法国N19新型粉末高温合金的研发动态及进展.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-81-工 业 技 术一直以来，为航空飞行系统提供动力的燃气涡轮发动机性能的提高主要应归功于涡轮盘和叶片新材料技术的发展。粉末冶金（PM）路线制备的大型压气机和涡轮盘使高温部件寿命显著增加。这项技术最初由美国开发，大多镍基高温合金都是为某型发动机专门设计的。法国拥有独立自主的高温合金研发路线，主要是由斯奈克玛公司（Snecma）主导推动，并成功将新材料应用于飓风战斗机的 M88 发动机中1。法国粉末高温合金的研发具有自己独特的思路和方式，例如N18、NR3、N16 等盘合金的成功设计和应用标志着法国在国际高温新材料的研发中具有一席之地。目前，N19 合金是法国最新的粉末高温合金，本文将综述该合金的设计、工艺、显微组织与性能，为国内粉末高温合金设计与开发人员提供借鉴。1 N19合金的开发背景与设计思路1.1 合金成分设计和筛选法国对粉末高温合金的开发可追溯到20世纪70年代末，主要由法国国家航空航天研究中心（Office National d Etudes et de Recherches Arospatiales，简称 Onera）进行研制2。在20 世纪 80 年代早期，法国飞机发动机制造商 Snecma（现在的 Safran Snecma）启动了军用发动机 M88 的研发项目，为Dassault 公司的飓风战斗机提供动力。为了满足 M88 发动机对涡轮盘的严格要求，Snecma 希望使用一种新的粉末高温合金来保证盘件可靠性。因此，Snecma、国立巴黎高等矿业学院（MINES ParisTech）和 Onera 等合作开展了合金开发计划。该计划研发出粉末高温合金 N18，后来该合金也成功应用于M88 发动机中高压压气机和高压涡轮盘。从 20 世纪 80 年代末开始，法国武器装备总署（DGA）国防采购提出了工作温度高于 700（最高为 750）的新型粉末高温合金需求。为此，Snecma、Onera 和 MINES ParisTech开展了一项合作项目，即开发一种新的粉末高温合金，要求如下3：合金能够通过固溶处理获得需要的晶粒尺寸；在750的长期热暴露下显微组织稳定性良好，没有 TCP 相析出；与 N18 合金相比，在 700的温度下具有更高的蠕变和疲劳抗性；合金密度低于 8.35g/cm3。为了满足上述要求，新型高温合金的 相含量应为40%50%，与 N18 合金相比降低了 9%27%。由于 相含量降低，需要进一步强化 基体和 相强度。通过 Cr、Mo和 W 元素间的配比调控，优化 基体和 相的化学成分。为增加 基体的固溶强化作用，适当降了 Mo 并添加 W。通过适量提高 Cr 的含量来增强高温抗氧化和耐腐蚀性，避免TCP 相在目标温度析出。其中重点平衡了 Co 的含量，原因是当 Co 含量增加时，相固溶温度通常会降低。为了强化 相，（Ti+Nb+Ta）/Al 的比值（at.%）增至 1 左右（N18 合金为 0.57）。部分设计合金与 N18 成分的对比见表 13。表 1 由 Onera 开发的盘合金名义成分合金CoCrMoWAlTiTaNbHfBCZrN1814.912.43.8-9.15.1-0.130.090.07 0.02#141513.52.21.36.35.7-0.50.10.10.12-#221214.62.915.54.6-10.10.080.10.04通过综合考虑所有合金的力学性能、显微组织稳定性和耐蚀性等，在 10 种合金中选择 2 种最优合金，即 14#合金（SMO48 合金），该合金具有高抗拉伸和抗蠕变性能和良好的相稳定性；22#合金（SMO43 合金），该合金抗拉性能高。与 14#合金相比，22#合金抗蠕变性能适中，但该合金 相含量较低，相固溶温度也较低。最终，SMO43 合金申请了专利4，并命名为 N19 合金。1.2 锻坯试制N19 合金的粉末采用氩气雾化方法制备，粉末根据 N18粉末高温合金的标准工业流程进行试制，包括筛分（53m（270 目），包套装粉和 1150热等静压（HIP）。等静压后进行热挤压变形，挤压棒尺寸为 70mm700mm。N19 的挤压条件是根据 Astroloy 和 N18 上的经验确定的，挤压温度远低于 固溶温度（1070）。坯料热挤压（HEX）后，进行等温锻造（ITF），所得饼坯直径为 200mm。挤压棒坯和等温锻后的饼坯如图 1 所示3。2 N19粉末高温合金的显微组织2.1 热变形后 N19合金的显微组织经过 HIP+HEX+ITF 后的 N19 合金的变形显微组织如图2 所示3，5-6。基体晶粒组织均匀，平均晶粒尺寸约为 3m。一次 相粗大且与基体晶粒尺寸接近，尺寸为 0.2m3m，法国N19新型粉末高温合金的研发动态及进展张林嘉（海装广州局驻贵阳地区军事代表室，贵州 贵阳 550014）摘 要：镍基粉末高温合金主要应用于航空发动机涡轮盘等热端部件，可提供比传统铸件更可靠的力学性能。法国一直是粉末高温合金独立自主研发的先行者，已研究出 N18合金并应用于军机发动机。应法国武器装备总署（DGA）国防采购的要求，法国国家航空航天研究中心（Onera）在 N18合金的基础上，成功研制出新型粉末高温N19。本文综合目前现有文献和报道，综述了 N19合金的合金设计思路、合金制备方法、显微组织特征和对应的力学性能，以期为国内粉末高温合金设计与开发研究者提供借鉴。关键词：粉末高温合金；法国；涡轮盘中图分类号：TG132文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（下）-82-工 业 技 术图 1 N19 合金热机械加工样件（a）热挤压后棒坯（b）等温锻造后饼坯图 2 经过 HIP+HEX+ITF 后的 N19 合金变形显微组织特征（a）扫描电子显微镜图像（b）局部放大的 相20m5m（c）电子背散射衍射晶粒取向分布图（d）晶内小尺寸 相的透射电镜暗场像100nm20m一次相晶粒中国新技术新产品2024 NO.3（下）-83-工 业 技 术面积分数为 25.3%。最大尺寸一次 相约为 1m3m，主要在晶界位置；0.20.8m 的 相主要分布在晶内；晶内更细小的 相（30nm100nm）可通过透射电镜暗场成像观察到（如图 2（d）所示）。因此，该合金热变形后具有+相双相组织特征。2.2 热处理对 N19合金显微组织的影响DUMONT5对 N19 锻件热处理做了大量工作，通过扫描电子显微镜观察法统计了大尺寸一次 相的含量随固溶温度的变化情况。不同固溶温度下 N19 合金大尺寸一次 相回溶量的变化如图 3 所示5。从图 4 可以明显看出，当温度越接近 相固溶温度（1150）时，晶界处一次 相含量越少，晶粒尺寸越大。晶内的二次 相和三次 相对固溶温度和冷速较敏感，DUMONT 针对 N19 合金设计了 5 种过固溶处理工艺（如图 4 所示）5，主要根据 相的溶解温度和冷却速度给出了不同工艺下晶内 相的形貌和尺寸。试验证实可以通过固溶处理的温度和冷速调控 N19 合金中二次和三次 相的尺寸和分布。3 N19粉末高温合金的力学性能N19 合金与法国上一代 N18 与美国第二代粉末高温合金 Rene88DT 室温和高温拉伸强度的对比见表 23。可以看出，在 3 个合金中，N19 合金的室温和高温强度最优异。屈服和抗拉强度提升的原因是 N19 合金在 N18 合金的基础上添加了 1at.%的 Nb 元素和 1at.%的 W 元素（见表 1）。Nb 元素主要进入 相内 Al 点位，能提高 相的反向畴界能，因此能进一步强化 相。而 W 元素既能进入 基体，起到固溶强化的作用，又可以进入 相，起到同时强化 基体和 相的作用。表 2 旋转电极制备的粉末高温合金拉伸性能对比合金牌号室温650700抗拉强度/MPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPaRene88DT161812111445109112241080N18163311301474107612341017N19164912201589110214481097Rene88DT、N18和N19粉末高温合金蠕变性能对比见表3。从表 3 中的蠕变结果可以看出，与 Rene88DT 和 N18 相比，N19 合金在 650 700下具有良好的抗蠕变性能。在650条件下，达到相同的蠕变应变 0.2%时，N19 比 N18 合金的蠕变强度提高了约 275MPa。在 700/700MPa 条件下，N19 合金 0.2%应变的蠕变时间比 N18 合金延长了约 46%。N18 和 N19 合金的抗蠕变性能均远优于 Rene88DT 合金。表 3 Rene88DT、N18 和 N19 粉末高温合金蠕变性能对比合金牌号蠕变条件蠕变应变到达0.2%的时间/h蠕变应变到达1%的时间/h蠕变寿命/hRene88DT700/550340N18700/700260700/550585650/65030N19700/7003806921140700/650462650/92530图 3 不同固溶温度下 N19 合金的显微组织（a）1110/4h（b）1130/4h（c）1140/4h （d）1150/4h20m20m20m20m中国新技术新产品2024 NO.3（下）-84-工 业 技 术（a）曲线意义示意图（b）第一种热处理 相形貌（c）第二种热处理 相形貌（d）第三种热处理 相形貌（f）第五种热处理 相形貌图 4 不同热处理工艺方法对 N19 合金 相形貌和尺寸的影响（e）第四种热处理 相形貌时间/minT台阶 ACDBET临界（下转第115页）中国新技术新产品2024 NO.3（下）-115-生 态 与 环 境 工 程航空安全锁线常用于航空制造业、直升机紧急电门、飞机安全门紧急防护等日常维护中的锁紧装置。安全锁线是以多道次拉拔后的铜线为基体，再经过镀镉并钝化后得到的。在线材生产过程中，按要求使用模具，采用合适且高质量的润滑剂可以有效地提高线材表面质量。拉拔线材的表面质量不仅会影响电镀后成品的表面质量，也会影响其使用寿命。在电镀过程中，阴极电流效率达不到 100%就会使镀层中出现闭孔或坑型缺陷，使腐蚀易于发生1。李明等2发现，镀镉层在海洋大气环境中的腐蚀主要包括含 Cr 钝化膜的局部破坏和镀层本身的腐蚀 2 个方面，腐蚀产物会堆积在镀镉层表面的细小裂纹内，并逐渐扩大。此外，相关研究表明3，不锈钢表面钝化膜的电化学行为会受到 H 元素的影响，特别是在含有氯化物的环境中。本文将对安全锁线发生腐蚀的机理入手，对其进行分析，以期为生产合格的航空安全锁线提供指导依据。1 材料及分析方法本研究所涉及的安全锁线来源于美国某主流线材制造公司，基体材料为黄铜，化学成分见表 1，直径为 0.5mm，表面状态为 TYPE、CLASS2，分析前存放于仓库中未使用。该锁线的制备工艺如下：冷拔铜丝热处理（消除应力）清洗电镀镉烘烤（去氢脆）铬酸盐处理干燥。首先，对锁线进行外观观察，截取等长安全锁线若干进行制样，其次，使用配置有能谱仪（EDS）的 ZEISS Sigma 300 扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观表面，最后，进行成分分析。横截面则依次使用水砂纸和金刚石研磨膏精磨到 6000#后用扫描电子显微镜观察。表 1 基体材料化学成分（质量分数）（单位：%）基体材料CuPbFeZn黄铜990.050.051航空安全锁线表面缺陷分析及改进措施黄利宾陈齐宋袁曾（上海飞机制造有限公司，上海 200000）摘 要：针对未使用的航空安全锁线出现镀层脱落露出基体的表面缺陷问题，运用配置有能谱仪的扫描电子显微镜对样品进行观察及分析。结果表明，当锁线生产时表面会产生肉眼不可见的鼓泡，在 H 元素和海洋大气环境下会发生破裂和腐蚀；裸露基体是因为镀层厚度不够，拉伤痕迹处钝化膜脱落，镀层被氧化且与基体形成原电池，加速镀层的腐蚀。关键词：航空安全锁线；表面缺陷；镀镉层；钝化膜中图分类号：V214 文献标志码：A4 结语法国新型粉末高温合金 N19 是法国自主研发的最新合金，其合金成分设计思路与欧美系合金（如 Rene95、Rene88DT、Rene104 和 RR1000）和俄系合金（EP741NP）具有根本区别。作为法国航空发动机涡轮盘的备选材料，N19合金表现出稳定的显微组织和优异的力学性能。然而，N19合金化程度复杂，国内、外对其报道较少，很多性能（耐氧化腐蚀性能、长时热稳定性和蠕变性能等）还没有详尽的数据，合金的变形机理尚不明确。一方面，该合金的开发思路可以为粉末高温合金开发、设计和研究人员提供参考，另一方面可以深入研究该合金变形机理，必要时可通过成分改性进行二次开发，为我国粉末高温合金的发展奠定基础。参考文献1CARON P.French Research and development activities on high-performance superalloys for gas turbine componentsJ.Materials science forum，2007（5）：546-549，1179-1186.2GUEDOU J Y，LAUTRIDOU J C，HONNORAT Y.N18，Powder metallurgy superalloy for disks：Development and applicationsJ.Journal of materials engineering and performance，1993，2（4）：551-556.3AlVARADO VARGAS K.Grain growth under the influence of Smith-Zener pinning：multiscale modeling and application to nickel-based superalloysD.Paris：Ecole nationale suprieure des mines de Paris，2022.4ISABELLE A L，PIERRE C，JEAN-YVES G，et al.Nickel-based alloy：EP1840232A1P.2007-10-03.5DUMONT A.Effect of heat treatment parameters on the microstructure and on the mechanical properties of a powder metallurgy nickel-base superalloyD.Paris：Ecole nationale suprieure des mines de Paris，2013.6ALVARADO K，JANEIRO I，FLOREZ S，et al.Dissolution of the primary precipitates and grain growth during solution treatment of three nickel base superalloysJ.Metals，2021，11（12）：1921.（上接第84页）