先進(jìn)渦輪材料與工藝的發(fā)展

luck108 · 發(fā)表于 2009-1-12 20:42:14

關(guān)鍵詞：定向凝固技術(shù)、鍛造高溫合金、多晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶、單晶和定向共晶高溫合金、定向共晶合金、超單晶合金、機(jī)械合金化高溫合金

   目前渦輪部件選用的材料基本還是以鎳或鈷為基礎(chǔ)的高溫耐熱合金。國(guó)外高溫高強(qiáng)度低密度材料在過(guò)去幾年取得了重要進(jìn)展，金屬間化合物、復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料、陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料正在研究之中，并且取得了很多成果。
   渦輪葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了從鍛造高溫合金、多晶鑄造高溫合金、定向凝固柱晶、單晶和定向共晶高溫合金的發(fā)展歷程，今后將進(jìn)一步發(fā)展金屬間化合物、人造纖維增強(qiáng)高溫合金以及定向再結(jié)晶氧化物彌散強(qiáng)化合金，未來(lái)的渦輪材料將采用非金屬材料。幾十年來(lái)，高溫合金的工作溫度每年提高8K左右，比最初使用的合金工作溫度增加了300K。
   定向凝固技術(shù)可消除合金晶粒垂直于主應(yīng)力軸的晶界，減少鑄造冶金缺陷，使熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性顯著改善，僅材料本身就可使渦輪進(jìn)口溫度提高20-60°C，使葉片具有更高的強(qiáng)度和抗蠕變性能。定向柱晶高溫合金、單晶高溫技術(shù)和定向共晶高溫合金和機(jī)械合金化高溫合金技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提高了葉片的工作溫度。
      單晶渦輪葉片是80年代以來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大技術(shù)之一。過(guò)去15年，相繼發(fā)展和應(yīng)用了第一代、第二代和第三代單晶合金。使航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的耐溫能力比定向柱晶高了90°C，目前推重比8一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)普遍應(yīng)用了單晶技術(shù)。在通常情況下，常規(guī)制造渦輪葉片的合金工作溫度為880°C，采用了定向凝固或單晶技術(shù)后工作溫度可達(dá)940°C-980°C，定向凝固共晶制成的渦輪葉片的工作溫度為1040°C。第一代單晶比定向凝固合金的使用溫度高25-50°C，第二代單晶合金（PWA1484、CMSX-4、Rene￠N4）比第一代單晶合金使用溫度又提高28°C。第三代單晶合金（CMSX-10）可使耐溫能力再提高28-56°C，達(dá)到1100°C，這種材料是未來(lái)十年的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片候選材料。
   渦輪盤(pán)材料也有重大改進(jìn)，真空熔煉、真空鑄造以及粉末冶金技術(shù)的應(yīng)用，能更精確地控制材料和消除有害雜質(zhì)，材料性能改善大，輪盤(pán)強(qiáng)度成倍提高。
目前，推比10一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪采用的是單晶葉片材料和隔熱涂層，這幾種發(fā)動(dòng)機(jī)均采用第三代單晶葉片材料，本身耐熱能力已達(dá)1320-1370K。采用先進(jìn)隔熱涂層可提供100-150K的隔熱效果。
      渦輪部件的制造工藝在過(guò)去的幾十年經(jīng)歷了模鍛、鑄造和空心無(wú)余量精鑄幾個(gè)階段。自從JT9D-7R4D發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪葉片采用單晶空心精鑄葉片并于1982年投入航線(xiàn)使用以來(lái)，到現(xiàn)在已有二十多種發(fā)動(dòng)機(jī)采用了空心精鑄葉片。現(xiàn)在國(guó)外又在探索更高性能水平的單晶對(duì)開(kāi)和擴(kuò)散連接的葉片和多孔層板葉片制造技術(shù)，這種加工技術(shù)可使渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高。為小孔加工發(fā)展的鑄造冷卻技術(shù)使得在渦輪葉片上鑄造出0.25mm的氣膜孔成為可能，單晶精密鑄造、真空擴(kuò)散焊和優(yōu)良的表面防護(hù)及處理等工藝技術(shù)的發(fā)展保證了渦輪葉片經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)越來(lái)越精細(xì)。
      國(guó)外在渦輪葉片制造工藝方面也有很大發(fā)展，美國(guó)普惠公司70年代末到80年代初就已建成用計(jì)算機(jī)控制的定向凝固精鑄葉片自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，F(xiàn)100發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的定向凝固精鑄工藝就采用了這種方法。
      渦輪材料近期的發(fā)展方向是：定向共晶合金、超單晶合金、機(jī)械合金化高溫合金，遠(yuǎn)期的是人工纖維增強(qiáng)高溫合金、定向再結(jié)晶氧化物彌散強(qiáng)化合金以及新的能承受高溫度的材料如金屬間化合物及復(fù)合材料，碳－碳復(fù)合材料，陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料。未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)將大量采用非金屬材料。21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度要求為2000°C，到那時(shí)葉片將采用新型高溫結(jié)構(gòu)材料。以Si3N4為代表的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷是最有前途的材料之一。

lhjun_123 · 發(fā)表于 2009-4-17 10:34:59

我十分想知道，這種陶瓷材料是怎樣生產(chǎn)出來(lái)的，lhj_73@163.com

5軸左手 · 發(fā)表于 2009-4-28 13:47:19

航空用陶瓷材料是如何生產(chǎn)的?

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