粉末冶金高温合金

历史

镍基粉末冶金(PM)高温合金在喷气发动机飞机的热区已经有超过25年的历史。与传统高温合金相比，它们提供了更高的强度、抗蠕变、蠕变疲劳和更好的低温低周疲劳性能。断裂力学强调缺陷尺寸和裂纹扩展速率，是其应用的一个主要设计标准，而对定义和限制粉末冶金产品固有缺陷的方法的关注仍在继续。在雾化处理过程中严格的工艺控制限制非常成功地处理非金属缺陷。通过在无尘室环境中进行处理，通常使用真空或惰性气体筛选和装载，可将污染降至最低或消除。用PM的一位用户的话来说，“粉末不是问题。过程控制是关键。”几乎所有的发动机制造商都同意PM高温合金将改善高温性能。

报告已经认识到，高温合金的疲劳寿命受到缺陷的限制，但是改善的合金可能来自下午。在1995年的报告中，美国国有材料咨询委员会陈述了“涡轮发动机应用占亚博网站下载超合金市场的大约90％”，可能有100％的应用是燃气轮机发动机。

加工

PM高温合金最初用作AS-HIP中的净形状和使用粗粉作为起始材料的热处理条件。虽然过去二十年来了合金发展，但两次流程变化代表了PM超合金技术的更大进展;由普拉特和惠特尼发起的转变，以“统治”或等温锻造，以及更细粉末的使用。所有PM高温合金今天使用粉末，最大粒径不大于106微米，并且在许多情况下，最大尺寸小至44微米。这两种变化是性能驱动 - 从尺寸分布严格的较小的非金属缺陷（更细粉末）开始，或者使那些存在的缺陷不容易受到裂缝起始和生长（等温锻造）。雾化改善使粉末制造商能够提高细粉的产率，几乎没有成本牺牲，等温锻造产品的低循环疲劳性能优于髋关节产品。用于等温锻造的挤压坯料中的细粒结构使它们能够使用高灵敏度超声波检测检查它们以检测可能存在小缺陷。虽然当今发动机的绝大多数PM部分是等温伪造的，但仍在使用蠕变强度是唯一设计标准的应用中使用。当前规格中更频繁地出现的第三种变化是转换到超升热处理，以增加粒度和损坏耐受性。现在的PM超级合金是所有镍基和伽玛素硬化，表1.γ素的体积％在MERL 76中变化高达64％，但两个最近的合金中的百分比较低，N-18和RENE 88DT的百分比 that the optimum may have been exceeded.

表1。某些PM高温合金的成分

发动机制造商使用来自PM技术的组件包括普拉特和惠特尼，通用电气，MTU，Snecma，国际航空航天，CFM国际，IHI和盟友信号。PM部件范围从大约1.4kg（3.1bs）的低，用于在GE 90上的压缩机盘的T 700上的冷却板至高度为640kg（14001bs）。

大多数的PM高温合金零件在发动机中被选择，因为每一个可以提供的性能。虽然这曾经是选择合金的唯一标准，但成本因素现在是许多制造商的主要因素。

合金develo.pment

合金开发也持续，特别是与NASA在Mach 2.4高速公民运输中配合使用，并寻求近冬速度的IHPTET程序以及T3MAX在T3Max的更长时间。因为Ihptet的两个直接目标是重量比增加了80％，并且特定燃料消耗的减少30％，实际上授权钛铝化合物的使用。由于其温度限制，对α-2合金的兴趣已经衰落，但是在整体γ以及γ金属基复合材料上继续工作。

TI-48AL-2NB-2CR离心压缩机扩散器已经作为IN718的替代品，具有45％的重量保存。这一成功导致将伽马中的漫射器纳入未来的联合技术先进的气体发生器（JTAGG）。矫正铝化物可能被证明是这一领域最大的球员。

这些材料的具体强度优点可以推出压缩机部件的一些超合物，并且它们的高温性能可能在其他发亚博网站下载动机部件中具有类似的结果。将降低超合金使用的铝化生产应用仍然是一种简短的路，涉及降低成本和合金发育的变化可能会很快影响PM超级合金使用的场景。

合金发展的原因并不是新的。推动推动轮辋和孔的涡轮机磁盘的运行速度和温度继续。在普拉特和惠特尼，一般电动，滚动罗伊斯和Snecma的工作进行了正常的工作，以开发新的磁盘合金或改进的过程，使RIM温度达到700到750°C之间。

这些温度的开发标准继续是裂纹的生长耐受性，低循环疲劳，抗蠕变性，蠕变疲劳和抗环境攻击的抵抗力。涡轮盘的钻孔温度也将增加，并且将具有升高的温度强度的主要标准。三家公司涉及明确说明任何新合金将是粉末。新合金也可能是这些增量改进的现有合金的修订。GE持有使用钽作为主要合金元素的现有合金的组合物修饰的专利，在某些情况下，将其完全替换为钨。

加工

为提高现有或改性合金的性能而进行的工艺改变仍在继续。使用更细的粉末满足了民用飞机提高可靠性的要求。超溶热处理增加晶粒尺寸已被证明是提高疲劳寿命的可靠手段，在N-18的情况下，抗拉强度仅降低了5%。

对于单一的圆盘合金，选择热处理是一个必须考虑的过程。其结果是，从边缘到孔的晶粒尺寸各不相同，同一种材料的性能也各不相同。普惠公司在F-119发动机的第6、7、8和9级压气机中使用in -100“整体叶片转子”就是一个非常具体的例子，其性能是由过程控制的。该发动机将为F-22先进战斗机提供动力，定于1996年初进行首次飞行。压气机叶片看不到涡轮段的高温，所以这个过程可能仅限于压气机段。使用整体叶片转子意味着更薄、更轻的轮辋，但这一过程可能仅限于军用发动机，因为商业运营商可能更喜欢更换单个叶片，而不是整个圆盘。

较高工作温度的另一个处理途径是双合金方法，其中叶片和环形组件粘合到盘的毂上。这使得能够在磁盘的最热部分中使用铸造刀片合金，其中蠕变可能导致失败。根据温度要求，轮毂可以是PM合金。在三重合金的概念上也可以进行工作，该概念包括一个用于叶片，沿轮辋的第二个，以及毂的第三。

NASA对高速民用运输的要求最初集中在燃烧器和排气喷嘴上，但现在包括了将铸造的机翼，风扇容器盘和涡轮盘。后者构成了最大的挑战。尽管边缘温度将约为700°C，但它将保持高温2到3小时，在起飞时发动机最高温度仅为几分钟。

据报道，轮辋和轮毂之间不会有温度梯度，因此工艺创新和新的合金可能会是解决方案。因为最高温度只有700°C，这个盘将保持镍基，将是一个PM高温合金。NASA的目标是在2003年之前拥有所有的技术，这样就可以做出商业决策，在2005年之前建造一架飞机。

降低成本

有三种成本改进过程可能对粉末冶金高温合金的使用产生早期影响。其中两个非常相似。这些方法是雾化沉积(spray casting X)和电渣重熔，它们是喷雾成形的来源。第三种是用PM as-HIP高温合金取代VIM-VAR高温合金。

由Howmet公司为普惠公司开发的spray - cast X是一种低成本生产高温合金环的方法。它提供了一个直接一步转换的真空熔化高温合金半成品环。比较了用钢坯和用喷铸法生产环件的优缺点。在经济上，它似乎是有利的，但粒度控制提出了挑战。目前，P&W不考虑用这个流程替代IN-100。其目的是取代铸造和锻造合金，降低成本。

通用电气设想了它的专利工艺，使用ESR炉和冷感应导向喷嘴，作为一种制造预制件的手段，这些预制件将等温锻造，以取代一些PM高温合金五金。它能否生产出足够的质量来取代目前用粉末制造的零件，还有待观察。由于在坯体上凝固的产品大约是半液体半固体，因此必要的晶粒尺寸控制可能是开发工作中一个非常棘手的问题，并最终可能限制该工艺的使用。

第三个降低成本的方法是Allied Signal在其apu的磁盘上首次使用PM Astroloy时使用的方法。成本分析中，最终部件成本为原材料成本加制造成本，结果表明，均匀细粒度粉末冶金产品的加工效果远远好于锻制的Astroloy，并降低了总成本。在过去的十年里，这家公司的经验一直很好。在回答“为什么使用as-HIP?”，回答是“最好知道自己最大的缺点，并有准备应付它。”了解陶瓷缺陷的尺寸，并从设计的角度使用断裂力学来处理，以获得缺陷公差。这样就不必担心无法预见的锻造缺陷了。”

As-Hip PM超合金的另一个非常大的用户是俄罗斯航空航天行业，所有这些PM超合金都是如臀部，他们拥有十五年的经验，对此产品感到满意，对AS-HIP硬件感到满意。这些经验可能可以重新开放对AS-HIP硬件的评估作为降低成本。

另一个降低成本的潜力是，在雾化过程中使用氮气代替氩气作为惰性气体，这可能不会成功。使用氩气的成功历史很长，也许使用氮气的唯一方法是使用喷雾沉积，以确保产品没有孔隙。

点成长

PM超级合金，被称为“陷入困境的青少年”现在完全成熟。不久的将来的增长将取决于波音777的成功，因为这架飞机的P＆W和GE发动机都有大量的粉末。单独的GE 90具有六个PM部件，总重量为2100kg（47001bs）。

另外两种增长领域是较低推力发动机的市场，其中对效率的需求可能将PM超合金带入游戏，以及用于发电的陆基涡轮机。该行业可能借用航空航天领域的技术。

关键属性

与传统高温合金相比，PM高温合金提供:

•改善力量

•改进的蠕变强度

•改进的蠕变疲劳

•较好的低周疲劳性能

主要作者:William Eisen博士

资料来源:《材料亚博网站下载世界》，第4卷，第22-24页，1996

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