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  • 精密铸造在高温合金的应用
    发布日期:2019-05-30
    高温合金一般指能够在600℃以上高温长期使用,承受较大复杂应力,具有较强表面稳定性的金属材料。高温合金有多种分类方法,按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钻基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。高温合金材料具有优良的耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等性能,主要用于制造航天飞行器、火箭发动机、舰船用发动机、发电燃气轮机、汽车废气增压器涡轮、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。随着科技的进步,目前高温合金产品应用领域越来越大,已开始逐步应用到汽车、冶金、玻璃制造、医学等领域。
    1、航空发动机
    高温合金是在20世纪40年代随着航空喷气发动机的需要而发展起来,半个多世纪以来,发动机涡轮温度从730℃提高到1677℃,推重比从3提高到10,带动了发动机高温合金材料的快速增长和制备技术的不断进步。目前世界上商用和航空发动机市场基本被通用、罗罗、普惠等几家国际巨头垄断。相对于发动机,民用飞机发动机由于长寿命、高可靠性的使用要求,对叶片等配件的循环参数要求比军机还高。叶片从材料上要求为单晶结构,同时为进一步提高使用温度和可靠性,结构上大量采用级联、双层壁等更有利于散热的复杂结构。
    由于我国在材料冶金、铸造和压力加工等工艺技术上的差距,无论是2016年将要投入使用的C919干线大飞机,还是ARJ21支线客机,配装的都是进口发动机。铸造高温合金是指由合格的母合金重熔后直接浇注或定向凝固成零件毛坯或零件的高温合金。按凝固方法可分为精密铸造等轴晶高温合金、定向凝固柱状晶高温合金和单晶高温合金。采用定向凝固工艺形成沿纵轴方向的柱状晶粒,消除垂直于应力方向的晶界,可使材料承温提高20~25℃,热疲劳寿命提高10倍以上。单晶叶片承温能力在柱状晶产品上又可提高20~25℃,寿命增加4倍。
    目前,几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片为特色,正在研制中的推重比为10的发动机F119(美),EJ200(英、德、意、西),M88一2(法),P2000(俄)以及其他新型发动机都采用单晶高温合金制作涡轮叶片。国内于20世纪80年代初开始进行单晶合金的研制,在单晶材料及无余量精铸涡轮叶片研制方面已经取得重要进展,我国逐渐掌握了单晶及单晶涡轮叶片铸造技术,但我国单晶叶片精铸件毛坯合格率比较低,发达国家的空心定向叶片和单晶的合格率可达到70%90%,而国内同类叶片铸件毛坯合格率一般不超过15%。
    2、地面发电燃气轮机
    燃气轮机的研制技术一直被美国通用、日本三菱、德国西门子和法国阿尔斯通等跨国巨头垄断。而从国内目前正在运行的重型燃机看,我国发电设备制造业目前还不具备燃机整机自主制造能力和热端部件的维修和制造能力。国外对此项技术严格保密,严重制约我国重型燃气轮机的发展。我国生产的燃气轮机可分为两类:一是引进型,二是自主研发型。引进型燃机热端部件全部进口,重型燃气叶片产品进口价格为10亿元/吨,该部分成本占整台燃气轮机的25%~30%。同时还会签订对应服务合同,配件全部由原厂商提供。
    同时国外公司在出售维护燃机热端部件的同时会要求签署补充设备维护协议,保修期内(一般为10年)的配件需全部采用原装配件,该部分价值可能比设备本身还高。由华清公司牵头的我国自主研发的70MW级燃气轮机目前处于施工期设计阶段,预计2015年出样机。中航工业黎明公司研发的具有自主知识产权的110MW级RO110重型燃气轮机通过试验验证了设计状态。沈阳世新,黎阳发动机等公司也利用原有航空发动机研制的优点进行航改燃小型燃机的研制。
    3、火箭发动机
    高温合金是火箭发动机的关键材料,我国长征系列火箭发动机的核心部分都采用了高温合金材料。其它在各种导弹和无人机上,高温合金无余量精密铸件也广泛用于小型涡轮发动机,如整铸涡轮转子、导向器、增压器涡轮、尾喷口调节片等。