高溫合金雜質控制水平國內外對比分析研究

操齊高 馬光 鄭晶

摘要：雜質元素種類、含量對高溫合金性能起著決定性的影響。本文對影響高溫合金性能的雜質元素進行了分析介紹，并通過對比分析研究了國內外高溫合金雜質控制水平現狀，綜合考慮高溫合金的雜質元素主要來源于原材料，而且許多有害元素在后續工藝過程中很難去除的現實狀況，建議在高品質高溫合金的研制和開發中采用高純原材料、特別是采用針對合金中的某些元素進行針對性提純后的原材料，通過控制原材料的雜質來控制高溫合金中雜質元素數量及含量，提高我國高溫合金的性能水平。

關鍵詞：高溫合金;雜質;原材料;對比分析。

中圖分類號：TG13?????文獻標識碼：A??文章編號：1674-098X（2015）010（c）-0000-00

Comparative?Analysis?of?the?Control?of?Impurities?in?Domestic?and?Foreign?Superalloys

CAO?Qigao，?MA?Guang，?ZHENG?Jing

（Northwest?Institute?for?Nonferrous?Metal?Research，?Xian，?Shanxi?710016，?China）

Abstract：?The?performance?of?superalloys?was?affected?heavily?by?the?amount?and?content?of?impurity?elements.?In?this?paper，?the?impurity?elements?affecting?the?properties?of?superalloys?were?analyzed，?and?the?comparative?analysis?of?the?control?of?impurities?in?domestic?and?foreign?superalloys?was?studied.?Considering?that?the?impurity?elements?in?superalloys?were?mainly?derived?from?raw?materials，?though?many?of?them?its?very?difficult?to?remove?in?the?following?process.?It?was?suggested?that?high?purity?raw?materials?should?be?used，?especially?the?raw?materials?purified?with?specific?elements.?To?improve?the?performance?of?the?domestic?superalloys，?the?most?potential?way?is?controlling?the?amount?and?content?of?impurities?in?superalloys?by?controlling?the?impurities?in?the?raw?materials.

Keywords：?Superalloy;?Impurity;?Raw?materials;?Comparative?Analysis。

眾所周知，航空發動機是制約我國飛機發展的主要瓶頸。先進的航空發動機需滿足以下四個重要指標：大的推重比、高可靠性、高工作穩定性和低燃油消耗率。要獲得大的推重比，具有先進性能的高溫合金材料是其主要支撐技術之一。國內與國外差距巨大，其重要原因是合金雜質元素控制水平低造成的。合金雜質元素對高溫合金持久、蠕變等性能會產生嚴重的影響，必須把它們的含量和數量控制到盡可能低的水平。

高溫合金中除固溶強化和沉淀強化元素外，還含有幾十種微量元素。所謂微量元素就是含量很低，甚至ppm量級就能明顯影響高溫合金力學性能和組織的那些元素。微量元素通常可分為有益的微量元素和有害的微量元素，前者如C、B、Ti、Zr、稀土元素等，而后者即為雜質元素。殘留在高溫合金中的雜質元素多達五、六十種，它們對高溫合金的影響機理與雜質元素種類、數量和偏析程度以及高溫合金種類有關。大量研究表明，隨著高溫合金中雜質元素含量的增加，高溫合金高溫力學性能會急劇下滑，從而表現出高溫合金性能的巨大差異。[1]

眾所周知，美國等國家的高溫合金的性能十分優異，主要是其在合金雜質控制方面都達到了很高水平，其雜質元素控制數量多且控制含量低。此外，他們針對鑄造、變形以及粉末等不同類型的高溫合金做出了統一的標準;而我國在這方面沒有統一標準。

1??國外高溫合金雜質控制情況

按照GE公司標準P29TF19[2]，鑄造、變形以及粉末高溫合金中雜質元素數量和含量分別需達到P29TF19標準中的A級、B級和C級。如GE公司單晶鑄造高溫合金René?N5標準C50TF87[3]，規定其微量雜質元素數量和含量需達到P29TF19標準中的A級，即除按照AMS?2280標準[4]控制Bi、Pb、Se、Te、Tl等五害元素的含量在（0.5～5）×10-6以下之外，把Ag也控制在5×10-6以下，而且還要控制其余如Sb、As、Cd、Ga、Ge、In、Sn、Zn、K、Cl、Li等39個元素，這39個元素都要求控制在25×10-6以下，39個元素的總含量不得超過400×10-6;另外，雜質元素控制數量及含量除需滿足P29TF19標準A級要求之外，還需對N、O、S、P、Mn、Si、V等元素含量進行控制。

而實際上美國現有鑄造高溫合金對關鍵微量雜質元素控制水平提出了更高的要求，P29TF19標準中規定的45個元素含量的總和通常都在100×10-6。由此可見，高品質高溫合金對于微量雜質元素控制的高要求已成為一種趨勢。

2??國內高溫合金雜質控制情況

相比于GE公司的標準，目前國產的鑄造高溫合金在雜質元素的控制數量及含量上都還有較大差距。DD5是我國仿照René?N5研制的第二代單晶高溫合金，雖然其五害元素及銀的最低控制含量已達到了AMS?2280標準，但控制雜質元素的種類還差得較多。DD6[5]是我國研制的第二代定向凝固單晶高溫合金，其生產采用國產原材料，雜質元素控制要求如表2所示，其控制雜質數目僅為19個。雖然其部分有害元素的最低控制含量已達到了AMS?2280標準，但在其它雜質元素的數量和含量控制上較René?N5相比還相去甚遠。在雜質元素含量控制上，如René?N5中S、P、Zr、Ti的質量百分數分別需控制在0.003、0.005、0.02、0.04以下，而DD6中S、P、Zr、Ti質量百分數只分別控制到0.004、0.018、0.10、0.10以下。作為要求最高的單晶合金其雜質的控制數量遠低于美國的同類產品的要求，更不要說定向凝固柱晶高溫合金以及等軸晶高溫合金了。

3??結論

通過以上對比分析，可以得出我國高溫合金在雜質控制水平方面與美國還有想當大的差距。要提高我國高溫合金品質，降低高溫合金中有害雜質的含量最有效的辦法是選擇優質原材料，嚴格控制冶煉工藝和精鑄工藝，所以，中國高溫合金質量水平的提高，在很大程度上還依賴于國產原材料的質量水平。建議針對我國先進發動機用高品質高溫合金雜質控制的要求，通過濕法化學分離、物理純化等技術手段，研究國產原材料純凈化方法和理論，獲得原材料痕量元素控制方法。

參考文獻：

[1]?郭建亭.?高溫合金材料學（上冊）[M].?北京：科學出版社.?2008.?168.

[2]?Acceptability?Limits?Trace?Element?in?Superalloys.?美國企業標準P29TF19.?1993.

[3]?Premium?Quality?ReneN-5?Vacuum?Cast?and?Directionally?Solidified?Single?Crystal?Turbine?Blades?and?Vanes.?美國企業標準C50TF87.?2005.

[4]?美國宇航標準AMS2280.?1975.

[5]?高溫合金和金屬間化合物高溫材料的分類和牌號.?中國國家標準GB/T?14992-2005.