張瑞1,劉鵬1,崔傳勇,1,曲敬龍2,張北江2,杜金輝2,周亦胄1,孫曉峰1

渦輪盤作為航空發(fā)動機(jī)燃燒室和噴管之間的核心部件，其性能對航空發(fā)動機(jī)的推重比、熱效率和壽命起著至關(guān)重要的作用[1~3]。由于渦輪盤功能重要，服役環(huán)境苛刻，受力狀態(tài)復(fù)雜，被譽為“航空發(fā)動機(jī)的心臟部件”，渦輪盤主要采用變形高溫合金制造，渦輪盤用變形高溫合金占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的20%左右[4]。因此，渦輪盤用變形高溫合金也成為一個國家材料設(shè)計和制備水平的總體表現(xiàn)和標(biāo)志之一。

隨著航空航天工業(yè)迅速發(fā)展，飛行器推重比增大，發(fā)動機(jī)部件的工作溫度不斷提高，推動了渦輪盤用變形高溫合金的研發(fā)與應(yīng)用。為滿足航空發(fā)動機(jī)的工況要求，渦輪盤用高溫合金承溫能力已經(jīng)上升到700℃以上，該類合金有GH4065[5]、GH4720Li[6]、GH4068[7]和GH4151[8]等。為了提高合金的服役性能，滿足高溫強(qiáng)度需求，會在高性能渦輪盤用變形高溫合金中添加大量的固溶強(qiáng)化元素(W、Mo)、γ'相形成元素(Al、Ti、Nb)和降低層錯能元素(Co、Ta)。然而，高合金化程度不僅提高了合金的制備成本，而且增加了合金熱變形和組織性能調(diào)控難度[9]。

雖然粉末冶金是解決先進(jìn)渦輪盤制備難加工問題的一個途徑，但從生產(chǎn)效率和成本控制方面考慮，鑄鍛工藝仍然具備突出的優(yōu)勢。為了促進(jìn)渦輪盤用難變形高溫合金的發(fā)展，本文總結(jié)了我國渦輪盤用鑄鍛難變形高溫合金熱加工的研究現(xiàn)狀，針對近年來鑄鍛制備過程中的均勻化處理、開坯鍛造、盤件鍛造和組織性能調(diào)控等方面取得的進(jìn)展和存在的問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。希望借此促進(jìn)渦輪盤用鑄鍛難變形高溫合金的發(fā)展，提高技術(shù)成熟度，保證渦輪盤的生產(chǎn)效率和成材率，使渦輪盤用鑄鍛難變形高溫合金的制備和研究水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。

1合金的種類

渦輪盤用變形高溫合金中含有10種以上合金化元素(圖1[10])，這些元素中W和Mo可以大量地溶解到γ基體中，并且這些合金元素的原子半徑比Ni原子大，所以會使基體產(chǎn)生晶格畸變，從而獲得優(yōu)異的固溶強(qiáng)化效果。耐700℃以上渦輪盤用難變形鎳基高溫合金中，由于Al + Ti + Nb的添加會析出L12結(jié)構(gòu)的γ'-(Ni3(Al, Ti, Nb))沉淀相，γ'相的數(shù)量、尺寸、分布和反相疇界能對合金的強(qiáng)化機(jī)制起著關(guān)鍵性的作用，一般情況下提高γ'相含量和反相疇界能會增加合金的強(qiáng)化效果從而提高服役溫度。除了上述主要元素外，渦輪盤用變形高溫合金中還會添加C、B和Zr等微量元素，這些元素不僅能形成細(xì)小的碳化物和硼化物，起到強(qiáng)化作用，還能偏聚到晶界處，提高晶界的結(jié)合力，改善合金的中溫脆性，協(xié)同提高合金的強(qiáng)韌性。渦輪盤用變形高溫合金設(shè)計思路是通過高合金化，使固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和晶界強(qiáng)韌化等傳統(tǒng)的強(qiáng)韌化效果提升，從而使合金熱加工后獲得優(yōu)異的使役性能。

圖1

圖1鎳基高溫合金中的合金化元素[10]

Fig.1Alloying elements present in nickel-based superalloys[10]

目前，國內(nèi)研制應(yīng)用的典型渦輪盤用變形高溫合金的名義成分和特征參數(shù)分別如表1[11~14]和2[15]所示。GH4065合金是在René88DT合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良[16]，降低了C元素的含量，固溶強(qiáng)化元素含量較高，γ'相形成元素含量比U720Li低，γ'相溶解溫度約為1113℃，允許加入少量的Fe，所以該合金的熱加工性能明顯優(yōu)于U720Li合金；GH4065合金中Al和Ti等γ'相形成元素的含量比GH4169合金明顯增多，所以含有更多的γ'相；GH4065合金中固溶元素W + Mo的含量(8.0%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)相對較高，該合金在700℃仍然具有優(yōu)異的強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化性。GH4720Li合金與美國的U720Li合金成分相近，該合金在U720合金的基礎(chǔ)上降低了間隙原子C和B等元素的含量，減小了針狀碳化物和硼化物的析出，降低了疲勞裂紋敏感性；合金中的Cr含量在15%左右，避免長期使用過程中形成σ相，由于Al + Ti含量高達(dá)7.5%，所以該合金在中溫服役溫度區(qū)間γ'相接近50%，通過熱加工調(diào)控后合金中的γ'相呈多尺度分布，使GH4720Li合金具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能；GH4065和GH4720Li合金由于含有15%左右的Cr，氧化過程中表面能夠形成一層Cr2O3膜，使合金在750℃以下均屬于完全抗氧化級別。GH4068合金的Al + Ti含量接近8.0%，并且Ti/Al比高于U720Li合金，提高了γ'相的反相疇界能，阻礙了位錯等缺陷的運動，同時通過調(diào)控該合金中Co和Ta元素的含量(Co + Ta = 25%~27%)，降低了合金的層錯能，增加了中溫區(qū)服役過程中層錯或微孿晶的體積分?jǐn)?shù)，使層錯/微孿晶等缺陷相互交割產(chǎn)生強(qiáng)化效果，形成“孿生強(qiáng)化”[17,18]。因此，GH4068合金的承溫能力比U720Li合金提高了30℃以上，該合金有望成為高性能航空發(fā)動機(jī)渦輪盤材料。

表1典型航空發(fā)動機(jī)渦輪盤用變形高溫合金的名義成分[11~14](mass fraction / %)

Table 1Normal compositions of cast & wrought superalloys for aero-engine turbine disk[11-14]

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表2典型航空發(fā)動機(jī)渦輪盤用變形高溫合金的特征參數(shù)[15]

Table 2Characteristic parameters of cast & wrought superalloys for aero-engine turbine disk[15]

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幾種渦輪盤用合金的蠕變機(jī)制如圖12[48]所示。在低溫高應(yīng)力下，1/2<110>位錯對切入γ'相形成反相疇界(APB)是合金的主要蠕變變形方式；低溫低應(yīng)力環(huán)境下，成對的位錯無法像上述方式切入γ'相，而是以一根全位錯在γ/γ'相界面處分解成2根不全位錯切入γ'相形成層錯的方式變形；隨著溫度的升高，位錯運動加快，促使不全位錯之間的層錯在位錯帶動下不斷加厚，逐漸轉(zhuǎn)變成孿晶；當(dāng)溫度達(dá)到800℃以上時，促進(jìn)位錯攀移的發(fā)生，并且部分三次γ'相回溶使基體通道變寬，位錯從切過γ'相轉(zhuǎn)變?yōu)镺rowan繞過方式變形，所以高溫時蠕變變形機(jī)制以熱激活位錯攀移和位錯繞過γ'相方式進(jìn)行。從典型渦輪盤用合金的蠕變機(jī)制[49,50]可以看出，γ'相在蠕變變形機(jī)制中起到關(guān)鍵性的作用，因此通過改變熱處理工藝會對合金的變形機(jī)制產(chǎn)生較大影響。

圖12

圖12幾種典型合金的蠕變變形機(jī)制[48]

Fig.12Creep mechanisms of several typical disk superalloys[48]

孿生變形機(jī)制是金屬材料的一種重要的強(qiáng)化機(jī)制，這種機(jī)制可以使合金的強(qiáng)度和塑性協(xié)同提高[51]。本研究團(tuán)隊在對GH4068等Ni-Co基合金的研究過程中發(fā)現(xiàn)，通過降低合金的層錯能結(jié)合塑性變形，引入大量納米孿晶是該類合金獲得優(yōu)異的高溫強(qiáng)化效果的關(guān)鍵因素[52,53]。因此，在變形高溫合金中通過對納米孿晶界的調(diào)控，可以突破合金發(fā)展對稀貴金屬的過度依賴性，解決合金成本攀升和成形困難等一系列問題。國內(nèi)在通過調(diào)控層錯能獲得微孿晶強(qiáng)化，從而提升高溫合金性能等方面研究已具有一定的基礎(chǔ)[54]，該方法有望為高性能變形高溫合金的發(fā)展提供新的設(shè)計思路。

6總結(jié)和展望

在渦輪盤用合金設(shè)計方面，現(xiàn)有的渦輪盤用合金服役溫度還很難超過800℃，為了突破這種溫度瓶頸，科研人員需要充分理解歐美和俄系等合金的設(shè)計理念，揭示各種合金元素的交互作用，實現(xiàn)固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和微孿晶強(qiáng)化等多重強(qiáng)化效果。詳細(xì)研究各類高溫合金的變形機(jī)制也是一項具有重要意義的工作，基于變形條件以及微觀組織形貌等變量，繪制出合金的變形機(jī)制圖，以便充分理解各種強(qiáng)化理念，從而根據(jù)性能需要有針對性地去設(shè)計渦輪盤合金。通過增加Al、Ti和Nb的含量并控制Ti/Al比，來提高合金中的γ'相含量是一種最有效的提高合金承溫能力的方法，在提高γ'相含量的時候需要考慮2個問題：(1) 提高合金強(qiáng)度的同時需要考慮合金的熱穩(wěn)定性，防止服役過程中產(chǎn)生TCP相，造成服役性能降低；(2) 合金的變形抗力大、熱加工窗口小，目前工程上可制備的難變形高溫合金中γ'相含量(服役溫度區(qū)間)上限是55%，無法進(jìn)一步提高γ'相含量。微孿晶強(qiáng)化是解決上述問題的有效方法之一，研發(fā)人員可以考慮通過降低合金的層錯能，使合金在服役溫度區(qū)間變形時產(chǎn)生高密度的微孿晶，這種相互交割的面曲線可以顯著提高合金的強(qiáng)度，當(dāng)溫度升高到加工溫度區(qū)間時，合金中γ'相回溶，變形機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)再結(jié)晶機(jī)制，所以微孿晶強(qiáng)化效果失去作用，因此不會存在沉淀強(qiáng)化引起的服役性能和加工性能的“倒置關(guān)系”。未來，沉淀強(qiáng)化的高鈷或鈷基變形高溫合金也許是渦輪盤用合金的一個熱門研究方向，鈷基合金不僅具有優(yōu)異的抗氧化性和焊接性，而且其層錯能低容易實現(xiàn)微孿晶強(qiáng)化，同時該類合金具有更大的熱加工窗口。

在渦輪盤熱加工方面，隨著各類先進(jìn)制造裝備的投入和工藝的改進(jìn)，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)各類渦輪盤用難變形高溫合金產(chǎn)品。但是，面臨的主要問題是熱加工成材率低和工藝穩(wěn)定性差，合金坯料在冶煉、變形和熱處理等各個過程中都容易由于應(yīng)力導(dǎo)致開裂失效，使合金的制備成本提高，生產(chǎn)周期延長。所以必須構(gòu)建渦輪盤用難變形合金的大數(shù)據(jù)庫，建立精確的本構(gòu)模型和開裂失效準(zhǔn)則，合理地利用有限元方法指導(dǎo)實際生產(chǎn)，實現(xiàn)可視化預(yù)測，防止應(yīng)力過大造成的開裂失效；在合金中添加稀土或微量元素，提高合金鑄錠的純凈度，減小非金屬夾雜物含量，提高晶界結(jié)合力；熱加工過程中合理地設(shè)計中間退火工藝，減小坯料熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，調(diào)控γ'相尺寸和分布，提高坯料的熱塑性，實現(xiàn)難變形高溫合金盤件增塑成形；同時，生產(chǎn)過程中必須保證原材料、設(shè)備運行狀態(tài)和操作工藝等方面的穩(wěn)定性，盡量采用自動化操作，防止人為因素造成的工藝不穩(wěn)定性。

總之，渦輪盤用高溫合金的發(fā)展不是一蹴而就的過程，需要大量數(shù)據(jù)的積累，才能充分掌握和揭示合金設(shè)計和制備過程中遇到的科學(xué)問題；這也需要研制、生產(chǎn)和設(shè)計單位的數(shù)據(jù)共享，針對需求牽引，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

來源--金屬學(xué)報