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登蔚特種鋼技術顧問葉工講述:高溫合金在航空航天領域的應用
來源:    點擊次數(shù):14次   發(fā)布時間:2024-04-16

        高溫合金又叫熱強合金。按基體組織材料可分為三類:鐵基鎳基和鉻基。按生產方式可分為變形高溫合金和鑄造高溫合金。


         它是航空航天領域中不可或缺的原材。它是航天,航空制造發(fā)動機高溫部分的關鍵材料。主要用于制造燃燒室,渦輪葉片,導向葉片,壓氣機與渦輪盤,渦輪機匣等部位。使用溫度范圍在600℃-1200℃,受力與環(huán)境條件隨使用零件所在部分不同而異,對合金的力學,物理,化學性能有嚴格的要求,是發(fā)動機的性能,可靠性與壽命的決定性因素。因此高溫合金是各發(fā)達國家航空航天,國防領域中的研究重點項目之一。

高溫合金應用中主要有:

1.燃燒室用高溫合金

  航空渦輪發(fā)動機燃燒室(也稱火焰筒)是關鍵的高溫部件之一。由于燃油霧化,油氣混合等過程都是在燃燒室進行的,因此燃燒室內溫度最高可達1500℃-2000℃,燃燒室內壁溫度達1100℃,同時還要承受熱應力和燃氣應力。高推重比發(fā)動機多采用環(huán)形燃燒室,其長度短,容熱強度高,燃燒室內最高溫溫度達2000℃,采用氣膜或汽蒸發(fā)式冷卻后室壁溫度達到1150℃。各部位間有較大的溫度梯度會產生熱應力,工作狀態(tài)改變時會急劇升降,材料受熱沖擊和熱疲勞負荷,出現(xiàn)擾曲變形,裂紋等故障。通常燃燒室采用板材合金制造,按具體零件使用條件提出各項技術要求概括如下:使用高溫合金和燃氣條件下具有一定的抗氧化,抗燃氣腐蝕能力;具有一定瞬時和持久強度,熱疲勞性能,較低的膨脹系數(shù);具有足夠的塑性,焊接性保證加工成形與連接;在熱循環(huán)下有良好的組織穩(wěn)定性,保證壽命期內可靠工作。

 

 

 

1)MA956合金多孔層板

        多孔層板早期使用HS-188合金薄板經(jīng)照相,腐蝕刻槽和打孔后用擴散連接制成。內層可按設計要求制成理想的冷卻通道,這種結構冷卻只需要傳統(tǒng)氣膜冷卻的30%冷卻氣體,可提高發(fā)動機熱循環(huán)效率,降低燃燒室材料的實際承熱量,減輕重量,增大推重比。目前仍有突破技術關鍵才能進入實際使用。采用MA956制作多孔層板是美國推出的新一代燃燒室材料,可在1300℃使用。

2)陶瓷復合材料在燃燒室的應用
  
        美國從1971年就開始了對陶瓷用于燃氣渦輪機的可行性驗證。1983年,美國一些從事高級材料開發(fā)的團體曾制訂了一系列先進飛機所用燃氣輪機的性能指標,這些指標是:把渦輪進口溫度提高到2200℃;在化學計算的燃燒狀態(tài)下運行;將應用于這些部件的密度從8g/cm3減少至5g/cm3;取消部件的冷卻。為滿足這些要求,研究的材料除了單相陶瓷外,還有石墨、金屬基和陶瓷基復合材料以及金屬間化合物。陶瓷基復合材料(CMC)具有如下優(yōu)勢:
  
        陶瓷材料比鎳基合金膨脹系數(shù)小很多,涂層很容易剝落。制成帶中間金屬氈的陶瓷復合材料可以克服剝落的缺點,是燃燒室材料的發(fā)展方向。此種材料使用10%—20%冷卻空氣即可使用金屬背面隔熱后溫度只有800℃左右,承熱溫度遠低于發(fā)散冷卻和氣膜冷卻。在V2500發(fā)動機中使用的是鑄造高溫合金B(yǎng)1900+陶瓷涂層防護瓦片,發(fā)展的方向是用SiC基復合材料或抗氧化C/C復合材料代替B1900(帶陶瓷涂層)瓦片。陶瓷基復合材料是推重比15—20發(fā)動機燃燒室的發(fā)展材料,使用溫度1538℃-1650℃,用于火焰筒,浮壁片和加力燃燒室。微信圖片_20240416101222.png


2.渦輪部分用高溫合金

  航空發(fā)動機渦輪葉片是航空發(fā)動機中承受溫度載荷最劇烈和工作環(huán)境最惡劣的部件之一,在高溫下要承受很大很復雜的應力,因此對其材料的要求十分嚴格。而航空發(fā)動機渦輪葉片高溫合金又分為:
  
 1)導向器用高溫合金
  
        導向器是渦輪發(fā)動機受熱沖擊最大的零件之一。當燃燒室出現(xiàn)燃燒不均勻,1級導向葉片受熱負荷很大,是造成導向葉片破壞的主要原因。其使用溫度比渦輪葉片大約高出100℃,區(qū)別是靜止件,所受機械負荷不大。通常容易發(fā)生熱應力,引起的扭曲,溫度急劇變化引起的熱疲勞裂紋及局部燒傷。導向葉片合金應具有如下性能:具有足夠的高溫強度,持久蠕性能及良好的熱疲勞性能,較高的抗氧化性和熱腐蝕性能,抗熱應力和震動,彎曲變形能力,良好的鑄造工藝成型性能和可焊性,涂層防護性能。
  
        目前,高推重比的先進發(fā)動機多采用空心鑄造葉片,選定定向和單晶鎳基高溫合金。高推重比發(fā)動機使用高溫達1650℃-1930℃,需要采用隔熱涂層防護。冷卻和涂層防護條件下葉片合金的使用溫度達1100℃以上,對未來導向葉片材料使用的溫度 密度 成本提出新的更高要求。

  
2)渦輪工作葉片用高溫合金
 
        渦輪葉片,是航空發(fā)動機的關鍵承熱轉動部件,工作溫度低于導向葉片50℃-100℃,轉動時承受很大的離心應力,振動應力,熱應力,氣流沖刷等作用,工作時條件惡劣。高推重比發(fā)動機要求熱端部件壽命大于2000h。因此,渦輪葉片合金在使用溫度下應具有很高的抗蠕變和持久斷裂強度,很好的高,中溫綜合性能,如高,低循環(huán)疲勞,冷熱疲勞,足夠的塑性和沖擊韌性,抗缺口敏感性能;具有高的抗氧化性和腐蝕性能;良好的導熱性能,盡可能低的線膨脹系數(shù);良好的鑄造工藝性能;長期的組織穩(wěn)定性能,使用溫度下無TCP相析出。應用的合金經(jīng)歷4個階段;變形合金應用有GH4033、GH4143、GH4118等;鑄造合金應用有K403、K417、K418、K405,定向凝固金DZ4、DZ22,單晶合金DD3、DD8、PW1484等。目前已發(fā)展至第三代單晶合金。我國單晶合金DD3和DD8分別用在我國渦輪,渦扇發(fā)動機和直升機,艦載發(fā)動機。

3.渦輪盤用高溫合金
  
        渦輪盤是渦輪發(fā)動機受力最大的轉動承力件。推重比8和10發(fā)動機的輪緣使用溫度達到650℃和750℃,輪心溫度300℃左右,溫差大。在正常轉動時帶動葉片高速旋轉,承受最大的離心力,熱應力,震動應力的綜合作用。每次啟動,停車是一個循環(huán),輪心。喉道,槽底,輪緣均承受不同的復合應力。要求合金在使用溫度下具有最高的屈服強度,沖擊韌性,無缺口敏感;低的線膨脹系數(shù);一定的抗氧化,抗腐蝕性能;良好的切削加工性能。

4.航天用高溫合金

  液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室作燃燒室噴注器面板;渦輪泵彎通,法蘭盤,石墨舵緊固件等。液體火箭發(fā)動機中高溫合金用于推力室做燃料室噴注器面板;渦輪泵彎通,法盤,石墨舵緊固件等。我國YF73和YF75采用GH3030合金絲編織網(wǎng)經(jīng)18層重疊后再經(jīng)軋制,燒結成多孔發(fā)散冷卻面板制成燃燒室噴注面板。渦輪轉子開始使用GH1040和GH2038A,后用GH4169整體鍛造,輪盤機加工而成,葉片電解加工而成,克服了GH1040長試時變形過大問題。對比GH1040與GH4169合金性能可知,遠程導彈發(fā)動機渦輪轉子對材料的要求,在800℃398MPa20min符合要求為標準,GH4169可達30min組織性能穩(wěn)定;GH1040則在800℃294MPa下只能保持6min,不能勝任使用要求。更有利:在-253℃至室溫其強度增加392MPa-400MPa 塑性基本不變,低溫沖擊韌性較好。因此,GH4169用作渦輪轉子,軸,軸套,緊固件等重要承力件的材料。
  
         美國液體火箭發(fā)動機渦輪轉子材料主要有進氣管,渦輪葉片和輪盤。我國多采用GH1131合金,渦輪葉片依工作溫度而定,先后應采用Inconelx、Alloy713c、Astroloy和Mar-M246;輪盤材料有Inconel718、Waspaloy等,我國多采用GH4169、GH4141整體渦輪,發(fā)動機軸用GH2038A。
  
         導彈與運載火箭姿態(tài)控制的小型液體火箭,一般推力?。?.02N-2000N),脈沖起動數(shù)次數(shù)十萬次,最小脈沖寬度幾毫米秒,總工作時間5年-10年,要求可靠性高,其噴管延伸段采用輻射冷卻的單層結構,結構簡單,質量輕,燃燒溫度高,推力室一般選用鈮基合金NbHf10-1,為改善使用性能采用表面噴涂抗氧化涂層。使用溫度1100℃-1600℃,通常采用液膜冷卻保護燃燒室內壁。美國采用錸銥合金燃燒室+抗氧化涂層,可取消液膜冷卻,性能明顯提高,相繼研制成功22N 66N 和445N姿態(tài)發(fā)動機燃燒室,投入使用后使衛(wèi)星和飛船有效負荷增加20㎏—100㎏。
  
        新一代運載火箭發(fā)動機需研制應用大幅度減輕結構重量的新型高溫合金,用Ti—Al基合金代替部分鎳基合金。用GH4169制造泵殼體和低膨脹合金。

        隨著航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展,為了滿足各種飛行任務的需要,對于高溫合金領域的材料提出了更高的要求。這就要求我們不斷的向先進國家學習,并且通過自身不斷的實踐和創(chuàng)新,為我國國防科技發(fā)展貢獻力量。



登蔚特種合金鋼


一、主營產品牌號:


1、 不銹鋼:17-4PH630)、17-7PH631)、3040Cr18Ni9)、304L00Cr8Ni10)、316316L、3210Cr18Ni9Ti)、309310、310S、329、410、416、420、430、440C、904L。


2、 雙相不銹鋼:2205、2507、F51、F53F55、F60、255。


3、 高溫合金:GH2036、GH2132A-286)、GH2136、GH3030GH3039、GH3128、GH4033GH4037、GH4145Inconel X-750)、GH4169Inconel718)。


4、 英科奈爾合金:inconel600,inconel601、inconel625、incone690、inconel718、inconel X-750。



5、 因科洛伊合金:incoloy800、incoloy800H、incoloy800HTincoloy825、incoloy901、incoloy925、incoloy926。


6、 蒙乃爾合金:Monel 400、Monel K-500。


7、 哈氏合金:Hastelloy B、Hastelloy B-2、Hastelloy B-3、Hastelloy C、Hastelloy C-276、Hastelloy C4、Hastelloy C-22Hastelloy C-2000、Hastelloy G-3、Hastelloy G-30Hastelloy X。


8、 耐蝕合金:Carpenter 20Cb320#合金、NS143)、XM-19、F44254SMo)、XM-26、S31803、S21800Nitronic60Alloy 218)、253Ma、Nimonic Alloy 80、RA330、1.4466、Al6XAl6XN、Ni200N6)、Ni201N4),NS141NS143、NS333、NS113。


9、 精密合金:4J29(可伐合金)、3J53、1J501J79、1J85、4J324J36(因瓦合金)、4J42


10、電熱合金:Cr20Ni80、Cr30Ni70、鐵鉻鋁電熱合金

 

 

二、產品分類:

 

A、板材 薄板,中·厚板

不銹鋼薄板表面:2D、2B、BA、NO.7、NO.8鏡面、HL拉絲、抗指紋、和紋、NO.320、NO.400

不銹鋼薄板表面貼膜:BSG藍色薄膜,SPV白色薄膜

不銹鋼中·厚板:No.1整板,剪板,等離子切割,水刀切割,整板整平。

鎳合金板:2B薄板,No.1表面中·厚板。

 

 

B、 管材  無縫管,BA無縫管(光亮退火),EP(電解拋光)焊管、焊管、大口徑厚壁管,方管,矩形管(表面HL拉絲、180#、400#)。

 

C、 棒材  黑皮圓棒,(剝皮、冷拔)圓棒,方棒,六角棒,研磨棒(公差等級h6、h7、h8、h9

 

D、型鋼:扁鋼,角鋼,槽鋼

 

E、 鍛件、加工件:AISI平板法蘭、高頸法蘭、大徑法蘭(最大外徑Φ1500),非標法蘭,環(huán)件,餅,閥桿,方坯。

 

F:對外加工:車、鋸、鉆、銑、磨,CNC數(shù)控加工中心,大型數(shù)控加工中心,熱處理

 



  

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