航天|航空航天系统结构材料研究进展综述 ⑾( 六 ) 波音777|汽车

2.2.3.航空发动机用镍合金的进化改进
在约550°C以上的温度下，使用镍基合金代替钛合金。这意味着压缩机后部、燃烧室和整个涡轮部分由镍基合金制成。在喷气发动机开发的早期，早期镍基合金的温度性能是通过提高工作温度实现更高性能的主要限制。目前的合金已将这一限制降至最低，尽管较新的设计可能受益于比目前更高的温度性能，尤其是在HPC的后部。在转子设计中，通常将工作应力限制在能够消除蠕变的水平，以此作为寿命限制因素。
因此， LCF寿命和疲劳裂纹扩展成为限制性能，就像钛合金转子一样。在过去的25年中，镍基转子合金在温度性能方面有了发展。这如图27所示。该图比较了两类镍基合金的蠕变强度；由铸锭冶金（IM）和粉末冶金（PM）生产的。
图27 五种镍基圆盘合金蠕变强度的比较。在650°C和800 MPa的应力下，时间为0.2%应变
IM合金通常包含较低的合金添加剂总浓度，并且比PM合金具有较低的蠕变强度。它们的制造和制造成本也大大降低。与钛合金一样，铸锭冶金镍基合金的熔炼技术在过去35年中也有所发展。如今，通常采用三重熔炼以确保成分和夹杂物控制以及最终产品的均匀性。在镍基合金的情况下，三熔体实践从真空感应第一熔体开始，然后是电渣二次重熔和最终VAR熔体。在镍基合金转子开发的早期，这种做法大大减少了导致转子故障的熔体相关缺陷，如雀斑、白斑和大型夹杂物。由于这些改进，除了IM合金固有的温度限制外，这些材料在再现性和可靠性方面都非常优异。
使用粉末冶金（PM）技术制造涡轮盘也在25年前开始发展。如果合金含有高浓度的溶质，大（>30cm直径）铸锭在没有不可接受的凝固偏析水平的情况下无法铸造，则可将其制成粉末。使用粉末冶金方法生产转子合金解决了这一问题，但需要格外小心。例如，高度严格的粉末处理工艺对于避免意外加入可能对疲劳行为产生有害影响的有害污染物至关重要。转子高应力区域中的单个大夹杂物可能导致转子破裂，并造成灾难性后果。
典型的处理顺序如下所示：
1.惰性气体雾化成粉；
2.通常，将粉末筛选至预定的最大粉末粒度?270目（44μm）；
3.粉末的真空脱气
4.将粉末放入挤压罐中
5.使用确保全密度的挤压比将粉末挤压成坯料；
6.将坯料锻造成最终锻造零件，通常采用等温热模锻工艺。
包含此过程大纲的一个原因是为了强调使用PM磁盘的成本。
镍基合金含有活性元素，如铝和用于固溶和沉淀强化的耐火元素添加剂。即使在最严格控制的情况下，这些活性元素在惰性气体雾化过程中也会形成小的氧化物颗粒。这些小的氧化物颗粒可以作为早期疲劳裂纹萌生点。由于它们的尺寸不均匀，且在圆盘的整个体积内分布不均匀，因此需要采用不同的方法来计算作为应力分布函数的循环寿命。这一要求导致了详细的概率方法的发展，以解释夹杂物对疲劳寿命的影响。使用此方法是必要的，但也会增加成本，即使在生成初始数据库之后也是如此。
镍基转子合金性能的另一个方面是晶粒尺寸对关键性能的影响，包括抗拉强度、蠕变强度、LCF寿命和疲劳裂纹扩展速率。粒度对这些特性的影响如图28所示，这是根据实际数据得出的示意图。从该图可以看出， LCF寿命和强度与蠕变强度和疲劳裂纹扩展具有相反的晶粒尺寸依赖性。因此，必须选择适合所考虑设计的特定寿命限制特性的处理方法。这种定制房地产的能力是一种潜在的优势，目前对房地产权衡的理解水平是许多研究人员大量研究的累积结果。
图28 基于真实数据的示意图，显示晶粒尺寸对蠕变、低周疲劳寿命、疲劳裂纹扩展速率和抗拉强度的影响。
最后，就大修和性能之间的时间而言，高压涡轮机翼可能是现代燃气涡轮发动机中最关键的部件。蠕变强度和抗氧化性通常是涡轮机翼的寿命限制特性。涡轮空气箔生产技术也在不断发展。早期的机翼是锻造的，但锻造材料的蠕变强度是一个严重的限制。
今天，这些空气箔是由高度复杂的受控凝固工艺制成的铸造镍基合金。涡轮机翼的加工演变可以追溯到从等轴细晶粒锻件到粗晶粒等轴铸件，再到定向凝固产生的柱状晶粒结构，最后到基本上没有高角度晶界的单晶结构。晶界滑移的蠕变机制限制了锻造和等轴铸造产品的温度性能。这种机制在柱状晶粒结构中最小化，但仍然存在。晶界裂纹是镍基合金中的一个问题，但可以通过添加合金元素（如B、Zr和Hf）来缓解。