥着至关重要的作用,建立了不朽的功勋。
70年来,钢铁工业为现代空军建设和发展做出了突出贡献,打造出一系列“空中铁拳”“蓝天利器”。今天,小编要给您介绍的是在航空发动机上应用的高温合金钢,正是它,为空军“雄鹰”打造了强大的“心脏”!
 
经过新中国航空工业70年的发展,我国已经从最初仿制苏联战机,发展到具备完全独立自主的设计、制造能力。从仿制米格的歼-5、歼-6、歼-7等起步,到歼-8开始自主创新,到歼-10作为“争气机”的一飞冲天,再到歼-20的横空出世,中国的战机一举赶上了国外军机水平。70年来,我国冶金工业为战机的发展和人民空军的壮大做出了不可磨灭的贡献,为我国历代战机打造强大的“心脏”——航空发动机提供了关键材料支撑。
 

图为九寨航空发动机。


我国航空用高温合金的研发和生产概况

高温合金作为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键金属材料,在先进的航空发动机中,目前其用量占比已高达50%以上。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平,因此高温材料有“先进发动机基石”的美誉。如果没有冶金工业研制的高温合金,就不可能有高速发展、高效率、安全可靠的航空工业,也就不能实现我国航空发动机从中等推力到大推力的跨越、从涡喷发动机到涡扇发动机的跨越、从第二代发动机到第四代发动机的跨越。

高温合金是在镍基耐蚀合金基础上发展起来的,但其发展的原动力是航空用喷气发动机发展需求的牵引。我国航空发动机于1955年问世,于1956年试制出了最简单的镍基高温合金GH3030。1958年前后,为适应航空工业发展的需要,我国开始研制自己的高温合金,如GH4033、GH4037、GH4049和K417等合金。从20世纪60年代以来,我国研制的高温合金牌号超过百余个,其中有些已经达到国外同类合金水平,例如叶片用合金K417、K417G、K403、DZ404、DZ422、DZ417G、DZ4125、DZ4125L、IC6(JG4006)、DD403、DD402、DD407、DD406等,涡轮盘用合金GH2901、GH4133B、GH4169、GH4720、GH4065、FGH4097等,燃烧室用合金GH1140、GH4099、GH1015、GH3230等和环形件用合金GH2903、GH2907、GH2909。总之,我国的高温合金已基本形成了具有中国特色的体系和研究生产基地,航空和其他工业部门使用的各种高温合金均可在国内生产供应。

目前,我国已建成了以抚顺特钢、宝武特冶(原为上钢五厂)和攀长特等为主体的变形高温合金材料生产基地,年生产能力达2万吨以上,可生产锻件、棒、板、丝、带、环、管材;形成了以钢研高纳、北京航空材料研究院、中科院金属所为主体的高温合金研发与多品种小批量生产基地,拥有大批知名专家、学者、经验丰富的工程技术人员和工人。

由于高温合金是航空发动机的关键材料,国际上高温合金化学成分,力学性能公开,生产工艺是严格保密和封锁的。几十年来,我国依靠自力更生、自主创新,克服了各种难关,结合国情走自己特色的道路,形成了产学研结合、有中国特色、具有自主创新能力的高温合金研发体系,满足了先进航空发动机热端关键部件的需求,为我国航空工业发展做出了巨大的贡献。

原创和跟踪相结合,在跟踪中创新,结合国情走自己特色的研究道路是我们的一贯方针。通过几十年的发展,我国取得了一批达到国际水平的科研成果,原始创新了一批合金,典型高温合金有GH4133B、 GH3128、GH4586、K13、GH4761等;生产工艺技术创新有微量元素改性及微合金化技术、高合金化高温合金热加工技术、包套锻造技术、纯净化和低偏析特种熔炼技术、特大型涡轮盘生产技术等。

伴随着真空冶金技术的成熟、合金化设计水平的提高,大量采用新工艺,“设计、工艺、材料一体化结合”, 冶金加工过程数学模型和模拟的建立和运用,我国高温合金体系已趋于成熟。国内唯一的高温合金学术机构就设立在中国金属学会高温合金学术委员会。2018年4月,中国钢研科技集团、钢研高纳,联合国内60余家主要从事高温合金研发、生产和应用的企事业单位成立了中国高温合金产业技术创新战略联盟,以推动高温合金全产业链的协同创新,实现我国高温合金产业高质量发展,更好地服务于我国航空工业。

 

图为涡扇-B(太行B)发动机。


高温合金在我国航空发动机上的应用

目前,高温合金主要应用于航空发动机的四大热端部件:燃料室,涡轮导向叶片、涡轮工作叶片和涡轮盘,此外还用于机匣、环件和尾喷口调节片、涡轮轴、支撑环、壳体、各种螺栓等部件。在高性能的航空发动机中,高温合金也用于压气机后端的盘和转子叶片等。由于航空发动机结构较为复杂,各部位温度和受力情况等差别较大,对材料的要求和选用也就各不相同。

涡轮盘用高温合金。我国在产和在研的发动机涡轮盘用变形高温合金有10多种。涡轮盘用变形高温合金可分为两类:第一类为铁基高温合金,典型的有GH2036、GH2132、GH2901等,工作温度在650℃以下;第二类为镍基高温合金,典型的有:GH4169适合在650℃以下工作,GH4133、GH4133B和GH4698适合在700℃~750℃范围内工作,GH4500、GH4710、GH4720、GH4742、GH4079适合在800℃以下工作。我国研制的FGH4097高温合金粉末涡轮盘综合性能也已完全达到俄罗斯EP741NP粉末盘的水平。

在上述合金中,GH2132合金是最早开发的铁基高温合金,除用来做涡轮盘外,还可以轧制成型材,用于制作航空发动机其他用高温零件。GH4133B合金是在GH4033合金的基础上经过微合金化研制的国产化合金,是目前用得最好、用得最广的一种高温合金,用在10余种发动机上,制造了数十种涡轮盘。GH4169合金主要用来制作盘件、叶片、轴、紧固件等,在航空工业中具有广阔的应用前景。太行发动机采用了多种GH4169合金盘件,其中利用先进的DA工艺生产的优质高强GH4169合金高压涡轮盘,是国内迄今为止生产的尺寸最大的、性能最高的GH4169涡轮盘。“十五”以来,随着钢厂对冶炼设备和开坯设备的技术改造,我国生产出直径达660mm的优质GH4169合金真空自耗锭。目前,国内钢厂可以冶炼出高质量的GH4169合金,使我国高温合金的冶炼水平上了一个台阶。随着GH4169合金在多种型号的直升机、歼击机和火箭发动机中的成功应用,该品种的市场需求量越来越大,质量要求也不断提升,因此,降低GH4169合金的生产成本,提高其在国际市场上的竞争力和产品质量是今后要研究和努力的方向。

涡轮导向器叶片用高温合金。早期的发动机涡轮前温度较低,导向叶片结构也较简单,用GH4033、GH3128这两种变形高温合金可以满足发动机的要求。但是,随着发动机的发展,发动机涡轮前温度提高,导向器叶片结构变得复杂(如采用冷却),要求材料的工作温度也提高。叶片材料经历了从一般变形合金到传统的铸造等轴晶高温合金和定向共晶、单晶高温合金的发展过程,在实现熔模精铸技术突破以后,铸造高温合金成为导向器叶片主导材料。

我国先后发展了20余种铸造高温合金,通过熔模精铸工艺制作涡轮导向器叶片,有实心叶片、空心叶片和复杂冷却系统的定向凝固空心叶片,基本满足了我国在役和在研发动机的需求。在近20余种的等轴晶铸造高温合金中,使用范围最广的是K403合金。K403合金应用于20多种不同型号国产发动机导向器叶片制造,使用温度在900℃~1000℃范围内,取得了良好效果,已实现批量生产。涡轴发动机用K418B、K406C等合金在制造整体涡轮导向器上取得良好效果。K438合金是抗腐蚀性能最好的合金,一些燃气涡轮发动机用它做导向器叶片。定向凝固合金的应用,进一步提高了发动机的进口温度。

涡轮工作叶片用高温合金。我国早期生产的发动机涡轮工作叶片,一般都采用变形高温合金,其中使用最多的是GH4037(在5种发动机上制造6种叶片)和GH4049(在9种发动机上制造9种叶片)镍基变形高温合金,可在750℃~950℃温度下长期稳定工作;使用较少的是GH4105、GH4080A、GH4720、GH4133、GH4220、GH4710合金,它们只在一种发动机上做过1~2种叶片。

随着发动机推重比(功重比)的提高,发动机涡轮进口温度也随之提高,设计部门要求使用承温能力更高的涡轮工作叶片,从而开始用高合金化的、热强性更高的铸造高温合金取代变形高温合金。因此,在新机研制和老机种改型时,都选用铸造高温合金制造涡轮工作叶片。例如,WP7系列发动机,用K417合金铸造九孔空心涡轮叶片取代GH4049合金锻造实心叶片,在我国第一次完成了以铸代锻的科研任务,使WP7系列发动机的涡轮进口温度提高100℃,大大改善了发动机的性能。后续定向凝固合金和第一代、第二代单晶合金的应用,进一步提高了先进发动机的进口温度。

燃烧室用高温合金。我国燃烧室用的第一个高温合金GH3030于1956年开始研制。在前苏联型号发动机的需求引领下,在20世纪50年代末和60年代就已研制成功并投用,如GH3030、GH3039、GH3044、GH4033和GH1140等。这些合金基本满足了原苏联型号发动机的要求。

20世纪60年代,我国又研制了一些使用温度或强度更高的合金,如GH3128、GH4099、GH1015、GH1016等。20世纪70年代后期和80年代以后,我国又先后引进了WS9、WZ6和WZ8,研制了FWP14和WZ9等发动机,因此又研制了如GH3536、GH3600、GH3625、GH4080A、GH4090、GH4163、GH4150、GH4098、GH5188、GH5605、GH3230、 GH4648、MGH2756等高温合金,其性能已完全达到了英、美等国同类高温合金水平。

传统的Ni基、Fe基和Co基高温合金板材受限于合金的本质(熔点),现几乎已达到了其极限使用温度,难以进一步发展。因此,我国自20世纪80年代以后,没有出现使用性能更高的燃烧室用高温合金或高温材料。要使燃烧室用高温材料获得进一步发展,必须研究全新的材料基体和材料工艺。随着燃烧室温度的提升,除仍可采用部分现有材料外,还必须采用耐温1000℃以上的高温合金加高效冷却壁加热障涂层以及短环形、浮壁式结构才能保证其可靠使用。

目前,我国已经开始研制和试制用于使用温度在1100℃以上的,用于高航空发动机火焰筒、加力燃烧室、尾喷口内衬、火焰稳定器、合流机匣喷油杆等的MGH4756合金和氮化强化高温合金。

 

图为AEF3500新型涡扇发动机,为目前国产推力最大的发动机。


高温合金发展趋势及应用前景

随着航空发动机的发展,发动机涡轮进口温度的提高,要求做涡轮热端部件材料的承温能力越来越高。目前,高温合金用量占燃气涡轮总重的50%以上,以后定向凝固柱晶和单晶高温合金、粉末冶金高温合金等高性能合金所占的用量比例将越来越大。

具体来说,未来高温合金发展的趋势是:用Re、Ru、Ir作为合金化元素,最大限度提高高温蠕变强度,发展第三代、第四代单晶合金;含一定量Hf、Y提高合金氧化抗力和工艺性能;更广泛地应用定向凝固和单晶涡轮叶片及导向器叶片铸件;提高涡轮盘合金纯洁度以便最大程度减少涡轮盘合金的固有内部缺陷;更广泛地应用等温锻造使涡轮盘获得均匀的晶粒组织;更广泛地应用预合金化粉末生产涡轮盘合金;更广泛地应用热等静压工艺,使铸造涡轮叶片减少疏松,组织更致密;更广泛地发展和应用组合部件,这种组合部件是利用精铸或扩散连接方法将两个或更多零件连接在一起,形成整体部件。

不过,高温合金的熔点低于1400℃,很难在1200℃或更高温度条件下使用,因此也面临着新的挑战。金属间化合物、碳-碳和金属基复合材料、难熔金属和陶瓷将是主要的竞争材料。但是这类材料塑性低,成型和焊接困难,在世界上都是一大难题。高温合金虽然面临新型材料强有力的挑战,但我国新工艺的出现和新技术的发展,为研制新的高温合金,提高合金使用温度和可靠性、降低成本提供了条件。今后几十年,高温合金仍将是未来航空发动机的主导材料,在目前和未来仍有着较强的生命力和光明的前景。

航空发动机已成为衡量一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。新时期,我们将继续发扬传统,学习国外先进技术,缩短与国外的差距,走中国特色高温合金自主创新道路,大胆探索,加强基础研究和前沿技术研究,加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新,不断增强创新能力,激发创新活力;冶金工业的广大科技工作者将在以习近平同志为核心的党中央领导下,不忘初心,牢记使命,在高温合金研制生产方面再立新功,继续为高推重比航空发动机发展做出新的更大贡献。

(中国冶金报 中国钢铁新闻网 / 记者 罗忠河 / 转载自中国冶金报社微信公众号)

 

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