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铼,解决航空发动机“心脏病”的灵丹妙药

铼,解决航空发动机“心脏病”的灵丹妙药

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  • 发布时间:2020-06-19
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【概要描述】图一航空发动机要简单证明清楚标题所给出的结论,需要从2个层次进行解释。首先是什么是高温合金及定向凝固单晶高温合金?其次是为什么一定要用含铼单晶高温合金涡轮叶片?顾名思义,高温合金是指在600℃~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。可简单地分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。追溯高温合金和涡轮叶片的历史,1940年,用超高温合金制作涡轮叶片的第一批喷气发动机取代了

铼,解决航空发动机“心脏病”的灵丹妙药

【概要描述】图一航空发动机要简单证明清楚标题所给出的结论,需要从2个层次进行解释。首先是什么是高温合金及定向凝固单晶高温合金?其次是为什么一定要用含铼单晶高温合金涡轮叶片?顾名思义,高温合金是指在600℃~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。可简单地分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。追溯高温合金和涡轮叶片的历史,1940年,用超高温合金制作涡轮叶片的第一批喷气发动机取代了

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图一 航空发动机

要简单证明清楚标题所给出的结论,需要从2个层次进行解释。首先是什么是高温合金及定向凝固单晶高温合金?其次是为什么一定要用含铼单晶高温合金涡轮叶片?

顾名思义,高温合金是指在600℃~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。可简单地分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。追溯高温合金和涡轮叶片的历史,1940年,用超高温合金制作涡轮叶片的第一批喷气发动机取代了活塞式发动机,从此,航空工业发展进入了新的历史时期。燃气涡轮旋转叶片流入的气体温度愈高,发动机的推力也就愈大。据统计,从1940年到现在的将近80年间,镍基超高温合金工作温度已经由850℃ 左右(多晶合金)提升至 1150℃ 左右(单晶四代合金)。超高温镍基合金在发动机中的用量日益增加,现在已经用到发动机总重量的40%,在某些新式军用发动机中已经用到总重量的50%~60%。40年代以后,人们为进一步提高合金的高温强度,在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素,增加铝、钛含量,研制出一系列牌号的合金。在钴基合金中加入镍、钨等元素,制出多种高温合金。70年代以后,高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的高温部件,还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备等高温部件。

研究发现镍基高温合金承温能力的提高主要有两种途径 :1、在制备镍基高温合金时采用了定向凝固技术和单晶凝固技术 ,消除了低熔点的晶界 ;2、在熔炼镍基高温合金时加入铼 、钨 、钽和钼等大量高熔点合金元素 ,进一步提高了合金的熔点 ,也使镍基单晶高温合金的使用温度接近合金基体的熔点(镍的理论熔点1453℃)。也就是该两种因素的相互结合和平衡,使得我国的镍基高温合金的研究,从第一代的DD3,发展到第三代的DD9、以及正在研究的第四代、第五代高温合金。

接着回到第一个问题,定向凝固和单晶的微观结构与宏观性能优势,可以简单地通过如下的图片进行解释。普通浇筑凝固得到的是等轴晶系,也就是立方晶系的多晶体。每个晶胞单元都是随机、杂乱等进行结晶凝固的。此时的抗蠕变性能是最差的。其次,通过定向凝固技术,使所有晶胞都朝一个方向生长、譬如 [001]、[011] 和 [111] ,此时抗蠕变性能会显著提高。最终,在定向凝固的基础上,还使得整个叶片变成一个单晶,此时的抗蠕变性能则会最优。

 

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图二 不同晶体结构叶片的抗蠕变性能对比

所以人们才说,单晶高温合金是先进航空发动机发展的物质基础。没有单晶高温合金,便没有先进航空发动机。从历史上说,上世纪 80 年代以来,第一代单晶高温合金与第二代单晶高温合金已在军用与民用航空发动机上获得广泛应用。90 年代后期以来,美国研制成功第三代单晶高温合金 CMSX-10 和RenéN6,并通过先进航空发动机的试车考核。我国研制的具有自主知识产权的高温合金 DD9,就是第三代单晶高温合金的代表。这里的牌号,DD9是根据国标《GB/T 14992-2005高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》所规定的命名规则,“D”和“D”分别代表汉字“定”、“单”的拼音首字母。

 

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表一 单晶高温合金在涡轮叶片上的应用

回到提高镍基高温合金承温能力的第二种工艺手段“成分设计”,就是在熔炼镍基高温合金时加入铼、钨、钽和钼等大量高熔点合金元素,进一步提高了合金的熔点,也可以使镍基单晶高温合金的使用温度接近合金基体的熔点。这里面最神奇的元素就是铼。铼元素的加入对镍基高温合金,尤其是镍基单晶高温合金的蠕变性能有显著提高,这一现象被称为 “铼效应”。研究表明每加入3%(质量分数)铼,镍基单晶高温合金的工作温度均能提升30 ℃ 左右。而高温合金工作温度每提高30 ℃ ,即被定义为新一代合金。 而铼含量因其显著的强化作用被视为高温合金分代的直观参量,例如第一代镍基单晶高温合金不含铼元素,第二、三代分别含3%和6%(质量分数 )铼元素。第三代镍基单晶高温合金在750 ℃/500 MPa 蠕变时寿命高达2500小时,同样测试条件下不添加铼的第一代合金寿命仅为250小时。第三代与第一代镍基单晶高温合金的成分差别主要在于有无铼元素,而其他合金元素含量基本相同,也就是说添加6%(质量分数 )合金元素铼使得高温合金蠕变寿命提高了整整10倍。换句话说,这也就是“铼效应”的神奇之处。

单晶合金制备技术的进步显著提高了镍基高温合金的承温能力,改变了高温合金设计者的设计方向:不再向高温合金中加入大量强化晶界的合金元素,而是尝试加入大量高熔点合金元素进一步提高其承温能力。“铼效应”的发现使得制备超耐温高温合金成为可能,而探索 “铼效应”的内在强化机理对进一步优化合金成分、制备性能优异且价格适中的高性能高温合金具有重要的指导意义。

总的来说,“铼的添加决定了一代单晶叶片”,而“一代叶片材料决定一代发动机”,所以才说铼Re是根治航空发动机“心脏病”的灵丹妙药。

 

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图三 高纯99.99%金属铼粉的形貌

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