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2017年我国高温合金技术工艺发展现状与国外对比分析(图)

       我国高温合金的发展可分为三个阶段。

       
表:我国高温合金发展历程

 
表:国产高温合金牌号代号

       目前世界上仅有4个国家形成自己的高温合金体系,分别为美国、英国、俄罗斯、中国。自1956年第一炉高温合金GH3030试炼成功,迄今为止,我国高温合金的研究生产和应用已经历了50多年的发展历程。回顾50多年的历史,我国的高温合金从无到有,从仿制到自主创新,合金的耐温性能从低到高,先进工艺得到了应用,新型材料得以开发,生产工艺不断改进且产品质量不断提高,并建立和完善了我国的高温合金体系,使我国航空、航天工业生产和发展所需的高温合金材料立足于国内,也为其它工业部门的发展提供了需要的高温材料。

       根据2002年出版的《中国航空材料》手册,我国可供航空选用的高温合金牌号89个,由中国金属学会高温材料分会编撰的《中国高温合金手册》(2012)中共列入牌号194个,其中铁基变形合金30个,镍基变形合金43个,钴基变形合金6个,等轴铸造镍基合金62个,定向凝固镍基合金15个,单晶镍基合金9个,金属间化合物基合金20个,粉末高温合金3个,ODS合金5个,以及焊丝等,可供航空、航天及其它工业部门选用。

       历经50多年的发展,我国已形成了生产装备比较先进、具有一定规模的生产基地。其中有变形高温合金生产厂:东北特殊钢集团抚顺特殊钢公司,宝钢股份公司特钢事业部和攀钢集团长城特殊钢公司;有锻件的热加工厂:西南铝业公司,第二重型机械集团万航模锻厂,中航工业宏远航空锻铸公司和安大航空锻造公司(均为中航重机子公司);有生产精密铸件的中国航发集团各航空发动机公司的精密铸造厂;也形成了一批研究水平较高、研究手段较齐备的科研单位:钢研高钠(原钢铁研究总院高温合金研究所)、航发集团北京航空材料研究院(621所),中国科学院金属研究所,北京科技大学、东北大学、西北工业大学等。

       1变形高温合金

       我国高温合金领域最突出、最典型的范例是GH4169合金的质量水平的显著提高。无论在国外还是在国内,GH4169合金都是用量最多、应用范围最广的一个主要品种(对应美国Inconel718,法国NC19FeNb)。

       在我国,该合金主要用于涡轴发动机的甩油盘、鼓筒轴、涡轮螺栓等各种重要零件、先进歼击机发动机用盘件等各类关键部件以及液体火箭发动机的关键热部件。通过不断提高合金纯洁度(硫含量低于20*10-6,铋含量低于0.3*10-6)、改善盘件加工工艺、掌握了GH4169合金组织和性能方面的规律,使其生产和质量稳定性有了明显提高。

       此外大型难变形合金盘件的生产取得重大突破,通过解决冶炼和热加工中存在的一系列技术问题,研制成功了直径1.2米的GH4698合金盘和直径0.8米的GH4742合金盘,为烟气轮机(炼化厂用)生产了直径1.1米的GH4738和GH2132圆饼,为大型燃气轮机生产了直径2.2米的GH2674圆饼,以满足大型舰用和地面燃气轮机发展的需要。

       2铸造高温合金

       在铸造高温合金方面,除常规等轴晶铸造合金继续进行性能稳定和提高铸件质量,控制铸件凝固过程、提高材料成品纯净度及研制少量新合金品种等工作外,定向凝固合金和单晶合金叶片材料的研究是国内高温合金领域的研究重点。

       根据航空发动机发展要求,我国研制了数个具有较高性能的定向凝固高温合金并研究其相应的叶片制造工艺,其中DZ404、DZ422和DZ422B已在现役航空发动机中投入批量生产。此外,为新机种研制成功了DZ4125、DZ4125L和DZ417G涡轮叶片材料,其使用温度为1000℃左右,以及DZ640M导向叶片材料,这些合金均已通过使用考核。

       我国在20世纪80年代开始研制单晶合金,研制了DD402、DD403、DD406、DD407、DD408(耐蚀)和DD498等合金,其中第一代单晶合金DD402适用于制作工作温度为1050℃以下的涡轮叶片,已在涡轴发动机上通过试车、试飞考核;DD407正在进行试车、试飞考核(2010年)。
       参考中国报告网发布《2016-2022年中国高温合金市场发展现状及十三五投资价值分析报告
       第二代单晶合金DD406,含铼2%,使用温度可达1080-1100℃,正在先进的发动机中进行使用考核(2010年)。

       3粉末高温合金

       我国在上世纪80年代初开始研制粉末高温合金盘,但大量研制工作是在1994年后进行的。1994年,钢研总院(钢研高钠大股东中国钢研集团前身)在涿州基地建立了等离子旋转电极制粉粉末高温合金生产线,结合新研制和新设计发动机型号的需求开展了FGH4095和FGH4096的研制工作。

       截止2010年,经直接热等静压成型的粉末FGH4095合金挡板已在研制的新型航空发动机中通过台架试车和试飞考核,并进行了批量生产,粉末FGH4095直接热等静压成型的小型涡轮盘也通过了新型涡轴发动机的试车考核。此外,直接热等静压成型FGH4097粉末涡轮盘的研制已顺利取得进展,将在新试制的发动机中进行使用考核。

       4与国外的差距

       仍以GH4169为例,虽然GH4169合金近年来取得了长足的进步,满足了使用的基本需求,但与国外Inconel718合金涡轮盘相比,国产涡轮盘的研制和生产还存在一些问题。

       美国Inconel718合金的冶炼技术水平很高且稳定,但我国在冶炼GH4169合金过程中,由于冶炼设备技术状态不稳定、冶炼工艺路线不合理或技术参数控制不精准,有时会产生冶金缺陷黑斑,加大了涡轮盘在使用过程中的潜在风险。

       据文献《我国航空发动机用GH4169合金现状与发展》统计,自2005年太行发动机批产以来,已生产盘锻件中出现黑斑缺陷的钢锭占总数的1.8%,而美国Inconel718合金中出现黑斑的几率几乎为0。同时,其S、O含量和其它杂质元素含量比国产料要低。可见GH4169合金和美国Inconel718合金的冶金质量还有一定差距。图示如下。

 
表:我国部分高温合金牌号及其国外对标牌号
资料来源:中国报告网整理,转载请注明出处(GQ)

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