法國N19新型粉末高溫合金的研發動態及進展

張林嘉

（海裝廣州局駐貴陽地區軍事代表室，貴州 貴陽 550014）

一直以來，為航空飛行系統提供動力的燃氣渦輪發動機性能的提高主要應歸功于渦輪盤和葉片新材料技術的發展。粉末冶金（PM）路線制備的大型壓氣機和渦輪盤使高溫部件壽命顯著增加。這項技術最初由美國開發，大多鎳基高溫合金都是為某型發動機專門設計的。法國擁有獨立自主的高溫合金研發路線，主要是由斯奈克瑪公司（Snecma）主導推動，并成功將新材料應用于颶風戰斗機的M88發動機中[1]。法國粉末高溫合金的研發具有自己獨特的思路和方式，例如N18、NR3、N16等盤合金的成功設計和應用標志著法國在國際高溫新材料的研發中具有一席之地。目前，N19合金是法國最新的粉末高溫合金，本文將綜述該合金的設計、工藝、顯微組織與性能，為國內粉末高溫合金設計與開發人員提供借鑒。

1 N19合金的開發背景與設計思路

1.1 合金成分設計和篩選

法國對粉末高溫合金的開發可追溯到20世紀70年代末，主要由法國國家航空航天研究中心（Office National d’ Etudes et de Recherches Aérospatiales，簡稱Onera）進行研制[2]。在20世紀80年代早期，法國飛機發動機制造商Snecma（現在的Safran Snecma）啟動了軍用發動機M88的研發項目，為Dassault公司的颶風戰斗機提供動力。為了滿足M88發動機對渦輪盤的嚴格要求，Snecma希望使用一種新的粉末高溫合金來保證盤件可靠性。因此，Snecma、國立巴黎高等礦業學院（MINES ParisTech）和Onera等合作開展了合金開發計劃。該計劃研發出粉末高溫合金N18，后來該合金也成功應用于M88發動機中高壓壓氣機和高壓渦輪盤。

從20世紀80年代末開始，法國武器裝備總署（DGA）國防采購提出了工作溫度高于700℃（最高為750℃）的新型粉末高溫合金需求。為此，Snecma、Onera和MINES ParisTech開展了一項合作項目，即開發一種新的粉末高溫合金，要求如下[3]：合金能夠通過固溶處理獲得需要的晶粒尺寸；在750℃的長期熱暴露下顯微組織穩定性良好，沒有TCP相析出；與N18合金相比，在700℃的溫度下具有更高的蠕變和疲勞抗性；合金密度低于8.35g/cm3。

為了滿足上述要求，新型高溫合金的γ'相含量應為40%～50%，與N18合金相比降低了9%～27%。由于γ'相含量降低，需要進一步強化γ基體和γ'相強度。通過Cr、Mo和W元素間的配比調控，優化γ基體和γ'相的化學成分。為增加γ基體的固溶強化作用，適當降了Mo并添加W。通過適量提高Cr的含量來增強高溫抗氧化和耐腐蝕性，避免TCP相在目標溫度析出。其中重點平衡了Co的含量，原因是當Co含量增加時，γ'相固溶溫度通常會降低。為了強化γ'相，（Ti+Nb+Ta）/Al的比值（at.%）增至1左右（N18合金為0.57）。部分設計合金與N18成分的對比見表1[3]。

表1 由Onera開發的盤合金名義成分

通過綜合考慮所有合金的力學性能、顯微組織穩定性和耐蝕性等，在10種合金中選擇2種最優合金，即14#合金（SMO48合金），該合金具有高抗拉伸和抗蠕變性能和良好的相穩定性；22#合金（SMO43合金），該合金抗拉性能高。與14#合金相比，22#合金抗蠕變性能適中，但該合金γ'相含量較低，γ'相固溶溫度也較低。最終，SMO43合金申請了專利[4]，并命名為N19合金。

1.2 鍛坯試制

N19合金的粉末采用氬氣霧化方法制備，粉末根據N18粉末高溫合金的標準工業流程進行試制，包括篩分（≤53μm（270目）），包套裝粉和1150℃熱等靜壓（HIP）。等靜壓后進行熱擠壓變形，擠壓棒尺寸為φ70mm×700mm。N19的擠壓條件是根據Astroloy和N18上的經驗確定的，擠壓溫度遠低于γ′固溶溫度（1070℃）。坯料熱擠壓（HEX）后，進行等溫鍛造（ITF），所得餅坯直徑為φ200mm。擠壓棒坯和等溫鍛后的餅坯如圖1所示[3]。

圖1 N19合金熱機械加工樣件

2 N19粉末高溫合金的顯微組織

2.1 熱變形后N19合金的顯微組織

經過HIP+HEX+ITF后的N19合金的變形顯微組織如圖2所示[3，5-6]。γ基體晶粒組織均勻，平均晶粒尺寸約為3μm。一次γ′相粗大且與基體晶粒尺寸接近，尺寸為0.2μm～3μm，面積分數為25.3%。最大尺寸一次γ′相約為1μm～3μm，主要在晶界位置；0.2～0.8μm的γ′相主要分布在晶內；晶內更細小的γ′相（30nm～100nm）可通過透射電鏡暗場成像觀察到（如圖2（d）所示）。因此，該合金熱變形后具有γ+γ′相雙相組織特征。

圖2 經過HIP+HEX+ITF后的N19合金變形顯微組織特征

2.2 熱處理對N19合金顯微組織的影響

DUMONT[5]對N19鍛件熱處理做了大量工作，通過掃描電子顯微鏡觀察法統計了大尺寸一次γ'相的含量隨固溶溫度的變化情況。不同固溶溫度下N19合金大尺寸一次γ'相回溶量的變化如圖3所示[5]。從圖4可以明顯看出，當溫度越接近γ'相固溶溫度（1150℃）時，晶界處一次γ'相含量越少，晶粒尺寸越大。

圖3 不同固溶溫度下N19合金的顯微組織

圖4 不同熱處理工藝方法對N19合金γ'相形貌和尺寸的影響

晶內的二次γ'相和三次γ'相對固溶溫度和冷速較敏感，DUMONT針對N19合金設計了5種過固溶處理工藝（如圖4所示）[5]，主要根據γ'相的溶解溫度和冷卻速度給出了不同工藝下晶內γ'相的形貌和尺寸。試驗證實可以通過固溶處理的溫度和冷速調控N19合金中二次和三次γ'相的尺寸和分布。

3 N19粉末高溫合金的力學性能

N19合金與法國上一代N18與美國第二代粉末高溫合金Rene88DT室溫和高溫拉伸強度的對比見表2[3]。可以看出，在3個合金中，N19合金的室溫和高溫強度最優異。屈服和抗拉強度提升的原因是N19合金在N18合金的基礎上添加了1at.%的Nb元素和1at.%的W元素（見表1）。Nb元素主要進入γ'相內Al點位，能提高γ'相的反向疇界能，因此能進一步強化γ'相。而W元素既能進入γ基體，起到固溶強化的作用，又可以進入γ'相，起到同時強化γ基體和γ'相的作用。

表2 旋轉電極制備的粉末高溫合金拉伸性能對比

Rene88DT、N18和N19粉末高溫合金蠕變性能對比見表3。從表3中的蠕變結果可以看出，與Rene88DT和N18相比，N19合金在650℃～700℃下具有良好的抗蠕變性能。在650℃條件下，達到相同的蠕變應變0.2%時，N19比N18合金的蠕變強度提高了約275MPa。在700℃/700MPa條件下，N19合金0.2%應變的蠕變時間比N18合金延長了約46%。N18和N19合金的抗蠕變性能均遠優于Rene88DT合金。

表3 Rene88DT、N18和N19粉末高溫合金蠕變性能對比

4 結語

法國新型粉末高溫合金N19是法國自主研發的最新合金，其合金成分設計思路與歐美系合金（如Rene95、Rene88DT、Rene104和RR1000）和俄系合金（EP741NP）具有根本區別。作為法國航空發動機渦輪盤的備選材料，N19合金表現出穩定的顯微組織和優異的力學性能。然而，N19合金化程度復雜，國內、外對其報道較少，很多性能（耐氧化腐蝕性能、長時熱穩定性和蠕變性能等）還沒有詳盡的數據，合金的變形機理尚不明確。一方面，該合金的開發思路可以為粉末高溫合金開發、設計和研究人員提供參考，另一方面可以深入研究該合金變形機理，必要時可通過成分改性進行二次開發，為我國粉末高溫合金的發展奠定基礎。