简介概要

国内粉末高温合金涡轮盘件制造技术的发展现状

来源期刊：稀有金属2001年第3期

论文作者：李园春王淑云

关键词：粉末高温合金; 涡轮盘;

摘要：在介绍粉末高温合金涡轮盘主要成形工艺的基础上，综述了我国粉末高温合金盘件制造技术发展现状，对存在的问题提出了一些建议。

稀有金属 2001,(03),226-229 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.03.020

国内粉末高温合金涡轮盘件制造技术的发展现状

王淑云

北京百慕航材高科技股份有限公司!北京100095,北京航空材料研究院焊接与锻压工艺研究室!北京100095

摘要：

在介绍粉末高温合金涡轮盘主要成形工艺的基础上 , 综述了我国粉末高温合金盘件制造技术发展现状 , 对存在的问题提出了一些建议。

关键词：

粉末高温合金;涡轮盘;

中图分类号： TF124

收稿日期：2000-09-15

Development on Manufacture of Turbine Disk from Superalloy Powder in China

Abstract：

The different methods of manufacturing P/M disks which include HIP, HIP+HIF, HIP+EX+HIF or gatorizing etc ., were described systematically. The domestic development of the technology of manufacturing turbine disk from superalloy powder was reviewed and analyzed. Based on the analysis of the present domestic developing status, some referential proposals are suggested.

Keyword：

Superalloy powder; Turbine disk;

Received： 2000-09-15

作为高性能发动机最关键部件之一的涡轮盘, 其材料及其制造技术始终受到国内外航空工程界的特别关注。随着合金化程度的提高, 合金的宏观组织偏析愈加严重, 工艺性能恶化, 在高推比发动机上的应用受到制约。粉末 (P/M) 高温合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度高、疲劳性能好等优点, 是制造高推比发动机涡轮盘的极佳材料, 近30年来已从第一代粉末高温合金发展到了第二代损伤容限粉末高温合金。粉末高温合金涡轮盘件制造技术是先进航空发动机的标志之一, 西方国家现役军用飞机发动机很多都采用了超塑性等温锻造的粉末高温合金涡轮盘。目前世界上只有美国、英国、俄罗斯、法国和德国等少数几个国家掌握了粉末高温合金部件的生产技术 ^[1] 。发展我国的粉末高温合金涡轮盘件制造技术是今后研制高推比先进航空发动机的关键。

1 粉末高温合金涡轮盘件的主要成形工艺

粉末高温合金涡轮盘件的生产工艺主要有粉末热挤压+超塑性锻造成形、直接热等静压成形和热等静压 (HIP) +锻造成形。

粉末热挤压+超塑性锻造成形工艺是通过挤压将包套的高温合金粉末压实, 然后用超塑性锻造的方法制造出小余量的涡轮盘锻件。热挤压可以使合金粉末产生很大的塑性变形, 有效地破碎原始颗粒边界和陶瓷夹杂。由该工艺生产的粉末高温合金涡轮盘显微组织均匀, 性能稳定, 是高温合金涡轮盘主要的成形工艺之一。

直接热等静压成形工艺是用热等静压法 (HIP) 将包套的高温合金粉末直接成形出近零件尺寸的压气机盘或涡轮盘, 如 TF30、F404、T700 等发动机采用了该工艺生产粉末盘件。一些观点认为, 直接 HIP 成形工艺只能用于一些使用应力不是特别高的发动机盘件, 但俄罗斯一些先进战斗机上就一直采用直接 HIP 成形的粉末涡轮盘件。

国外热等静压+锻造成形是粉末高温合金盘件的主要生产工艺之一, 其产量达数万件。根据其锻造成形工艺的不同, 又可分为如下几种:

(1) 热等静压+普通模锻

这种工艺方法是 P/M Rene′95 合金涡轮盘早期的生产方法, 由于此法生产的涡轮盘材料利用率低、成本高, 并未解决合金的难变形问题, 早已淘汰。

(2) 热等静压+热模锻

普通模锻的模具温度一般为 150~400℃, 等温锻造的模具温度与毛坯相同, 而热模锻是指模具温度低于毛坯温度 200~400℃ 的锻造工艺, 模具材料为镍基高温合金。此工艺曾用于 T700 发动机涡轮盘的生产, 由于其材料利用率低, 现已不再使用这种工艺。

(3) 热等静压+等温锻造

GE 公司首先采用该工艺研制出 Rene′ 95 合金 CFM 56 发动机的 4~9 级合金压气机盘。后在 F101、CF6、CE37、RB211、EJ200和 M88等多种军民用发动机上采用该工艺生产粉末盘。该工艺的特点是用 HIP 压实合金粉末, 得到盘件预制坯, 然后用等温锻造的方法制造出小余量的锻件。值得注意的是, 该合金是第一个使用热机械处理 (TMP) 的合金, 其项链组织具有良好的力学性能, 因此在研制该合金压气机盘和涡轮盘时即确定了 TMP 工艺 ^[2] 。目前, 热等静压+等温锻造工艺已被热等静压+挤压+超塑性锻造工艺所取代。

(4) 热等静压+挤压+超塑性锻造

该工艺特点是利用大挤压比的变形使毛坯获得超细晶的组织结构, 破碎热等静压组织中的原始颗粒边界, 为随后的超塑性锻造创造了有利的组织条件, 是目前粉末高温合金盘件的主要生产工艺之一, 如美国 P&W 公司用挤压+超塑性锻造工艺生产F100 发动机用的涡轮盘。该工艺的技术关键有两点:首先是要求具有大吨位的挤压设备, 其次是要具有全封闭的等温锻造压机及装置, 投资巨大。超塑性锻造要求锻造时模具温度与盘坯温度相同, 这就要求模具材料在锻造温度范围内有足够高的强度, 同时要求模具材料在高温下不被氧化。一般采用钼基高温合金 (TZM) , 在真空或惰性气体保护下进行锻造。

目前, 美、英等西方国家主要采用真空或惰性气体保护的全封闭超塑性等温锻造, 每年生产的盘件达数万件;而俄罗斯同时也采用大气条件下超塑性等温锻造模具材料 иш B-17合金, 已研制出 Φ320 mm、Φ450 mm 涡轮盘件。

2 国内粉末高温合金涡轮盘件制造研究状况

我国从“六五”期间开始研制粉末高温合金涡轮盘, 当时的冶金工业部、航空部组织联合攻关组, 对 FGH95 (相当于 P/M Rene′95) 合金盘件进行研制, 经过20多年的努力, 取得了一定进展。

1984年用氩气雾化粉末通过热等静压+包套模锻工艺制成 Φ 420 mm 的某发动机二级盘。经性能测试, 盘件基本性能接近或达到美国 GE 公司标准, 但当时存在的问题是粉末的陶瓷夹杂量高, 材料性能不稳定。1990年后, 钢铁研究总院与俄罗斯轻合金研究院签定了引进设备和技术合作协议, 这对我国粉末高温合金涡轮盘研制起到了很大促进作用。根据我国现有的生产条件, 粉末涡轮盘的研制采用了“等离子旋转电极制粉+热等静压成形+包套模锻+热处理 (固溶, 盐淬+二次时效) ”的工艺路线, 试制了一批盘件, 探索了现行工艺和技术路线的可行性。但未能得到合格的粉末涡轮盘坯, 盘坯探伤结果表明, 夹杂物过多。此外, 盘坯平均重量 340 kg 左右, 而最终零件只有 70 kg, 不但大大增加了成本, 且降低了淬火冷速, 使盘件总体性能降低, 这也是包套锻主要缺点之一。1997年上半年在引进的粉末生产线上自行制粉, 进行了两批某发动机用 FGH 95 粉末涡轮盘坯的研制, 取得了很大的进展, 虽然夹杂物数量有所减少, 力学性能有所提高, 但距标准要求还有一定的差距。

由于热等静压+包套模锻盘件成形工艺存在材料利用率低、成本高等缺点, 在国际上已逐渐为热等静压+挤压+超塑性锻造的工艺路线所代替。我国一些单位在“七五”和“八五”期间也开展了热等静压+ (超塑性) 等温锻造的成形工艺的研究, 但由于没有型号牵引和经费不足, 进展比较缓慢。后在“八五”期间, 采用“热等静压+细晶化热机械处理+超塑性等温锻造”工艺路线, 模具材料使用铸造镍基高温合金, 在大气条件下成功研制出了 Φ 220 mm 的模拟盘, 力学性能达到了 GE 公司的 A 级标准 ^[3,4] 。此法无需大型挤压设备, 也无需钼基合金模具及全封闭锻造设置, 大大降低了盘件的研制费用和生产成本, 使我国粉末涡轮盘的试制又跨出了一大步, 但能否推广应用于全尺寸盘件尚有待进一步验证, 特别是基于平模镦粗这种变形方式来进行细晶化的局限性。许多理论、工艺问题有待进一步细化, 配套的模具材料、润滑剂也需进一步的系统研究。

值得一提的是, 北京航空材料研究院采用氩气雾化和等离子旋转电极雾化两种制粉工艺制备的 FHG 95粉末+双韧化 (颗粒界面韧化+热处理强韧化) 热等静压近尺寸盘件制备工艺, 制备了粉末涡轮盘, 性能达到国外同类合金的 A 级水平, 并装机通过了某发动机的盘件结构试验与试车 ^[5] 。

值得注意的是, 最近国外和国内一些单位开展了粉末预变形研究, 通过球磨、碾磨或轧制对粉末施加预变形, 使粉末颗粒产生一定的应变能, 在随后的热等静压过程中发生再结晶, 对后续等温锻造和细晶处理提供了方便。

相对于目前粉末盘制造工艺而言, 一个很有竞争潜力的制造方法是喷射沉积+等温锻造方法。粉末喷射成形 (Spray Forming) 是将雾化制粉与成形、致密化合并成一个工序完成, 省却了包套和热等静压等工序, 直接沉积获得细化晶料的毛坯, 再加等温锻造制成涡轮盘件。

3 对国内粉末高温合金盘件制造技术发展中一些问题的思索和建议

如美国一些专家指出, 今后的大发动机的大涡轮盘件, 绝大部分将采用等温锻造。我国必须发展粉末高温合金盘件的等温锻造技术, 这对发展第四代乃至更高性能的先进飞机至关重要。尽管考虑到成本等因素, 现在俄、美一些国家又将一部分注意力转向变形合金传统工艺成形的改进研究, 如采用先进的熔炼技术和晶粒细化双联技术等, 但变形合金毕竟有其局限性, 发展粉末高温合金盘件是我国先进航空发动机的必由之路。针对目前的研究发展现状, 提出以下参考建议:

(1) 国外粉末高温合金盘件一般是通过大型挤压设备, 采用大挤压比获得超细晶坯, 对于FGH 合金主要工艺是热等静压+挤压+超塑性锻造。由于我国没有大吨位挤压设备, 挤压+超塑性锻造工艺无法实施;对于等温锻造和超塑性锻造需要真空或惰性气体保护下的全封闭锻造设备和装置以及大吨位的等温锻造专用压机, 投资巨大。因此, 国外的方法目前在我国很难实现, 无大吨位挤压机和等温锻造压机、无全封闭锻造设备成为制约我国大型粉末高温合金盘件制造技术发展的主要障碍。从长远发展的角度看, 建设大吨位挤压机、大吨位等温锻造压机势在必行, 且前者也是解决其他先进难变形材料问题的强有力手段;

(2) 目前受国内现有条件的限制, 我们将另辟溪径, 即在大气条件下探索符合国情的相应工艺路线。如发展 (超) 细晶坯制备技术 (包括粉末预变形技术) , 在现有设备能力的前提下, 最终实现超塑性等温锻造。同时, 必须对模具材料、等温锻造润滑剂进行系统配套研究;此外, 要尽快探索真空或惰性气体保护下的全封闭锻造, 可由小设备、模拟盘件做起;

(3) 应加大对盘件无损检测技术与质量监控技术的研究, 加快粉末涡轮盘锻件技术标准的制定工作;

(4) 高温合金盘件制造涉及昂贵的原材料、模具材料和工艺费用, 以及较长的试制周期, 如果完全依赖于传统的经验式设计, 很可能造成人力和物力的大量浪费。采用多场耦合计算机数值模拟, 可以很好地预测流变规律, 分析力学量场和温度场的分布。预测内部组织和缺陷, 建立工艺-组织-性能的可预测性和可追溯性, 从而可以优化坯料设计、模具设计以及全套工艺方案, 并为所需设备能量估算等问题提供必要的信息和理论指导;

(5) 由于粉末冶金工艺控制复杂, 成本高, 易氧化污染, 陶瓷夹杂和原始颗粒边界等缺陷影响了粉末冶金的合金质量和稳定性, 故粉末盘件的发展速度比预计的要缓慢一些。如果原始粉末有缺陷尤其是陶瓷夹杂将为今后锻造合格的盘件埋下隐患, 故提高粉末冶金质量十分关键。我国粉末高温合金盘件的研制和生产, 只有立足于国产高质量的高温合金粉末, 才能取得今后工程化的实质性进展。

(6) 为全面提高盘件性能, 今后还应进行从粉末冶金、热等静压、热机械处理、等温锻造到最终热处理整个过程的闭环优化控制技术研究, 打破过去分段独立优化控制的传统研究模式;

(7) 小规模、分散性投资以及部门独立化发展不适合于当前的发展趋势。