答读者问二则:航空发动机选材、高温合金冶金及热处理制度介绍

文摘   科技   2024-04-09 19:11   上海  

前言

首先感谢各位读者的关注,以及部分读者的来信。

我发现,现在的读者都非常专业,对于一些问题思考得很有深度。本文答读者问二则,补充一些稍微专业一点的内容,包括航空发动机选材、高温合金冶金及热处理制度的介绍。

问答一

首先一位热心网友的提问:航空发动机的压气机都用什么材料?

问题稍微显得宽泛,我想是因为某些限制,但是我还是很愿意跟对方分享我所知道的内容。航空发动机的压气机从前端低压压气机的第一级开始,到高压压气机的最后一级,温度变化是很大的,从100 ℉到1300 左右,不同机型有差异。

我们知道,商用航空发动机的材料的选择跟服役温度、工况直接相关,并且较大程度上受到成本的影响。以下我们来介绍典型的美系商用航空发动机的压气机选材。

先说压气机静子和转子叶片。一般,前几级因为温度不高,完全可以用钛合金。动、静叶片材质略有区别,静子叶片常用Ti64,锻造成型;转子叶片第一级Ti64,没问题,后面就不行了,通常要改用另一个钛合金Ti17。

接下来,静子叶片选用不锈钢,并过渡到高温合金,也是大家熟悉的In718。转子叶片很少用不锈钢的,通常从钛合金直接跳到高温合金In718或者DA718。

这就来到压气机最后几级了。此时静子叶片选什么呢,In718的耐温能力已经不行了,需要其改型合金In718+。对于In718+ 或者 In718 plus, 有没有人知道,国产牌号叫什么的?而转子叶片呢,需要使用René合金替代In718, 最常用的就是我们说过的原名 René 69,现名René 80的镍基高温合金。

说完商用航空发动机的压气机静子叶片、转子叶片,我们来看看盘。压气机盘的材料选择原理是一样的。从钛合金直接到高温合金。由于不用Ti64做压气机盘,而是Ti17, 这就必然带来一个问题,就是第一级的叶盘是异种材质的,叶片是Ti64的,盘是Ti17的,这里需要使用一种特别的焊接技术,叫做线性摩擦焊。盘用高温合金也不用In718, 用DA718。同样,最后几级需要使用René合金

最后就是压气机机匣了。商用发动机有使用不锈钢的M152,以及高温段的In718+

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问答二

高温合金的冶金分析,及热处理制度有哪些?

物理冶金介绍

高温合金的主要组成相是γ,γ’,γ”,δ,以及二次相包括碳化物、硼化物等。还有一些不是很稳定的拓扑密堆相(TCP相,比如μ,σ,Laves相,等。高温合金的组成相是不一样的,其强化机理也就不一样。高温合金常用的强化机理包括固溶强化、析出强化、弥散强化、晶界强化等,需要配合一定的热处理制度实现。

上图是典型高温合金的高倍放大照片,也就是专业说的显微组织照片。图中浅色的、条状的其实是奥氏体γ基体,镍元素中含有一些固溶原子。图中深色的、方块状的就是γ’析出强化相,主成分Ni3Al或者复杂的(Ni, Co)3(Al, Ti, Ta, Hf)有序排列,并含有一些固溶原子。

另外还有少量的碳化物、硼化物,在晶界的位置,图中不是很清晰,可以很好的强化晶界,控制晶界变形。并不是所有的碳化物都是有利的,也有一些碳化物是有害的,比如高温形成的板条状的具有复杂立方结构M6C碳化物导致材料变脆,通常是材料含有较多难溶金属元素,比如

的加入,作为很好的镍的替代元素,有利有弊。利是改善焊接性能,并且降低成本;弊端是降低了强化相γ’的稳定性,导致材料的稳定性有下降。

高温合金中固溶强化的元素通常是钨、钼或者铼,可以替代奥氏体基体中的镍元素,非常有效的同时,又导致密度增加!而且量要控制好,否则会形成二次相,往往很脆。

热处理制度

高温合金的热处理制度,主要是去应力热处理、均匀化热处理、固溶热处理,以及时效热处理。这四种热处理都是以热处理的目的来命名的,非常容易理解,它们与钢铁的“四把火”比起来还是简单一些的。

去应力、均匀化热处理,顾名思义。其中,均匀化热处理是由于高温合金的化学成分较为复杂,冶金凝固过程中必然存在化学成分的偏析,此时必须通过均匀化热处理改善。

固溶热处理,以及时效热处理:固溶、时效是金属学原理的基础内容,本文略。学习的时候,可以以In718为例,相关规范里都有详细描述。

最后,本文再次强调:同样是高温合金,叶片讲的是蠕变性能、低周疲劳和抗腐蚀性能,所以成分非常关键;而盘类高温合金讲的是疲劳、裂纹扩展和蠕变,所以晶粒度非常关键。

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