高溫合金薄壁件加工工藝探索

肖拾花 王超

摘 要：高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在600℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、發(fā)電及熱處理設(shè)備上，也是汽輪發(fā)電機(jī)極其重要的材料組成部分。近年來(lái)，隨著這些行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)零件的要求越來(lái)越體現(xiàn)輕量化、精密化，伴隨著這一發(fā)展趨勢(shì)，薄壁鑄件的需求將越來(lái)越大，具有薄壁結(jié)構(gòu)的高溫合金鑄件研究正引起越來(lái)越多人的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：高溫;合金;薄壁;工藝

高溫材料主要包括高溫合金、鈦合金、難熔合金和陶瓷材料等，其中以高溫合金和鈦合金的應(yīng)用最為廣泛，分為三類材料：760℃高溫材料、1200℃高溫材料和1500℃高溫材料，抗拉強(qiáng)度800MPa。或者說(shuō)是指在760--1500℃以上及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作的高溫金屬材料，具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度。如今，在世界先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，高溫合金材料用量已占到發(fā)動(dòng)機(jī)總量的40%～60%。隨著精密鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，航天、航空、電力及核能領(lǐng)域使用的關(guān)鍵熱端部件的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，不僅朝著整體、薄壁空心方向發(fā)展，而且正逐步向結(jié)構(gòu)承載與氣體導(dǎo)流的結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展。

一、高溫合金材料的加工特性

（一）具有抗氧化和抗熱腐蝕性能。金屬的高溫抗氧化性是指鋼在高溫條件下對(duì)氧化作用的抗力，是鋼能否持久地在高溫下工作的重要保證條件。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點(diǎn)在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強(qiáng)度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能。在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金材料主要用于四大熱端部件：燃燒室、導(dǎo)向室、渦輪葉片和渦輪盤。氧化是一種典型的化學(xué)腐蝕，在高溫空氣、燃燒廢氣等氧化性氣氛中，金屬與氧接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即氧化腐蝕，高溫合金中主要元素對(duì)合金的凝固過(guò)程、力學(xué)性能和抗熱腐蝕性能都有很大的影響。例如K419合金，950℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度大于700MPa、拉伸塑性大于6%。950℃，200小時(shí)的持久強(qiáng)度極限大于230MPa。直升機(jī)的尾減機(jī)匣就是陽(yáng)極氧化處理完成的。

（二）良好的疲勞性能。當(dāng)機(jī)件在高溫下承受交變載荷作用，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，稱為高溫疲勞。而蠕變是機(jī)件在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下發(fā)生的塑性變形。疲勞是反復(fù)蠕變的必然結(jié)果。高溫合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗氧化、抗蠕變、抗腐蝕能力和良好的疲勞特性。尤其在650 ℃高溫下，其力學(xué)性能具有很好的穩(wěn)定性，能夠在600～1200 ℃下承受一定的工作壓力;因此，高溫合金被廣泛地制造工作葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤和燃燒室等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室材料就是使用的主要高溫合金以鎳基或鈷基高溫合金為主，實(shí)踐中就有良好的冷熱疲勞性能。為了獲得更優(yōu)良的耐熱性能，一般條件下要在制備時(shí)添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優(yōu)越的抗熱抗疲勞性。

（三）良好的斷裂韌性。高溫合金材料成分十分復(fù)雜，含有鉻、鋁等活潑元素，在氧化或熱腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)為化學(xué)部穩(wěn)定。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性，且高溫合金的合金化程度較高，又被稱為“超合金”。斷裂是金屬材料受到外載荷作用時(shí)發(fā)生的產(chǎn)要破壞方式，最常見(jiàn)的兩種破壞類型：韌性斷裂和脆性斷裂。材料的斷裂韌性隨著板材或構(gòu)件截面尺寸的增加而逐漸減小，最后趨于一穩(wěn)定的最低值，即平面應(yīng)變斷裂韌性KIC。這是一個(gè)從平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。持久強(qiáng)度是指在恒定溫度下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，金屬材料發(fā)生斷裂破壞時(shí)的應(yīng)力值。合金材料在高溫下晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)，因此加入合金元素提高再結(jié)晶溫度，形成穩(wěn)定的特殊碳化物，以及采用粗晶材料，減少晶界等都能有效地提高合金材料的高溫強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的斷裂韌性。

二、高溫合金薄壁件加工工藝技術(shù)

（一）鑄造冶金工藝技術(shù)。鑄造是熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀、尺寸、成分、組織和性能鑄件的成形方法，是利用材料從液態(tài)到固態(tài)的相變進(jìn)行成型的過(guò)程。以鑄造方法直接制備零部件的高溫合金材料。根據(jù)合金基體成分，可以分為鐵基鑄造高溫合金、鎳基鑄造高溫合金和鈷基鑄造高溫合金3種類型。要保持合金足夠的抗熱腐蝕性和良好的工藝性。另外，單晶鑄造高溫合金是各向異性的，<100>方向是合金結(jié)晶生長(zhǎng)的擇優(yōu)方向，其蠕變強(qiáng)度較高和彈性模量低。蠕變強(qiáng)度最高的取向是<111>方向。疲勞性能最高的取向是<001>方向。具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域由于鑄造方法具有的特殊優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)零件的使用需要，設(shè)計(jì)、制造出近終形或無(wú)余量的具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。

（二）粉末冶金工藝技術(shù)。粉末冶金是一門研究制造各種金屬粉末并以該粉末為原料，通過(guò)混合、壓制成型、燒結(jié)以及必要的后續(xù)處理來(lái)制取金屬材料或制品的工藝技術(shù)，是采用粉末冶金方法減少合金元素的偏析和提高材料強(qiáng)度等。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細(xì)小，冷卻速度快，從而成分均勻，無(wú)宏觀偏析，而且晶粒細(xì)小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低。粉末冶金高溫合金通常按合金強(qiáng)化方式分為彌散強(qiáng)化型和沉淀強(qiáng)化型兩類。彌散強(qiáng)化型高溫合金是用惰性氧化物來(lái)強(qiáng)化的，這種氧化物的物理和化學(xué)性能高度穩(wěn)定，在一般沉淀強(qiáng)化相軟化、聚集甚至溶解的溫度下，仍保持相當(dāng)高的強(qiáng)化效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

總之，高溫合金又被稱為“超合金”，是廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。薄壁零件具有重量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造等行業(yè)中。因此，隨著科技的不斷進(jìn)步，大力的發(fā)展新材料，改進(jìn)舊材料的性能，完善制備工藝，以及薄壁方案及材料選取等不斷地探索，高溫合金薄壁零件加工技術(shù)將成為生產(chǎn)可靠性高、合格率高的技術(shù)體系，必將為高溫合金薄壁零件的加工提供有力支撐。

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