苏联高温合金制造技术的发展黄福祥苏联高温合金的发展是从四十年代后期随着喷气技术的发展而开始的，在五十至六十年代得到了最大的发展。这一期间的主要科研方向是研究合金元素的影响，并寻找最佳的合金成份，结果研制成功了一批“aM”和“an”系列的高温合金牌号(现已开始新的“9K”系列)，铸造合金则形成了“撤C”系列，其中一部分在航空和其他工业部门经过生产和使用的考验，投入批量生产，并形成了苏联的高温合金系列。目前在苏联，高温合金不仅在航空工业中得到大量应用，在其它工业部门如航天、能源、交通和化工等部门也得到了较多应用，甚至在高功率拖拉机和联合收割机用发动机的涡轮压缩机上也得到了应用。图1示出了苏联涡轮叶片合金的发展概况．合金持久强度与强化相Y，数量的关系示于图2¨1。苏联航空用叶片合金在50～60年代已达到了很高的水平，六十年代以后发展趋于缓慢。现在用传统方法生产镍基高温合金。实际上已达到了合金化的极限，Y，相含量已高达60呖，因此从七十年代开始高温合金的发展趋向于采用新的工艺手段和工艺路线来提高U·850●A_800／aH82／an66l p31／ i}， o／3H445P≯9H：i37B31-[2023M437A曲”60‘一年代．图1在应力6=250MPa时寿命为lOOh(1)和1000h(2)的合金工作温度水平的提高现有高温合金的质量和眭能水平。据美国G eneralMotorsi涧的数据。高温合金现有工作中的70．％是放在完善或研制新的生产工艺上。在铸造合金方面，苏联首先发展了定向凝固和单晶技术；在变形合金方面从六十年代开始采用双真空熔炼和电渣重熔等强化熔炼工艺，以后又发展了粉末高温合金和弥散强化合金以及复合材料等技术。但由于技术保密原因，有关这类新技术的研究报道甚少，因此本文的介绍可能不全面。有些是过时的，仅供参考。58．航空材料9卷苏联在六十年代成功地解决了空心叶片的铸造技术，并从1960年开始研制mC6K合金的定向铸造技术，于七十年代初研制成功，还建立了生产定向铸造叶片的自动化通道武连续炉nMn一1署NYIM-兀一-2，每昼夜生产360～480个叶片，合格率达80～e0移。定向叶片的主要优点是消除横向晶界，使合金在高温下的持久强度比等轴铸造高20N30MPa，提高合金的塑性，并使热疲劳性能提高几倍，从而提高叶片的工作可靠性和寿命，虫IIHK一12型发动机铸造叶片的额定寿命为3000h，在固定式燃气涡轮上为4000h．并将延长到h。定向铸造HK一4合金的a?：：。。=170MPa．6=20～30％，铸件尺寸可与大型叶片尺寸相比1-5。日山苫^ b赵慰≤建图2合金持久强度与强化相^r，数量的关系： l一寿命100b，2一寿命，滴度8cto’c因为铸造合金的热强性比相同成分的变形合金高，材料利用率高达0．8—0．95，而变形合金仅为0．15．_0．25，制造叶片时的劳动强度可比变形合金降低3～4倍，并可获得复杂的空心拎却叶片，以进·步提高叶片工作温度，而且铸造合金中的扩散过程比变形合金进行得慢些，所有这些优越性均保证了铸造高温合金的广泛应用。目前在高眭能发动机上广泛使用铸造高温合金制造工作叶片和导向叶片，实际上已把变形高温合金挤掉了，变形合金只用于工作温度较低和尺寸较大的工作叶片。定向共晶合金也得到了一定的发展。这种合金的组织是在比较软的基体中生成金属问化合物或碳化物的强化纤维。共晶合金甚至接近熔化漫发仍具有高的热强牲。如Ni。Al+Ni sNb共晶熔化温度为1280℃，低于现代Ni基高温含金的熔化温度，但其热强陛比后者要高得多r表lJ。N i。A1+N i。Nb共晶合金的高温持久强度a1 iO。。0一150～160MPa，o1：：：=220MPa， a：：：：=150MPa，1200℃的叽一400～450MPa，它的主要缺点是室温塑陛低：曾研究了制造涡轮叶片的工艺，并获得了具有复合组织的定向结晶叶片。用碳化物纤维强化的组织的缺点是低的热稳定陀，因为膨胀系数相差太大。定向组织的最大缺点是横向强度和塑l生较低‘5。1。，‘表1几种共晶合金的性能比较共晶系，统【Ni sAl+Ni3N bNi／Ni3Alq—Ni3N b1Co+CrTC s1100。C持久 o,MPaI150 l120J8020"c延伸率，％37～135 f80,v3531．2～2．5I1．6～3．5Ni—A1系统的金属问化合物如Ni3A1NNiAl至1200℃具有很高的抗氧化能力和较高的热稳定陛，但因为它在室温下塑眭(6一o．3NO．8％)和强度(300～d00MPa)都低，4期苏联高温合金制造技术的发展59因而长期不能作为结构材料使用。据文献∞1报道，用Cr，W，Ti对Ni3AI基铸造合金进行合金化而得到的合金，其室温强度为crb=800～900MPa，6=5—7％，达到了铸造耐蚀合金相同的水平，而在1100和1150℃的持久强度达到了热强陛最高的镍基合金的水平。这种合金的优点是密度较小，在1100—1200。C有很好的抗氧化性，成份比较经济。该合金的工业试制表明，可用它翩取形状复杂的铸造异型零件和壁厚至1ram、长度>500mm的半成品。因此以Ni。Al为基的合金可用作铸造结构材料来制造异型机器零件，在高温氧化介质中，不需专门保护可长期工作。对变形合金来说，强化熔炼工艺是提高合金质量和性能的有效手段。在苏联最早采用电渣重熔来提高合金质量，电渣重熔可降低合金中硫的含量，改善合金中碳化物和非金属夹杂物的分布，提高工艺塑性，铸锭有良好的表面质量，合金力学陛能稳定。真空电弧重熔是目前高温合金采用最广的熔炼方法。为改善铸锭组织和合金眭能，苏联在这方面做了不少工作凹3。在真空自耗重熔时采用磁场(恒定，交变和脉冲式)与液态金属熔池的相互作用，可以提高枝晶组织的弥散度，减少二次轴的间距、降低偏析不均匀眭和减小过剩相尺寸，结果使铸锭宏观组织细化，提高热变形温度下的工艺塑眭，提高工作温度下的塑陛水平和减小力学陛能的分散陛。真空电弧重熔时结晶熔体的超声波处理对合金的组织和陛能也有良好的作用。其基本效用是细化铸锭的宏观和微观组织，并部分或全部消除柱状组织，结果使铸锭工艺塑性得到改善，减小各向异陛和混晶组织。在真空电弧重熔时采用电弧反极陛可使铸锭熔化速度提高20％，减少形成“柱状”缺陷的可能陆。此外在电弧重熔时往结晶器壁和铸锭之间收缩时形成的间隙中充以高热导率的He气，使铸锭加强冷却，也可细化铸锭宏观组织，改善工艺塑陛。苏联正在推广等离子电弧重熔，如莫斯科一家冶金厂计划在三年内对电弧炉车间实行改造，将敝开式电弧炉全部换成等离子电弧炉，以减少对城市的空气污染．在等离子重熔时被熔化的坯料不一定是压实状态，可以互不相关的调节输入功率和锭子的熔化速度，在重熔时有效地控制金属的低倍组织。当采用纯氩时，得到的氧含量和氧化物夹杂与真空自耗和电渣重熔相当。重熔时可以利用渣料对金属进行精炼和改眭，也可改变气氛成分，可得到无表面缺陷和成份陛能均匀的铸锭，但在熔炼N i基合金时金属对N，H，S和有色杂质的精炼不足。一些国家对In718用等离子电弧炉熔炼，其性能和真空双联法相当∞’。苏联正在发展粉末高温合金，从文献¨”123看它的基本工艺路线是制粉和热等静压压实。粉末高温合金的突出优点是能获得用普通铸造和变形方法不能得到的合金化程度很高而且在整个截面上非常均匀的组织和各向同陛的零件。用这种工艺制造零件时金属的利用系数很高，机加工的工作量要少得多。复杂合金化的粉末用微粒冶金法制取。据文献¨21报道，粉末是在Bry一2M装置上将旋转的原料在惰陛介质中雾化制取的，粉末尺寸小于0．315mm．文献¨¨则详细报道了粉末制备装置：将标准真空感应炉MCB—o．16(坩埚容量160kg)的浇注室换成雾化室，其中装有旋转的离心式杯状雾化器和惰眭气体He的循环和冷却装置，金属从坩埚中经过带有书6浇注底孔的中间漏斗流入雾化器中。这个装置可以保证惰性气体的供给量0．8kg／s和相对于从雾化器中飞出的融体质点流的速度为20 m／s。采用真空感应熔炼的9n7r41合金铸锭为原材料。微粒有三种基本的组织状态；纯枝60航空材料9卷晶组织、蜂窝状组织和过渡组织。防止枝晶组织的形成则可大大减少化学不均匀性。图3示出了融体雾化前的过热度(浇注温度)对粉末组织的影响，随冷却速度的提高(质点尺寸减小)，具有蜂窝组织的质点份量有规律的增加，如降低浇注温度使蜂窝组织质点的份量大大增加，对60～80}|tm尺寸的一组达到72％。这说明，在旋转杯中雾化时金属在雾化器中的热机械处理过程有着决定陛的作用，直至它以液滴形式离开它的表面为止。为了获得蜂窝组织的粉末，除提高冷却速度外，还可降低浇注温度，强化雾化器的冷却，提高旋转速度．以及给它以补充的超声振动等。非常重要的是消除微粒的氧化，以保证微粒边界具有足够的强度。微粒表面存在氧化膜使接触表面扩散过程变得困难，阻碍合金的压实过程，降低合金塑陛和热强陛，对冲击韧陛影响更大。微粒表面的氧化膜可能是原始质点过度氧化的结果，也可能是预先除气过程中吸附的气体没有完全排除的结果。研究表明¨2。，在储存和再加工微粒过程中，如采用的惰陛气体(如氩气)含水气和氧气

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