航空耐高温材料综述-

1、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%C、1.8%Ni ;奥 氏体钢

2、 0.25%C 20%Cr7%N）i 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研制了钻基合金，由于钻基合金具 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钻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年代初钻基合金 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

3、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钻基合金的高温性能; 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。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

4、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

5、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，CZC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咅刚度和耐磨性高，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

6、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，

7、 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

8、， 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N

9、i-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SMd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 250mr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)Ineonei7l8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In

10、co nei718SPF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。Incon ei718SPF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，718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

11、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丫，其体积分数随S相的量不同，范围为19.7 % 23.2 %。丫相强化合金如Waspaloy和Rene41在高温下均比丫相强化合金如718具 有更好的稳定性。这是由于丫相在650C-750 C的温度范围内生长迅速，而且部 分分解以平衡S相。研究718+合金中的丫相表明其中铌和铝含量很高，与在 Waspaloy和 Re ne4仲的非常不同。这可以说明其独特的析出行为和强化效应。718+合金中含有S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，S相的体积分数与718合金相比非常少，并且在高 温时

12、以非常缓慢的速率趋于稳定。718+合金中也存在一些丫相，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1668T，温度低于882T时呈密排六方晶格结构，称 为a钛；高于882T时呈体心立方晶格结构，称为 B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，

13、 钛合金可分为 三类：a钛合金(TA)、( a + B )钛合金(TC)和B钛合金(TB)。其中，钛合金的切 削加工性最好，(a + B )钛合金次之，B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

14、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 Allo

15、y 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785MP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、600E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

16、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 有咼的瞬时强度、持久强度、咼温蠕变抗力、组织稳定性和咼低周疲劳性能。a型和近a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B型和B

17、型钛合金尽管在室温至300C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。a +B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，a型、近a型和a + B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 350r提高到了 600r 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a +B型钛合金，工作温度均在500 r以下。更高温 度使用的近a型钛合金(如

18、600r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 400C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。500r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 r 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 r 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 r,我国的600 r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30