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航空耐高温材料综述-

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航空耐高温材料综述
摘要：现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。因此对于材料的耐高温性能有更高的要求，本文重点介绍几种发动机常用耐高温材料。
关键词：耐高温、 镍基合金、钛基合金、航空发动机
一．耐热材料发展的简述：
早在1820年，法国Faraday Stodart和Borthiu分别研制出铁—镍、铁—铬合金。1902年在法国发展了镍铬钢，当时都作为抗腐蚀材料的用途，1912年德国Kruppt获得了两种镍铬钢的专利（铁素体钢 0.15%C、14%Cr、1.8%Ni；奥氏体钢 0.25%C 20%Cr 7%Ni）它们都是现在耐热不锈钢和Fe基耐热合金的基础。在镍铬钢发展的年代里，1910年美国Haynes研制了钴基合金，由于钴基合金具有高的硬度，当时主要呗用作切削工具等。直到30年代里，人们对钴基合金的耐高温性质有了新的认识,并在蒙氏合金的基础上发展了镍基合金。这就是后来被广泛应用在燃气涡轮叶片等材料的钴基合金与各种镍基耐热合金的开端。
地面燃气涡轮动力在工业上的发展，在30年代里有力的推动了耐热材料的发展。Fe基耐热合金是当时用作涡轮盘和叶片的主要材料。40年代初钴基合金铸造问题的改进与镍基合金高温强化问题的解决，从材料上提供了航空燃气涡轮发展的条件。
二次大战以后，随着航空喷气动力技术的迅速发展，各国对耐热合金材料相继进行了大量的研究和改进，在原有基础上不断提高镍基钴基合金的高温性能；在陶瓷、金属陶瓷以及高熔点的金属材料领域展开了广泛的研究工作。
二．现代航空耐高温材料
现在的航空耐高温材料都围绕着解决高速飞行而进行巨大的研究工作，由于高速飞行的发展，无论是飞行器表面还是内部动力装置都带来了高温问题。提高发动机的推理与有效工作系数，需要提高工作温度或压缩比，比如：涡轮喷气发动机的进气温度从815度升高到1040度，推理相应增大30%--40%。这就使材料面临着高温高应力的问题，增大压缩比就需要材料在更高的温度下保持现有的抗蠕变性能。自飞机问世至2O世纪60年代初。航空发动机材料主要采用钢材和铝材，钢材主要用于发动机的齿轮、涡轮轴、涡轮盘、燃烧室外壳等一些主要承力部件的制造；而铝基材料则主要用于压气机叶轮、叶片、油泵壳体等部件。由于各部件所处工作环境不同(温度、受力等)，因此，其材料的组分也不同。但这两类材料自身的刚度、强度等固素，限制了人们对发动机性能的更高要求，特别是严重影响了发动机推重比的提高。
此外铝基材最的的提点就是易腐蚀，严重影响了发动机的使用寿命，为解决这些问题开始研制采用镍、钛合金来制造发动机主要部件，镍基主要制造火焰筒、涡轮叶片等部件，钛基材料主要用来制造压气机盘和叶片等部件。此外在60年代国外研制的涡轮发动机， 在追求高性能研制思想的指导下，变出要求高推重比、高增压比和高涡轮前温度。由于材料方面研究相对落后。造成发动机的结构故障显著增加。70年代初期，C／C复合材料开始出现．这是一种新型的特种工程材料。除了具有石墨的各种优点外。强度和冲击韧性比石墨高5—1O倍．刚度和耐磨性高，化学厦足寸稳定性好，适于高温技术领域。准备用于制造加力燃烧室筒、叶片盘整体结构、涡轮厦尾啧管等部件。但其研制、应用进展缓慢。
三．镍基合金
在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。在目前的先进发动机上，不仅涡轮叶片和燃烧室，甚至于压气机后几级叶片和盘也开始使用镍基高温合金.
高温合金的发展动力直接来自于燃气涡轮发动机的发展。为满足航空汽轮发动机推力和效率的日益增长、工作温度不断提高的需要，一些新型高温合金和先进生产制造技术及工艺相继产生 。涡轮叶片最高使用温度的提高一半得益于叶片设计，半得益于合金研发及工艺的进展，包括成分和结构的优化，。从40年代到50年代中期，合金主要是通过成分调整来提高合金性能。50年代后期以后，合金性能主要以工艺的改进来不断提高，如真空冶炼、精密铸造，不但合金化程度可以进步提高，而且合金质量容易得到保证。进入6O年代，相继出现定向凝固、单晶合金、粉末冶金高温合金、定向共晶及机械合金化等新工艺，使合金性能不断提高
镍基高温合金的发展趋势是耐高温能力更强的单晶高温合金。单晶高温合金由于其优异的高温力学性能得到了广泛应用。至今，单晶高温合金已经发展到第四代。使用温度接近合金熔点80-9096的第三代镍基单晶高温合金代表了上个世纪末高温合金发展的最高水平。目前，更加优良的第四代单晶的研制已经取得了初步进展。
镍基高温合金在高温合金的发展中占有重要地位，目前主要的研究对象是耐高温能力较好的单晶合金，主要是添加铂族元素的镍基单晶高温合金。金属间化合物，共晶，陶瓷等材料由于自身性能限制未能应用于航空发动机制造行业。
航空发动机盘用镍基超合金
该类合金的发展目标是通过增加添加元素，使其具有更高使用温度。新近发展的一种蠕变及疲劳性能更优良的镍基合金，其成分为 Ni-20Cr-1.5Ai-3-Ti-4.5Mo-13.5Co。最初采用真空感应熔炼(VIM)和真空电弧重熔(VAR)制备此合金。由于合金出现成分偏析白斑和碳化物聚集导致盘件寿命降低，美国特种金属公司(SMC)改用VIM 和电渣精炼才消除了这些缺陷，未来更新的发动机要求使用材料的温度和强度更高。最初用于叶片的Udimet720合金Ni-16Cr-2.5AI-5Ti-3Mo-14.7Co-1.25W)需采用粉末冶金方法才能制备成大型盘锻件，而现在SMC通过对熔炼和精炼工艺，以及锻造工艺的研究改进，已成功地制备了250mm直径的锻坯， 并且用在了民用和军用机的发动机上。
Inconel 7l8SPF可超塑成型的镍基合金
该合金成分与标准的(AMS5596)Inconei7l8合金相同，含50％Ni，17％Cr，0。6％Al，1％Ti，30％Mo，5％Nb，余量为Fe。但合金也有自己的标准AMS 5950，其主要差别是要求用最佳的热变形得到细的晶粒度，与普通Inconei718合金相比，细晶可超塑成型的Inconei718SPF合金疲劳寿命提高100倍，而且充分利用超塑成型技术更容易制成形状复杂，高温下比强度高，制造成本低的元件。因为最初的超塑成型技术主要用于铝和钛合金。Inconei718SPF超塑成形合金代表着材料超塑成形技术领域的最新进展。
Allvac718+是一种新型的析出硬化型镍基高温合金，可以在704摄氏度时仍保持极好的强度和持久性能。这种合金具有Waspaloy合金所具有的耐高温性能和热稳定性，同时保留了标准718合金的加工特性。此外，由于具有较低的内在原料成本，7l8合金比Waspaloy合金在成本上有优势，而且还有改良的热加工性和焊接性能，使成品零件具有较好的成材率。
718+合金的强化相
718+合金中的主要强化相为γ，其体积分数随δ相的量不同，范围为19.7％～23.2％。γ相强化合金如Waspaloy和Rene41在高温下均比γ相强化合金如718具有更好的稳定性。这是由于γ相在650℃--750℃的温度范围内生长迅速，而且部分分解以平衡δ相。研究718+合金中的γ相表明其中铌和铝含量很高，与在Waspaloy和Rene41中的非常不同。这可以说明其独特的析出行为和强化效应。718+合金中含有δ相，在热力学处理过程中对合金的持久性能、缺口塑性以及调节显微结构都很有利。然而，δ相的体积分数与718合金相比非常少，并且在高温时以非常缓慢的速率趋于稳定。718+合金中也存在一些γ相，但数量较低，小于7％。

四．钛合金
钛合金在现代飞机上的应用越来越广泛,尤其是在高性能战斗机的风扇叶片、压气机叶片、盘、轴、机匣、骨架、蒙皮、机身隔框和起落架大都需要钛合金。在航天工业中,使用钛及其合金制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等。所以,现代航空航天工业中钛被称为不可缺少的太空金属
钛是同素异构体，熔点为1668℃，温度低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；高于882℃时呈体心立方晶格结构，称为β钛。通过添加合金元素，使其相变温度及相分含量改变，可得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金可分为三类：α钛合金(TA)、(α+β)钛合金(TC)和β钛合金(TB)。其中， 钛合金的切削加工性最好，(α+β)钛合金次之，β钛合金最难加工
钛及其合金的主要特点是：
(1)比重较小，仅约为铁的一半稍高；
(2)强度较高，可与钢铁相匹比，而比强度则是目前金属材料中最高的；
(3)耐腐蚀性强，无论在大气、海水中以及在含硝酸和氯气的氯化介质中，其抗蚀能力都相当高，抗应力腐蚀的能力也很强；
(4)加工成型以及焊接等工艺性能也相当好。
航空用钛合金
钛及钛合金因密度小、比强度高、耐海水及海洋大气腐蚀、无磁、透声、抗冲击震动、可加工性好等优异综合性能，是一种理想的航空及非航空用金属材料，世界主要发达国家如俄、美、日等对钛合金的研究应用均十分重视，使钛合金取得了明显的应用。
从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。如美国的客机波音777含钛合金的量为7％ ，最先进的波音787客机为15％ ，欧洲的空客A380客机为10％ ，运输机C-17为10.3％ ，战斗机F-4为8％，F-15为25.8％,F-22为39％,F-22四代战斗机用钛量为41％,F-119发动机用钛量为40％ 。
由此可见，超级大国的空中优势和海上霸权都是以强大的钛工业为基础的。他们在大力发展常规钛合金应用的同时，也注重研究新型钛合金，如美国的Alloy C阻燃钛合金、Timet LCB和Timet62S低成本钛合金；俄罗斯的BT22、BT36等，并形成了490 MPa、585 MPa、686 MPa和785MPa不同强度级别的专用船用钛合金系列。
我国钛合金研究已有40多年的历史，起源于航空，仿制了许多钛合金，而真正独立研制的钛合金是从20世纪70年开始，如沈阳金属所的550℃高温钛合金Ti55、600℃高温钛合金Ti60等；北京有色金属研究院的高强高模钛合金HE130等；北京科技大学的高Nb-TiA1合金等。西北有色金属研究院是我国钛合金研究的专业化研究院所，建院近40多年来，不仅仿制了众多的钛合金，并使
合金批量化规模化生产、应用，也创新研制了30多种新型钛合金，如具有我国自主知识产权的Ti75、Ti-B19、Ti31、Ti91、TC21、CT20、Ti12LC、TP650等等，其中部分新合金也得到批量化生产和应用，取得了良好的成绩。已形成了高温钛合金、阻燃钛合金、超高强钛合金、钛基复合材料、强韧性损伤容限钛合金、低温钛合金、超塑钛合金、船用钛合金、医用钛合金等。
航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件要求在室温至较高的温度范围内具有高的瞬时强度、持久强度、高温蠕变抗力、组织稳定性和高低周疲劳性能。α 型和近α 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，因此适合于在高温环境下使用。近β型和β型钛合金尽管在室温至300℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和持久性能急剧下降。α+β型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中温环境下还有良好的综合性能。按照发动机零件的使用环境和对材料的性能要求，α型、近α型和α+β型钛合金更能满足发动机的工作要求。经过半个世纪世界各国钛合金研究工作者的努力，目前固溶强化型航空发动机用高温钛合金的最高工作温度已由350℃提高到了600℃
我国于20 世纪70 年代开始研制航空发动机用高温钛合金目前在我国航空发动机上获得应用的主要是α+β型钛合金，工作温度均在500 ℃以下。更高温度使用的近α型钛合金( 如600℃高温钛合金) 尚处于研发阶段，未获得应用。我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4，TC17，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1，2 级叶片，TC6 的用量较少，主要用于发动机紧固件。500℃左右工作的高温钛合金有TC11，TA15 和TA7 合金，其中TC11 是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金当工作温度达到500 ℃以上时，钛合金的蠕变性能和热稳定性的重要性愈加突出，而这2种性能之间往往存在矛盾，需要通过优化合金成分和控制显微组织使这2 个性能得以更好地匹配。目前，各国研制和使用的500 ℃ 以上高温钛合金均为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，最高使用温度已达到600 ℃，我国的600 ℃高温钛合金Ti60还处于研制阶段，尚未获得正式应用。
30年来， 钛合金的操作温度已由300℃左右提高到600℃ 。具体地说，l948年时IMI318合金用在325℃，l958年时IM1550合金用在400℃ ，1965年时IMI 684合金用在600℃ ，l968年时IMI685合金用在520℃，l977年时IMI829合金用在550℃，1983年时IM1834合金用在600℃ 。

α+β型钛合金
早期的钛合金都是α+β型的，它们含有亚稳定的α和β两种添加剂，其特点是由两相等轴组织构成。这类合金的典型代表是IMI318(Ti-6AI-4V)， 虽然它是美国最初开发的台金之一，但它至今仍是最广泛应用在不超过325℃ 温度下的钛台金，绝大多数燃气涡轮发动机的壳体部件、风扇盘和叶片、低级和中级压气机盘和叶片都是用该台金生产的，RB211和CFM56是其最好的例子。
另一种重要的α+β合金是IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si),它的强度要比IMI318高一些，并且在400℃时显示出良好的抗蠕变能力

参考文献：
【1】 章笑燕 航空工业镍基高温合金.现代材料动态 2007.6
【2】 钛合金在航空航天领域中的应用 赵树萍 吕双坤钛工业进展 2002年第6期
【3】 国外航空材料发展现状 陈亚莉 中国航空工业发展研究中心
【4】 钛及钛合金的发展与应用研究 张卫 锁科技创新导报 2011 NO.07
【5】 钛合金文献综述 卫争艳 技术中心 2008第1期
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