粉末冶金技术在航空发动机中的应用分析

王 磊

（天津工业职业学院，天津 300000）

自20世纪80年代以来，国内外学者都将粉末冶金技术（P/M）工艺的研究聚焦于“净近成型”“低成本”和“高性能”等方面，从普通的五金工具到大型的机械和精密仪器的制造，再到新型电子工业的尖端制造等，粉末冶金技术都发挥了巨大作用。在此背景下，文章主要针对粉末冶金技术在航空发动机中的应用展开探析。

1 粉末冶金技术在航空发动机中的应用特点及优势

“粉末冶金技术”是一种重要的材料制备与成型技术。近年来，随着粉末冶金技术工艺不断成熟和完善，其应用范围越来越广泛，被称为是解决高新材料、高科技问题的“金钥匙”。由于这种技术工艺能实现无切削加工及少切削加工，而且应用过程“精密”、“优质”、“高效”和“低耗节能”等，所以针对粉末冶金技术在航空发动机中的应用特点及优势进行分析具有重要意义。

而航空发动机是飞机的“心脏”，其性能良好与否直接关系到整个飞机各项性能指标及飞行安全性。随着我国航空事业快速发展，目前航空飞机的发动机所处工作环境条件越来越恶劣，相关零部件的实际工作压力负荷也在不断增加。因此，这些条件的变化都对航空发动机的相关关键零部件的综合性能要求提出了更高标准，而采用粉末冶金技术制备航空发动机中的多种新材料和关键零部件，能够使航空发动机涡轮叶片及涡轮盘等核心零部件承受更高的压缩比和燃烧温度，从而有助于延长航空发动机飞行使用寿命，并减少污染排放，提高航空发动机的燃油经济性。

2 粉末冶金技术在航空发动机中的应用材料种类

2.1 航空发动机中的P/M钛基合金粉末冶金技术材料

P/M镍基高温合金具有优良的性能特征，这种新型冶金材料的典型化学成分为四类，主要包含“W”，“V”，“Ti”，“Al”等基体强化元素和“Ti”，“Nb”等 γ'相形成元素以及“W”，“V”，“Nb”，“Ta”等碳化物形成元素，还有“Zr”，“B”晶界强化元素，这种合金材料目前在我国的航空发动机中应用最为常见。作为一种性能良好的高温合金结构材料，P/M镍基高温合金通常用于制备航空发动机中的高温承力转动部件，如压气机盘、涡轮盘、导风轮以及封严盘等。虽然航空发动机中的鼓筒轴、涡轮盘高压挡板等关键零件尺寸不断增大，所以航空发动机中P/M钛基合金粉末冶金技术材料中的镍基高温合金成分也变得越来越复杂。其中，通过优化镍基高温合金中的γ'强化相的含量、形貌和粒径，能够有效提升P/M钛基合金粉末冶金技术材料的高温力学性能。

2.2 航空发动机中的喷涂合金粉末冶金技术材料

航空发动机中的喷涂合金粉末冶金技术材料主要通过 Ti5Si3、SiC，TiC，B4C、Ti-Al、TiB2 等碳化物、氮化物、氧化物等颗粒作为增强相，主要用于制备航空发动机中的连接环、导航仪和叶片以及压气飞机盘、风扇等关键零部件。这一合金材料具有很强的抗腐蚀性能力，而且热强性好，结构强度较高，将这种新型合金材料应用于航空发动机的关键零部件制备中，能够有效减轻航空发动机的实际重量，提高高温下（300～600℃）条件下航空发动机的推重比。此外，喷涂合金粉末冶金技术材料的综合拉伸性能、组织稳定性较强，能够超过基本的熔锻材水平，抗疲劳性能和高温蠕变抗力、综合强度都较好。但在航空发动机导航仪和连接环零部件制备过程中，需要严格控制航空发动机中的喷涂合金粉末冶金技术材料的杂质含量和孔隙，从而提高合金材料的抗疲劳性能，通过工艺净化，能够解决喷涂合金粉末冶金技术材料致密度不高的问题。

2.3 航空发动机中的氧化物弥漫强化合金冶金技术材料

航空发动机中的氧化物弥漫强化合金冶金技术材料也称为新型的超高温合金。作为新一代高温结构材料，镍基和钴基等超高温合金材料以铌-硅基共晶自生复合结构材料为基材，其具有“高强度”、“高刚度”和“低密度”的特征，通常其熔点和密度在7.19g/cm3和1918℃左右。通过对超高温合金材料的铌基体进行高温（＞1500℃）强化，基于原位析出技术，可提升其硅化物（如Nb3Si或Nb5Si3）中的组织稳定性及相关化学成分的稳定性等。尤其在1200～1400℃下的高温工作环境下，通过对航空发动机中的氧化物弥漫强化合金冶金技术材料进行表面涂覆处理，并将相关合金化元素如Ti，Cr，Hf，Al和Mo等添加于超高温合金中，能够提高Nb-Si系原位复合材料Mo5Si3+Mo3Si+Mo5SiB2和α-Mo+Mo3Si+Mo5SiB2系的延展性、室温韧性和抗氧化性能等，还可解决塑性变形能力差及合金加工性差等问题［4］。

2.4 航空发动机中的难熔金属冶金技术材料

航空发动机中的难熔金属冶金技术材料（Oxide Dispersion Strengthen，ODS）主要用于制造航空发动机涡轮叶片和导向叶片等工作零部件。这种镍基氧化物弥散强化合金材料能够在高温下使用，并能够承载航空发动机中的大量的疲劳载荷、蠕变和气体腐蚀压力等。基于其γ'［Ni3（Al，Ti）］相良好的弥散强化高温蠕变性能，可析出MA600，MA754和MA760等镍基ODS合金。这些具有代表性的镍基ODS合金基于热挤压工艺和MA机械合金化技术工艺，能够有效强化和拉长晶粒抑制晶界滑移过程。为了有效提升航空发动机及涡轮喷气发动机中的导向叶片或涡轮叶片的力学性，需要在材料加工制备过程中，细化氧化物弥散强化合金粒径，并依次采用热挤压或轧制工艺、机械合金化通过添加Hf元素，最终能够将航空发动机中的难熔金属冶金技术材料的氧化物粒径由30nm减小到5～10nm。

3 航空发动机中粉末冶金技术的具体应用

3.1 镍基高温合金粉末技术在航空发动机中的应用

镍基高温合金粉末技术能够基于纯净度较高的镍基合金粉末材料，制备航空发动机所需氧含量低、粒度小的高性能粉末涡轮盘。通过制备AA粉和PREP粉，细化PREP粉粒粒径，可提高航空发动机涡轮盘的飞行使用寿命。与此同时，通过采用镍基高温合金粉末技术，针对AA粉和PREP粉进行热处理强韧化和颗粒界面韧化处理，能够提高航空发动机高性能粉末涡轮盘盘坯的致密度。

近年来，业内为了开发新型的制粉技术和多种纯净化熔炼技术，借助新型的熔化金属材料和陶瓷材料，打造真空感应熔炼（VIM）惰性气雾化系统，经过对粉末进行双韧化处理和真空脱气处理，将预合金棒作为电极感应熔炼气体雾化（EIGA）技术工艺中的电极，同时，通过PIGA技术熔炼水冷铜坩埚的底部，最终能够将熔化金属液体流引入VIGA-CC系统。该系统可用于活性TiAl或钛合金金属间化合物。只要将ESR-CIG工艺中的雾化材料熔化，即可通过冷壁感应引导系统快速制备精炼金属液，并提高航空发动机镍基高温合金粉末材料制备效率。

3.2 喷涂粉末技术在航空发动机中的应用

不同制备工艺条件下的航空发动机相关零部件的形貌、粒度分布和粒径以及相关颗粒物的化学成分等都会发生很大变化。为了提高航空发动机相关零部件的涂层性能，需要采用机械、喷雾干燥制粒以及水和气体雾化等方式，制备航空发动机喷涂用粉末。

目前，航空发动机中的喷涂粉末技术主要包含等离子体球化技术和等离子致密球化工艺以及水热氢还原法等。通过等离子弧迅速加热并使形状不规则的原料粉末颗粒变为液滴，然后在很高的温度梯度下，能够使熔融的颗粒液滴凝固并形成球形粉末。作为一种高效的制备喷涂粉末的技术工艺，等离子体球化工艺能够基于气流磨分级分散制备平均粒度仅有3～7μm的高纯度、球形和致密的喷涂粉末材料。

3.3 纳米粉体再次造粒技术在航空发动机中的应用

纳米粉体具有很好的抗震性能，将其运用到航空发动机的热障涂层原材料中，通过纳米粉体再造粒技术，可提高航空发动机相关零部件的隔热性能。但由于无法直接进行喷涂纳米粉末材料，在具体应用中，需通过纳米粉体再造粒技术工艺，先后经过喷雾干燥造粒处理两个环节，将纳米粉体加工制备为微米级的团聚体粉末。具体而言，需要基于球磨混合技术或超声技术在液态介质中均匀散落纳米结构材料，然后加入一定量的有机粘合剂，通过喷雾干燥所得溶液，即可制备直接能够将纳米结构团聚体加入传统热喷涂喷枪上使用的纳米结构喷涂粉末，但前提是要在内部烧结温度下通过化学吸附排除纳米结构团聚体中的多余水分，形成直接用于冷喷涂的镍基ODS合金粉末和铁基粉末等。

4 结 语

粉末冶金技术是一种用于制造高性能航空发动机材料的高新技术。通过粉末冶金技术能制备良好的复合合金材料，可用于航空发动机中，具有热加工性能良好、各向同性、组织均匀、无宏观偏析及晶粒细小等特征和优点，将粉末冶金技术应用于航空发动机多种新材料优选制备和关键热端部件制备中，能够大幅度提高航空发动机粉末冶金材料的疲劳性能和屈服强度。