先進渦輪材料與工藝的發(fā)展

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關鍵詞：定向凝固技術、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的高溫耐熱合金。國外高溫高強度低密度材料在過去幾年取得了重要進展，金屬間化合物、復合材料、碳-碳復合材料、陶瓷和陶瓷基復合材料正在研究之中，并且取得了很多成果。
! T/ D9 Y, o/ n; R$ e       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，今后將進一步發(fā)展金屬間化合物、人造纖維增強高溫合金以及定向再結晶氧化物彌散強化合金，未來的渦輪材料將采用非金屬材料。幾十年來，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。
$ U, k+ K3 R9 e, z* F% U" l. U       定向凝固技術可消除合金晶粒垂直于主應力軸的晶界，減少鑄造冶金缺陷，使熱強度和熱穩(wěn)定性顯著改善，僅材料本身就可使渦輪進口溫度提高20-60°C，使葉片具有更高的強度和抗蠕變性能。定向柱晶高溫合金、單晶高溫技術和定向共晶高溫合金和機械合金化高溫合金技術的發(fā)展進一步提高了葉片的工作溫度。
        單晶渦輪葉片是80年代以來航空發(fā)動機的重大技術之一。過去15年，相繼發(fā)展和應用了第一代、第二代和第三代單晶合金。使航空發(fā)動機渦輪葉片的耐溫能力比定向柱晶高了90°C，目前推重比8一級發(fā)動機普遍應用了單晶技術。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后工作溫度可達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，達到1100°C，這種材料是未來十年的發(fā)動機渦輪葉片候選材料。
       渦輪盤材料也有重大改進，真空熔煉、真空鑄造以及粉末冶金技術的應用，能更精確地控制材料和消除有害雜質(zhì)，材料性能改善大，輪盤強度成倍提高。
目前，推比10一級發(fā)動機渦輪采用的是單晶葉片材料和隔熱涂層，這幾種發(fā)動機均采用第三代單晶葉片材料，本身耐熱能力已達1320-1370K。采用先進隔熱涂層可提供100-150K的隔熱效果。
" b5 t/ z" a9 x+ R* K! a) p        渦輪部件的制造工藝在過去的幾十年經(jīng)歷了模鍛、鑄造和空心無余量精鑄幾個階段。自從JT9D-7R4D發(fā)動機一級渦輪葉片采用單晶空心精鑄葉片并于1982年投入航線使用以來，到現(xiàn)在已有二十多種發(fā)動機采用了空心精鑄葉片。現(xiàn)在國外又在探索更高性能水平的單晶對開和擴散連接的葉片和多孔層板葉片制造技術，這種加工技術可使渦輪進口溫度進一步提高。為小孔加工發(fā)展的鑄造冷卻技術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、真空擴散焊和優(yōu)良的表面防護及處理等工藝技術的發(fā)展保證了渦輪葉片經(jīng)過設計越來越精細。
  N( ^) k2 i0 k* x/ K: V         國外在渦輪葉片制造工藝方面也有很大發(fā)展，美國普惠公司70年代末到80年代初就已建成用計算機控制的定向凝固精鑄葉片自動生產(chǎn)線，F(xiàn)100發(fā)動機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、機械合金化高溫合金，遠期的是人工纖維增強高溫合金、定向再結晶氧化物彌散強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合材料，碳－碳復合材料，陶瓷和陶瓷基復合材料。未來的發(fā)動機將大量采用非金屬材料。21世紀航空發(fā)動機渦輪進口溫度要求為2000°C，到那時葉片將采用新型高溫結構材料。以Si3N4為代表的高溫結構陶瓷是最有前途的材料之一。

lhjun_123

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

5軸左手

航空用陶瓷材料是如何生產(chǎn)的?