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粉末高温合金研究进展与应用

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第 26卷

第 3期













V o. 26 N o 3 l , . June 2006

2006年 6月

JOURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I LS A

粉末高温合金研究进展与应用
邹金文, 汪武祥
(北京航空材料研究 院, 北京 100095) 摘要: 粉末高温合 金由于特有的组织与性能已成为制造先进航空发动机涡轮盘的优选材料。为提升航空发动机的 使用性能及可靠性, 对粉末高温合金从材料、 制造技术到涡轮盘的工程化应用进行全 面和深入的 研究, 在粉末盘相 应的关键技术上取得突 破性进展, 确立粉末盘制备的工艺路线, 并制定工艺与检测 的技术文件。 为缩短研制 周期, 优化工艺过程。数值模拟技术也 在粉末盘制备过程中得到广泛应用, 并取得初步验证 实验结果。 关键词: 航空发动机; 涡轮盘; 粉末高温合金 中图分类号: TF122 文献标识码: A 文章编号: 1005-5053( 2006) 03 -0244-07

涡轮盘是航空发动机最重要的核心热端部件之 一, 随着高推重比、 功重比及高燃 效发动机的发 高 展, 对涡轮盘强韧性、 疲劳性能、 可靠性及耐久性提 出了更高的要求。高合金化的镍基高温合金涡轮盘 材料, 由于强化元素不断增多, 合金中偏析严重, 组 织极不均匀, 热工艺性能恶化, 常规铸造和变形工艺 无法满足新型发动机对盘件的需要。 随着快速凝固雾化预合金粉末和热等静压等先 进热工艺技术的兴起, 以粉末高温合金涡轮盘为代 表的航空发动机热端部件的制造和应用得到迅速发 展。粉末高温合金材 料采用预合金 粉末、热等静 压、挤压、等温锻造、热处理等粉末冶金方法制造 成盘件, 该材料实现了高合金化的均匀组织、双性 能剪裁结构、优异的综合使用性能和损伤容限特性 等优点, 有效地保证了发动机的可靠性和耐久性, 是先进航空发动机高压涡轮盘等关键热端部件的优 选材 料。当 前 国内 外 研 制了 三 代 粉末 高 温 合金 ( 图 1) , 制备了涡轮盘等多种粉末高温合金关键零 件, 已在先进军、民 用航空发动机 上得到成功应 用
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图 1 粉末高温合金的发展历程 F ig 1 D eve lopm ent process of P /M supe ra lloy .

通过合金选择、 工艺路线优化研究和相关工艺装备 的建立, 目前 已 研制 成功 两 代粉 末 高温 合 金: 以 FGH 95合金为代表的使用温度为 650 的第一代高 强型合 金和以 FGH 96 合 金为代 表的 使用 温度 为 750 的第二代损伤容限型粉末高温合金。其中采 用直接热等静压工艺生产的 FGH 95粉末涡轮盘 ( 图 2a) 及 导 流 盘 已 完 成 生 产 定 型。采 用 热 等 静 压 ( H IP) + 等温锻造 ( H IF ) + 热处理工艺研制出的先 进涡扇航空发动机核心机用 FGH 96合金全尺寸高 压涡轮盘 ( 图 2b) , 已进行初步低周及超转结构试验 考核和核心机装机试验
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。 上世纪 70年代中期, 针对发动机涡轮盘材料使

用中存在的问题和新型发动机的需求, 北京航空材 料研究院集中以粉末冶金专业为主的技术队伍, 在 航 空 行 业 工 厂、 计 所 进 行 调 研, 并 开 展 相 应 设 的 探 索工作。 80年代初, 粉末高 温合金预研立项 ,
收稿日期: 2006 -02-28; 修订日期: 2006 -04-07 作者简介: 邹金文 ( 1966- ), 女, 硕 士, 高级 工程师, 主 要 从事 粉 末 高 温 合 金 方 面 的 研 究 工 作, ( E- a il) zou j 03@ m w m a ils tsinghua edu. cn。 . .



1 国内粉末高温合金研制技术进展
1 1 粉末高温合金材料体系建立 . 我国目前已研制成功两代粉末高温合金材料, 第一代合金是以 FGH 95合金为代表的使用温度为 650 的高强型合金, 该合金以 奥氏体为基体, 强 化相含量占 总体积的 50% ~ 55% , 采用 低于

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图 2 粉末高温合金涡轮盘件 ( a)先进涡轴航空 发动机 FGH 95涡轮盘及叶片; ( b)高推重比涡扇航空发动机 FGH 96高 压涡轮盘 F ig 2 Turbine discs m ade fro P /M superalloy . m ( a) FGH 95 tu rbine d isc and b lades used fo r advanced turboshaft eng ing ; ( b)H P turbine d isc used for turbine fan eng ing w ith h igh thrust to w e ight ratio

固溶线温度热处理, 得到各种

尺寸相匹配的细晶

组织; 第二代合金是以 FGH 96合金为代表的使用温 度为 750 的损伤容限型粉末高温合金, 强化相 含量占总体积的 35 左右, 采用高于 固溶线温度 % 热处理, 得到具有弯曲晶界的粗晶组织, 该合金具有 良好的抗疲劳裂纹扩 展性能 。为 了适应更高性 能航空发动机发展对材料的需要, 近期将展开第三 代使用温度为 800 以上具有高强 + 损伤容限型特 性的合金研制。 1 2 快速凝固预合金粉末的对比研究 . 采用预合金化粉末快速凝固技术, 以等离子旋 转电极 ( PREP ) 和氩气雾化 ( AA ) 方法制备高温合 金粉末, 得到了无宏观偏析, 均匀的预合金粉末。图 3为粉末的形貌及组织。由于氩气雾化粉 ( AA 粉 ) 是母合金经二次重熔后通过氩气雾化成粉末, 粉末 粒度较细; 等离子旋转电极粉 ( PREP 粉 ) 是固态微 区熔化后再经离心雾化成粉末, 粉末粒度较粗。另 外由于合金过热度不同, 对粉末冷却微观组织也会 带来一定的差异。比较两种合金的组织可以看出, AA 粉是以 胞状晶 为主, 树 枝晶为 辅的 混合 组织; PREP 粉是以树枝晶为主, 胞状晶为辅的组织。 1 3 粉末处理技术 . 1 3 1 高温合金粉末夹杂分离与检测技术 . . 粉末纯净度是粉末高温合金冶金质量的关键控 制技术, 为此北京航空材料研究研制了一台新型高 温合金粉末摩擦电选分离与夹杂检测设备, 设备的 原理是根据粉末中金属颗粒、 陶瓷类夹杂在带电金 属滚筒动态摩擦表面导电特性的差 异进行陶瓷分 离。试验结果表明, 经电选后分 离率达 85 以上, % 粉末中夹杂检测的准确度和可靠性得到提高。该技 术对解决国内粉末盘夹杂物超标难题进行了有益的 探索。另外, 建立的水淘洗法粉末夹杂物检测装置 与技术也验证了上述检测方法的可靠性。 1 3 2 粉末表面净化处理技术 . . 热诱导孔洞 ( T IP ) 、 原始颗粒边界 ( PPB) 和夹杂 物是三种危害粉末盘冶金质量与力学性能的主要缺 陷。原始颗粒边界碳化物析出将严重阻碍颗粒之间 的扩散连接而形成弱界面, 成为裂纹优先形成的源 区和扩展通道。热诱导孔洞是影响合金致密化的关 键因素。粉末表面净化处理技术, 是利用粉末颗粒 在真空温度场下解吸脱附的原理, 使粉末在经过真 空环境的温度场下动态运动时粉末表面吸附的气体 充分解吸, 因而有效解决了原始颗粒边界和热诱导 孔洞缺陷问题, 并且建立了自己的分析方法和理论 表达式。图 4为粉末表面热动 态除气处理 PPB 改 [ 3] 善效果比较 。
F ig 3 . 图 3 粉末的形貌及组织 ( a) AA 粉; ( b) PREP 粉 SEM mo rpho logy of powder and its m icro structu re ( a) AA powder ( b) PREP powder ;
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1 3 3 粉末表面强韧化处理技术 . . 粉末表面改性是利用粉末自由表面易于扩散的 特点, 通过热等静压前粉末在包套中表面改性预热 处理 ( PHT ) , 使粉末颗粒表面析出相的特征参数 / ( 析出相间距, 析出相直径 ) 明显增大, 表面析 出相稳定性增强, 从而保证热等静压时颗粒界面的 充分扩散, 热 等静压后合金的 颗粒界面得到韧 化。 研究结果表明, 经粉末颗粒界面韧化处理后, 合金的
图 4 粉末表面热动态除气处理 PPB改善效果比较 ( a)未经处理; ( b) 处理后 F ig 4 Co parison of i proved PPB effec t by po der . m m w degass ing ( a) untreated pow der ( b) treated powder ;

塑性和持久性能提高近一倍, 并改善了合金的断裂 行为, 断裂由沿颗粒断裂变为穿颗粒断裂。图 5为 [ 3] 粉末表面改性处理对合金性能的影响 。 1 4 夹杂物的遗传性研究 . 粉末高温合金中的夹杂物主要来源于母合金熔

图 5 粉末表面改性处理对合金性能的影响 ( a)拉伸性能 ; ( b)持久性能 F ig 5 . Effect of PHT on a lloy prope rties ( a) tension property ( b) rupture property ;

炼的坩埚耐火材料、 熔炼过程中的脱氧产物、 雾化制 粉用的漏包、 喷嘴及粉末的后续处理过程。目前, 已 采取相应的去除夹杂措施, 粉末的纯净度已获得明 显改善, 但合金中的非金属夹杂物尚未达到技术要 求。夹杂物对粉末高温合金盘件的冶金质量和力学 性能的影响直接关系到盘件 使用的安全、 可靠性。 为此, 开展了对三种有代表性的夹杂物 ( A l2 O3 既不与基体反应 也不变形; S i 2 O 不变形; 莫来石 与基体反应但 既与基体反 应又变形 ) 从母合

疲劳的微观力学特征, 从微观角度揭示了夹杂物对 裂纹萌生、 扩展和材料失效的影响规律, 并结合计算 机模拟夹杂物对合金盘件低周疲劳寿命的影响, 为 涡轮盘中夹杂类缺陷容限的研究提供依据
[ 5]



1 5 热等静压包套设计的数值模拟及包套充填与 . 封焊技术 为实现复杂形状涡轮盘的热 等静压近尺寸成 形, 应用有限元模拟技术研制了热等静压致密化过 程分析软件, 实现了复杂形状包套近尺寸成形的高 精度设计和盘件的近尺寸成形。该软件还可针对盘 件大中心孔在热等静压过程中的扩张或收缩、 包套 封焊的设计以及包套壁厚的选择等问题进行可靠的 预测。图 6为涡轮盘包套热等静压前后计算机分析 与实测结果比较。近尺寸包套设计与制备技术在航 材院的电子束包套充填封焊设备上装套后经热等静 压成形得到了满意的验证结果
[ 3]

金熔炼到最终热处理过程中各工艺状态的特征 ( 成 [ 4] 分、 尺寸、 形态及分布等 ) 进行遗传性分析研究 。 结果表明, 三种夹杂物在各工艺过程中与基体之间 的界面结合方式和元素分布表现出 不同的行为特 征。同时, 开展了夹杂物对粉末高温合金涡轮盘低 周疲劳 ( LCF) 寿命的影响研究: 在扫描电镜 ( SEM ) 下 观察含有 夹杂物的 FGH 96合金原位拉伸和原位



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图 7 FGH95粉末盘 + K418精铸叶片环 H IP 复合整体叶盘 图 6 涡轮盘包套热等静压前后计算机分析与实 测 结果比较 F ig 6 Comparison of compu ted and m easured results . of capsule sizes before and after H IP F ig 7 H IP bonded blisk produced fro FGH 95 . m d isc + casted K 418 b lade r ing s

1 8 盘坯的热机械处理与大气下等温锻造技术 . 热等静压粉末高温合金盘坯经热机械处理后, 可以获得平均晶粒尺寸小于 10 m 的稳定等轴细晶 组织, 超塑延伸率可以达到 825 ; 在恒应变速率等 % 温压缩变形时, 流变应力比热等静压态有较大幅度 的降低, 稳态流动时 合金流变应力只 有 50 M Pa 左 右。粉末盘成型采用热机械处理 + 超塑性大气等温 锻造的工艺路线, 已研制出外廓尺寸为 680mm 的 粉末高温合金涡轮盘等温模锻件。等温锻造模具材 料采用铸造高温合金或金属间化合物, 其在等温锻 造温度下的屈服强度可达 400~ 500 Pa 。 M 1 9 盘件热处理技术 . 粉末高温合金涡轮盘在制备过程中热处理是最 关键的工艺之一, 它决定了盘件最终的组织、 性能及 完整性。由于粉末高温合金材料合金化程度高, 相含量高, 零件形状复杂, 体积及重量大, 热处理工 艺控制对盘件组织和力学性能、 盘件热加工后的残 余应力和 盘件完整性至关重要
[ 1] [ 9]

1 6 粉末高温合金热等静压致密化成形与组织控 . 制技术 热等静压技术是国内外用于粉末制件致密化成 型的重要技术手段。通过对粉末高温合金在热等静 压过程中压力、 温度和保温时间对材料致密化以及 组织性能影响的研究, 实现粉末高温合金涡轮盘热 等静压致密化和近尺寸成型工艺过程控制, 还为后 续的等温锻造和热处理提供预制坯的形状、 尺寸和 组织准备。 1 7 双合金热等静压复合连接技术 . 采用热等静压 ( H IP )技术可将粉末高温合金涡 轮盘材料与铸造叶片材料复合连接成无机械连接的 具有剪裁结构的整体涡轮 叶盘 ( B lisk)。它可将具 有高温高强的叶片材料与中温高疲劳性能的涡轮盘 材料通过热等静压工艺复合在一起, 实现双合金盘 片的最佳组合。而整体铸造叶盘单一铸造合金不能 兼顾盘心、 盘缘及叶片的性能; 与机械榫槽连接的叶 盘结构相比, 它可以大大减少机加工量, 减轻部件结 构重量, 从而提高涡轮转速和性能。在整体叶盘的 制备中, 盘与叶片材料的 匹配, 对偶 材料的界面处 理, 以及盘与叶片热等静压复合连接及热处理工艺 等是关键技术。图 7是 FGH 95粉末盘 + K418精铸 叶片环复合成型的整体叶盘
[ 6]

。为了实 现粉末

盘热处理后力学性能与热加工残余应力匹配控制的 目标, 开展了不同 热处理参 数对 FGH 95 和 FGH 96 两种合金组织和性能影响规律的研究, 以及多种淬 火介质的冷却特性, 盘件热处理毛坯形状优化设计, 盘件热处理淬火冷却路径及淬火方式优化控制等多 方面研究, 并建立起相应的设备工装条件。最终根 据发动机对盘件的不同要求选择材料, 确定相应的 热处理制度, 基本实现粉末盘热处理后力学性能与 热加工残余应力优化控制目标。 1 10 粉末高温合金盘件超声波无损检测技术 . 在涡轮盘研制过程中, 根据各工艺阶段材料声 速、 声衰减等超声特性, 对盘件中缺陷的可检性做出 分析和评价, 针对材料声学特性, 确定相应的检测方



盘芯、 盘缘双合金热等静压复合连接技术还可 以用于制造双合金双性能涡轮盘, 使得盘芯材料具 有较高的屈服强度、 抗拉强度和低周疲劳性能, 盘缘 材料具有较高的高温蠕变抗力与较好抗裂纹扩展性 能。双性能盘制造技术充分体现了粉末冶金技术剪 裁结构, 组织控制灵活等特点。

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法和检测参数。对比研究水浸聚焦法与接触法检测 分析技术, 以及分区聚焦法与不分区聚焦法检测缺 陷的检测灵敏度, 最终确定全尺寸高压涡轮盘采用 多区聚焦检测方法, 根据盘件的厚度, 分多个区进行 检测, 设计和选择合适的探头参数, 研究不同聚焦探 头的声场分布情况, 对盘件不同深度处的检测灵敏 度进行测定和分析, 并制定相应的检测标准。盘件 在全深度范围内可检测到 0 4mm 平底孔-18dB当 . 量的缺陷, 最高可检测到 0 4mm 平底孔-24dB 当 .
图 8 FGH96合金缺口试样 (K t = 1. 7)喷丸前 后高温旋转弯曲疲劳 ( RBF) S- 曲线 N F ig 8 H igh te pera ture rota te . - m -bend fa tigue SN curve o f FGH 96 a lloy n ick speci ens m before and afte r sho t peen ing trea t en t m

量的缺陷, 提高了盘件缺陷检测的灵敏度, 为盘件的 [ 1] 可靠性提供有效保证 。 1 11 粉末高温合金盘件喷丸强化处理技术 . 粉末高温合金涡轮盘在使用过程中, 盘件表面 完整性和盘件表面应力状态对使用的安全可靠性和 寿命有重要影响。通过涡轮盘表面喷丸强化处理工 艺可以提高盘件表面完整性, 并使盘件表面形成微 晶组织, 同时在盘件表面形成压应力, 抑制表面萌生 疲劳裂纹。图 8为 FGH 96合金缺口试样 (K t = 1 7) . 喷丸前后的高温旋转弯曲疲劳 S- 曲线, 可以看出, N 喷丸处理可以使高温疲劳抗力提高约 19 8 。 % 1 12 盘件关键加工过程计算机数值模拟技术 . 针对粉末高温合金盘型件形状复杂, 热加工工 序多, 难度大, 质量控制要求高, 价格昂贵的特点, 采 用计算机数值模拟的方法对粉末盘热工艺过程进行 模拟与性能预测技术研究, 可减少试验次数, 节约昂 贵的材料, 加快从预研到工程化的试验进程, 提高涡 轮盘研制质量。 应用 Kuhu & DOwney的粉末屈服准则, 将热等

静压的致密化过程按轴对称非稳定温度场进行有限 元分析, 并编制有限元分析软件, 热等静压成形过程 模拟得到盘件的温度和密度场分布 (图 9) 。经热等 静压致密化工艺过程控制及验证, 盘件和预制坯得 到所要求的显微组织 。 采用 M arc AutoF orge软件对高温合金粉末盘的 . 锻造过程进行初步数值模拟, 研究变形过程中坯料 的流动充填规律和各 力学量场的变化规律, 图 10a 为涡轮盘等温模锻工艺过程模拟分析结果。另外通 过对不同尺寸、 形状、 结构的铸造高温合金等温锻模 具加热过程的热载分析, 预测模具所能承受的最大 温度梯度及模具各部位的热应力分布, 图 10b为模 具结构设计模拟结果。
[ 3]

图 9 热等静压过程致密化和温度场模拟 F ig 9 Compact and te perature fie ld s i u la tion dur ing H IP pro cess . m m

为了使盘件固溶后不产生过大的淬火相变组织 应力和热应力, 避免盘件在淬火时产生淬裂或变形, 采用 Ansys软件对高温合金粉末盘的热处理过程不 同冷却条件下温度场、 应力场及形变量进行模拟计

算分析, 图 11为热处理过程温度场、 应力场模拟分 析结果。该研究为保证大型复杂结构的粉末高温合 金涡轮盘件热处理淬火完整性、 控制盘件淬火残余 应力且使盘件达到足够的力学性能奠定了基础。

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图 10 高温合金粉末盘的锻造过程数值模拟 ( a) 涡轮盘等温模锻工艺过程分析; ( b) K21合金模具结构设计 F ig 10 S i u lation of forg ing pro cess fo r P /M supe ra lloy turb ine disc . m ( a) process analysis o f iso the r al die rg ing fo r turbine d isc m -fo ; ( b) structure design o fK 21 alloy die

图 11 热处理过程温度场、 应力场模拟分析结果 ( a)温度场模拟分析; ( b) 应力场模拟分析 F ig. 11 Si ulan t results of HT te pera ture and stress fie lds m m ( a) si ulant ana lysis o f temperature fie ld; ( b) si ulant ana lysis o f stress fie ld m m

2 结束语
( 1) 我国研制的两代粉末高温合金 FGH 95 和 FGH 96 通过预先研究、 , 应用研究及工程化研究, 先后进入考核和应用。第三代 800 以上粉末高温 合金将起步研制。 ( 2) 现阶段我国粉末盘制备的基本工艺路线为 快速凝固预合金粉末 + 直接热等静压成型或热等静 压预制坯 + 大气下等温锻造。 ( 3) 粉末表面净化和表面 强韧化处理技术、 包 套设计与装填封焊技术、 热等静压致密化成型技术、 预制坯热机械处理技术、 大气下盘件等温锻成型技 术与固溶处理组织控制技术等关键技术的突破, 保 证了粉末盘组织与性能稳定化和盘件完整性。 ( 4) 数值模拟与验证技术的应用提高了粉末盘 的质量和研究进度。 ( 5) 具有剪裁结构的双性能涡轮盘和整体叶盘 ( B lisk) 是粉末盘制造技术的主要发展方向。

参考文献:
[ 1] 汪武 祥, 邹 金 文. 粉 末高 温 合金 涡 轮 盘技 术 发 展 研究 [ A ]. 航空先进材料与热工 艺会议 文集 [ C ]. 北京: 中国 航空学会, 2005. [ 2] 中国航空材料手册编委会. 中国航空材料手册, 第 五卷: 粉末高温 合 金 [ M ]. 第 二版 . 北 京: 中 国 标 准 出 版 社, 2002 29- 47 . . [ 3] W ANG W u iang M AO Jian, YANG W an-hong et al. T he -x , , deve lopm ent and application of H IP o f supera lloy s in av ia tion industr ies of Ch ina [ A ]. In ternational Conference on ( H IP 99) [ C ]. Be ijing I P 1999 58- 69 : A , . . [ 4] 邹金文, 汪武祥. 粉末高温合金中夹杂物特征及其对材料断 裂行为影响的研究 [ J]. 金属学报, 1999 35( 10): 81- 84 , . [ 5] 周晓明, 汪武祥, 杨洪涛, 等. H IP 态 FGH96合金 中人工 加入非金属夹杂物的特 征 [ J]. 航 空材料 学报, 2005, 25 ( 4): 1- 5. [ 6] HE Feng WANG W u iang Study of P /M superalloy blisk , -x . prepared by H IP d iffusion bonding[ A ]. International Confer ence on(H I 02) [ C]. M oscow Russia V ILS, 2002 75- 80 P : . .

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Developm ent and Application of P /M Superalloy
ZOU Jin-w en , WANG W u iang -x

( B eijing Institute of A eronautica lM ater ia ls Be ijing 100095, Ch ina) ,

Abstrac t P /M supe ra lloy beco es ex ce llentm a terial for fabricating turb ine d iscs used for advanced av iation eng ing due to its spec ia l : m structure and properties. T o advance the app licab le property and secur ity o f aviation eng ing the m a terial from m e lting o rig ina l alloy to , eng inee ring app lication o f turbine d isc w as studied, and re arkab le results in aspect of so m any key techno log ies we re gained due to the m resu lt o f the foundation o f fabricating techn ique fo r turb ine d isc and the estab lishm ent of process and testing docum ents N um er ica l si . m u lation is w idely used to fabricate P /M turb ine disc fo r the purpose o f shortening study ing per iod and opti izing processes and the pre m , paratory exper i enta l resu lts w ere ach ieved m . K ey word s av iation eng ing : ; turb ine disc P /M supera lloy ;



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